隨著測試儀器、計算機技術(shù)、軟件技術(shù)的飛速發(fā)展，動態(tài)試驗中，功能強大 的以計算機為主體的試驗分析系統(tǒng)逐步取代了依賴于專用信號分析儀的傳統(tǒng)的試 驗分析系統(tǒng)，且功能更強大、靈活。為以計算機為主體結(jié)構(gòu)的模態(tài)特性試驗分析 系統(tǒng)硬件，如圖3.2所示，主要有以下三個分系統(tǒng)組成
理論與試驗相結(jié)合的方法把機械結(jié)構(gòu)有限元理論模態(tài)分析的正過程和試驗?zāi)?態(tài)分析的逆過程有機地結(jié)合起來，并根據(jù)實際需要交替反復(fù)應(yīng)用，從而實現(xiàn)了機 械結(jié)構(gòu)的動力修改至動態(tài)優(yōu)化設(shè)計的全過程，以求得系統(tǒng)最優(yōu)的數(shù)學(xué)模型及其最 優(yōu)的動態(tài)特性模態(tài)分析，稱為理論——試驗?zāi)B(tài)分析。該方法進(jìn)一步擴大了前兩 種方法工程應(yīng)用的范圍并顯著提高其工程應(yīng)用的效果，己成為目前的發(fā)展方向。
本論文以1060型立式加工中心進(jìn)行研究，該加工中心為立式床身式結(jié)構(gòu)，進(jìn)給軸為X、Y、Z三座標(biāo)控制， ******快移速度達(dá)20m/min(Z軸：15m/min);主軸為伺服電機動力驅(qū)動，功率為 7.5/11Kw，最高轉(zhuǎn)速達(dá)8000rpm;采用臺灣進(jìn)口上銀雙螺母預(yù)壓C3級滾珠絲杠和 重載精密滾動直線導(dǎo)軌，絲杠兩端采用預(yù)拉伸機構(gòu)，大大消除了熱變形對機床精 度的影響，機床定位精度達(dá)±0.0〇5mm，重復(fù)定位精度達(dá)±0.003mm;采用進(jìn)口臺 灣刀庫，容量16-24把可選，換刀準(zhǔn)確可靠，最快換刀時間小于2.5秒；機床數(shù) 控操作系統(tǒng)可以客戶自選，機床能夠?qū)崿F(xiàn)對各種盤類、板類、殼體、凸輪、模具 等復(fù)雜零件一次裝夾，完成鉆、銑、鏜、擴、鉸、攻絲等多種工序加工，適合于 多品種、中小批量產(chǎn)品的生產(chǎn)，對復(fù)雜、高精度零件的加工更能顯示其優(yōu)越性； 機床如配置第四、五軸，可實現(xiàn)對復(fù)雜回轉(zhuǎn)類零件的高效、高精自動化加工。機 床適合航空航天、軍工國防、汽車摩托車、工程機械、制冷石化、機車車輛等行 業(yè)的中小型零件的高效、高精自動化加工。
模態(tài)分析理論是一門融振動理論、信號分析、數(shù)據(jù)處理、數(shù)理統(tǒng)計及自動控 制理論于一體的綜合，并結(jié)合自身內(nèi)容的發(fā)展，形成的一套獨特的理論。模態(tài)分 析實質(zhì)上是一種坐標(biāo)變換[22][23]t24][25]。其目的在于把原物理坐標(biāo)系統(tǒng)中描述的相應(yīng) 向量轉(zhuǎn)換到“模態(tài)坐標(biāo)系統(tǒng)”中來描述。在物理坐標(biāo)系統(tǒng)中，彈性力和阻尼力往 往和兩座標(biāo)的相對位移與相對速度有關(guān)，即對應(yīng)的矩陣為非對角陣，對于有成千 上萬自由度的系統(tǒng)，解非對角陣（或耦合方程）既費時又會產(chǎn)生很大誤差。向量 并不一定正交，而模態(tài)坐標(biāo)中的正交向量能更好地反映結(jié)構(gòu)特性。模態(tài)試驗就是 通過對結(jié)構(gòu)或部件的試驗數(shù)據(jù)的處理和分析尋求其“模態(tài)參數(shù)”的。主要應(yīng)用有：
