基于虚拟仪器的数控机床动态特性测试与分析系统研究

模态分析功能界面如图６所示。打开系统的频响 函数文件，将加速度传函转换为位移传函，输入分析频 率范围并确定拟合阶数，前面板同时显示原始频响函 数波形与拟合后的频响函数波形，根据拟合数据计算 得到模态参数并将固有频率、阻尼比、模态质量、模态 刚度以文本格式文件存储。
图６模态分析界面
图５传函分析模块界面
到傅立叶谱为Ｆ（Ｗ）、Ｘ（Ｗ），并由傅立叶谱计算得到
激励的自功率谱Ｇ圹（Ｗ）及与之响应的互谱Ｇ肛（Ｗ），Ⅳ 次敲击实验结束后对功率谱作平均，降低噪声的影响， 利用频响函数的估算式
Ｈ（Ｗ）＝∑与啄；Ｌ（～埘）
（１）
ｙ２（小黜∑啄（伽）
得到系统的频响函数曲线，并利用相干函数的计算式 （２）
判断频响函数的测试质量及可靠性。
嗽ｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｆｃｈ设计与研究
析方法，获得系统动力学特性。将整个系统作为多自 由度阻尼系统，对锤击实验获得系统的频响函数利用 模态参数辨识方法计算出实际系统的动力学模型参 数。
模态参数识别方法分为时域识别法和频域识别 法。频域识别法因其可靠性较高，识别速度较快，且较 少产生虚假计算模态而被广泛应用。目前主要的频域 识别方法包括有理正交多项式（ＲＦＯＰ）以及频域多参 考点算法（ＦＤＰＲ）。本文以Ｌａｂｖｉｅｗ为平台利用正交 多项式算法对频响函数进行曲线拟合，在其基础上测 得模态参数。正交多项式模态辨识算法见参考文献 ［３］。
（ＡＳＭ—ＢＵＡＡ Ｍｏｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ， Ｂｅｉｈａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３，ＣＨＮ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｖｉｒｔｕａｌ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｂａｓｅｄ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓ— ｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌ—ｃｕｔｔｅｒ—ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｕｎｄｅｒ ＬａｂＶＩＥＷ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ｆｕｎｄａ— ｍｅｎｔａｌ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｍｏｄｕｌｅｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｓａｍｐｌｉｎｇ，ＦＦｖｒ，ＦＲＦ，ｐｏｗｅｒ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ａｎｄ ｍｏｄａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｅｔｃ．， ａｒｅ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ＬａｂＶＩＥＷ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｉｎ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｏｍａｉｎ ｏｆ ａ ｍａ— ｃｈｉｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｓｕｃｈ ａｓ ｎａｔｕｒａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ｄａｍｐｉｎｇ ｒａｔｉｏ，ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｅｔｃ．ｃａｎ ｂｅ ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｈａｍｍｅｒ ｔｅｓｔ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｉｎ ｓｈｏｐ—ｆｌｏｏｒ ｔｅｓｔ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔｌｙ． Ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，ｔｈｅ ＶＩ ｂａｓｅｄ ｔｅｓｔｉｎｇ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｍｏｎ－ ｓｔｒａｔｅｓ ｔｈｅ ｈｉｇｈｅｒ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｃｅ，ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ａｃｃｕｒａｃｙ ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｃｏｓｔ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ．
图２系统软件结构图
图１系统硬件结构图
通过力锤给系统施加激励，力传感器测量输入的 激振力，压电加速度计测量刀尖的振动；电荷放大器将 两路传感器输入的电荷信号进行放大、转换和滤波，提 高信噪比；数据采集卡完成对信号数据的放大、Ａ／Ｄ 转换，并通过ＵＳＢ总线与计算机传递数据；计算机是 分析处理数据的核心，以计算机为平台运行Ｌａｂｖｉｅｗ 软件，完成数据的分析处理工作。 １．２ 软件部分
基于虚拟仪器的数控机床动态特性测试 ‘与分析系统研究＋
金晓亮 刘 强 袁松梅
（北京航空航天大学机械工程及自动化学院ＡＳＭ—ＢＵＡＡ运动控制研究中心，北京１０００８３）
摘 要：采用虚拟仪器技术开发了用于“机床一刀具ｍｑ－件”切削加工工艺系统的动力学特性测试与分析系 统，该系统以ＬａｂＶｉｅｗ为软件开发平台，实现了切削过程时域信号采集、传函分析、模态分析等功能 模块。可通过锤击实验获得切削加工工艺系统的频响特性及固有频率、阻尼比、刚度等参数。为切削 过程动力学仿真提供动态特性参数。实验证明利用该系统可以方便地进行现场测试与分析，与传统 测试仪器相比，大大提高了测试效率和精度，并降低了测试成本。
软件部分以Ｌａｂｖｉｅｗ为平台，将锤击实验、传函分 析、模态分析等功能模块编制为独立的子ＶＩ。每个ＶＩ 主要包括前面板程序和框图应用程序，前面板程序用 来提供软件系统与用户的交互界面，它可以在计算机 屏幕上生成一个与传统仪器面板相似的图形界面，用 于显示测量的结果等。用户可以通过键盘或鼠标实现 对虚拟仪器前面板上的开关和按钮进行各种操作。框 图应用程序主要用来对输入计算机的数据进行分析和 处理，通过编制应用程序来定义整个采集系统数据分 析的功能，并将分析、计算得到的结果送往屏幕输出显 示。
块与ＣＵＴＰＲＯ软件拟合结果基本一致，而拟合曲线更 为精确。由拟合曲线计算得到系统的前３阶模态参数 如表１。
表１模态识别参数
模态阶数
ｌ ２
固有频毒ｇ／Ｈｚ
ｌ ８１０．９５ ２ ４４８．３
阻尼比 ０．０６７ ０．０６３
模态刚度／（Ｎ／ｌｍｍ）
３６，８ １６．２
３
２８１４．３８
Ｏ．０６
３．３３
６，结语
本文以虚拟仪器技术为平台，针对“机床一刀具 一工件”系统进行动力学特性分析，开发了锤击实验、 频响函数分析、模态分析等功能模块并集成为一个软 件系统，通过实际应用验证了系统测试分析结果的可 靠性。利用该系统可以方便地进行现场测试与分析， 提高了测试的效率和结果的精确度，且摆脱了传统测 试分析仪器功能单一、成本较高、不便于携带的缺点。
图４传函分析原理框图
传函分析界面如图５所示。打开锤击实验存储的 数据文件，界面显示锤击实验的采样设置参数；通过事 件触发的方式进行流程设计，计算时域信号的功率谱， 前面板依次显示频响函数的幅值谱、相位谱与相干系 数，并将频响函数数据以实部、虚部的格式保存，如在 幅频图的波峰位置相干函数值大于０．８，则认为传函 分析的结果是可靠的。
目前，传统的测试分析仪器主要通过硬件实现，功 能单一、固定，体积庞大，成本较高。随着计算机技术
的迅速发展，虚拟仪器技术广泛应用于电子测量、电力 工程、振动分析等诸多领域。虚拟仪器技术的核心是 软件技术，即利用计算机管理和组织仪器系统，通过应 用程序将计算机与通用模块硬件结合起来，完成数据 采集、分析、显示和存储等功能。相对于传统仪器，虚 拟仪器具有价格低、可复用、可重配置性强、开放、灵 活、可与计算机技术保持同步发展等优势。
关键词：虚拟仪器数控机床频响函数模态分析
Ｖｉｒｔｕａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｂａｓｅｄ Ｔｅｓｔｉｎｇ ａｎｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ＮＣ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｔｏｏｌｓ ＪＩＮ Ｘｉａｏｌｉａｎｇ，ＬＩＵ Ｑｉａｎｇ，ＹＵＡＮ Ｓｏｎｇｍｅｉ
本文采用虚拟仪器编程语言——ＬａｂＶＩＥｗ开发 了一套数控机床动力学测试分析系统。通过对机床作 锤击实验，采集冲击与响应信号并进行ＦＦＴ分析与功 率谱分析，计算得到“机床一刀具一工件”系统的频响
＠黜 ％国家自然科学基金（项目号：５０３９００６３），“８６３”计划（项目号：２００５ＡＡ４２４２２２）资助 万方数据
图７结果表明，系统的固有频率约为２ ９００ Ｈｚ，且 相干系数的数值在０．８以上，证明频响函数的测试结 果是可靠的。
依据测试得到的频响函数文件，在模态分析模块 中进行曲线拟合与模态参数识别。拟合得到的结果如 图８；利用工程测试软件ＣＵＴＰＲＯ的模态分析模块对
３．５
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功能模块主要完成激励和响应信号的实时采集与 显示，机床系统的传函分析及模态分析功能，最终得到 系统的模态参数，软件部分将各个功能模块集成为一 个可执行程序，用户在交互界面中可进行各个功能模 块的选择和配置。软件系统结构如图２所示。
万方数据
２ 锤击实验模块
锤击实验模块是软件系统的基础，完成实验流程 的控制，采集数据用于后续的传函分析与模态分析。 通过触发采样的方式采集并显示实验过程中的力与响 应的时域信号，对其作ＦＦＴ分析与功率谱分析，得到 信号的频域特性。
函数；并利用正交多项式曲线拟合法进行模态拟合，获 得系统的固有频率、阻尼比、模态刚度等动态特性参 数；最后在实际数控系统中进行实验验证，为数控加工 参数的优化提供了必要的依据。
１ 测试分析系统结构设计
１．１ 硬件部分 该振动测试分析系统由系统硬件和测试分析软件
两部分组成，硬件包括力锤、传感器、电荷放大器、采集 卡、ＰＣ计算机，结构如图１所示。
４ 模态分析功能模块
模态分析模块通过对传函分析得到的频响函数进 行模态拟合，测得系统的固有频率、阻尼比、模态质量、 模态刚度，为切削过程动力学仿真提供动态特性参数。 根据研究模态分析方法的不同，模态分析分为理论模 态分析和实验模态分析。由于机床本身结构的复杂 性，刀具与主轴联接装配、刀具和机床刚度等因素的影 响，本文对“机床一刀具一工件”系统采用实验模态分
１．０
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频率／ｋＨｚ
圈８模态分新模块拟台结果
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