這是試驗?zāi)B(tài)的關(guān)鍵一步，所測量得到的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性直接影響到 模態(tài)試驗的結(jié)果。在某一激振力的作用下被測系統(tǒng)一旦被激振起來，就可以通過 測試儀器測量得到激振力或響應(yīng)的時域信號，通過數(shù)學(xué)手段將其轉(zhuǎn)化為頻域信號， 就可以得到系統(tǒng)頻響函數(shù)的平均估計，在某些情況下不要求計算頻響函數(shù)，只需 要時間歷程就可以了。
由于試驗條件的關(guān)系，本文采用頻域識別的方法對機床的模態(tài)參數(shù)進(jìn)行識別， 下面簡單介紹在頻域中的一些模態(tài)參數(shù)識別方法。分量分析法就是將頻響函數(shù)分成實部和虛部分量進(jìn)行分析，式(2-15)是基本 公式，它是一種圖解法，即從曲線上直接找出有關(guān)參數(shù)。
本章簡單介紹了模態(tài)試驗的相關(guān)理論和模態(tài)分析的基本步驟，包括模態(tài)分析 理論與試驗?zāi)B(tài)分析理論，揭示了傳遞函數(shù)與模態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系。重點介紹了 從傳遞函數(shù)到得到模態(tài)參數(shù)的識別過程的理論基礎(chǔ)。
本章從試驗?zāi)B(tài)分析的整體觀點出發(fā)，先討論了激勵系統(tǒng)、力傳感器和運動 傳感器、測試與分析系統(tǒng)以及具體試驗設(shè)計的一些基本問題。不同的測試與分析 系統(tǒng)，它們在性能、靈活性、大小和價格等方面是有區(qū)別的，需要試驗設(shè)計者根 據(jù)不同的需要進(jìn)行選取。在確定了模態(tài)分析與測試系統(tǒng)后，設(shè)計模態(tài)分析試驗時，試驗工程師應(yīng)當(dāng)利用盡可能多的信息。從這一觀點出發(fā)，傳遞函數(shù)的測試這一部 分主要討論了正確選擇響應(yīng)點和激勵點的一些理論和方法;信號采集過程中的一 些參數(shù)設(shè)置，以及針對不同試驗結(jié)構(gòu)的頻段選取。本章的試驗?zāi)B(tài)分析技術(shù)為后 面具體的機床模態(tài)試驗設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。
實驗?zāi)B(tài)分析方法可以分為頻響函數(shù)法（簡稱測力法）和環(huán)境激勵法（簡稱 不測力法）兩種，所謂測力法就是在試驗過程中需要同時測量激勵力和響應(yīng)的方 法。經(jīng)典的測力法是利用頻域的頻響函數(shù)（FRF)或時域的脈沖響應(yīng)函數(shù)（IRF) 對模態(tài)參數(shù)進(jìn)行估計。頻響函數(shù)是響應(yīng)和力的傅里葉變換之比，而脈沖響應(yīng)函數(shù) 也要先測得頻響函數(shù)然后經(jīng)傅里葉逆變換（IFFT)獲得。因此，測力法必須利用 帶測力計的激振器或力錘施加可測量的激勵力。測力法可以估計所有的模態(tài)參數(shù)， 包括固有頻率、模態(tài)振型、模態(tài)阻尼或阻尼比、模態(tài)質(zhì)量和模態(tài)剛度，而且精度 較高。
模態(tài)試驗中，試驗夾具和支承系統(tǒng)的設(shè)計與驗證相當(dāng)重要。當(dāng)發(fā)現(xiàn)夾具和支 承系統(tǒng)的動態(tài)特性對所試驗結(jié)構(gòu)有明顯影響時，應(yīng)將試驗對象連同夾具一起作為 整體進(jìn)行動態(tài)分析。隨著試驗對象結(jié)構(gòu)愈來愈大，要設(shè)計一個具有理想界面或與 試驗對象藕合較小的夾具也愈來愈困難，費用也相當(dāng)昂貴，有的需從試驗方法(如 慣性質(zhì)量界面和殘余柔度)去解決這些矛盾。