激光追踪测量系统机械结构模态参数影响_陈洪芳.pdf
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1、书书书第 44 卷第 4 期2023 年 4 月哈尔滨工程大学学报Journal of Harbin Engineering UniversityVol44 4Apr2023激光追踪测量系统机械结构模态参数影响陈洪芳1,2,郭治博1,2,李长亮1,2,宋辉旭1,2,石照耀1,2(1北京工业大学 材料与制造学部,北京 100124;2北京工业大学 北京市精密测控技术与仪器工程技术研究中心,北京100124)摘要:为了避免激光追踪测量系统机械结构在工作状态与电机产生共振现象,保证激光追踪测量系统的测量精度,本文提出了一种分析激光追踪测量系统机械结构模态参数影响的方法。基于两自由度的激光追踪测量系统
2、机械结构,根据有限元法的模态分析理论,分析了结构材料密度、弹性模量和不同材料对系统固有频率的影响。研究结果表明:系统的固有频率随着结构密度的增大而增大,随着结构刚度的增大而减小,不同材料的影响差异较大;采用粘贴的固定方式可以增加系统的稳定性,有效保障系统的测量精度。本文的研究为激光追踪测量机械结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报,以及结构动力特性的优化设计提供了依据。关键词:激光追踪测量;机械结构;模态分析;固有频率;有限元分析;振动特性;稳定性;测量精度DOI:10.11990/jheu202110039网络出版地址:https:/knscnkinet/kcms/detail/2313
3、90U202301090941001html中图分类号:TH174文献标志码:A文章编号:1006-7043(2023)04-0505-06Influence of the modal parameters of the mechanical structurein a laser tracer measurementCHEN Hongfang1,2,GUO Zhibo1,2,LI Changliang1,2,SONG Huixu1,2,SHI Zhaoyao1,2(1Beijing Engineer esearch Center of Precision Measurement Techno
4、logy and Instruments,Beijing University of Technology,Beijing100124,China;2Beijing Engineering esearch Center of Precision Measurement Technology and Instruments,Beijing University ofTechnology,Beijing 100124,China)Abstract:In operating conditions,the mechanical structure of a laser tracer measureme
5、nt system resonates with themotor To ensure the measurement precision of the laser tracer measurement system,this resonance should be avoi-ded In this research,we proposed a method for analyzing the influence of the modal parameters of the mechanicalstructure of a laser tracer measurement system Bas
6、ed on the mechanical structure of a two-degrees-of-freedom sys-tem and the modal analysis theory of the finite element method,the study was conducted to analyze the effects ofstructural material density,elastic modulus,and different materials on the inherent frequency of the system Theexperimental r
7、esults show that the natural frequency of the system increases with increasing structural density anddecreases with increasing structural stiffness,and the influence of different materials varies greatly The pastingmethod can effectively increase the stability and guarantee the measurement precision
8、 of the system This researchprovides a basis for analyzing vibration characterization,vibration fault diagnosis and prediction,and the optimaldesign of structural dynamics characteristics for the mechanical structure system in laser tracer measurementsKeywords:laser tracer measurement;mechanical con
9、struction;modal analysis;natural frequency;finite elementanalysis;vibration characteristics;stability;measurement precision收稿日期:20211015网络出版日期:20230110基金项目:国家自然科学基金项目(52175491);国家自然科学基金重点项目(51635001);国家重点研发计划(2018YFB2001400)作者简介:陈洪芳,女,教授,博士生导师;石照耀,男,教授,博士生导师通信作者:陈洪芳,E-mail:chf0302 126com激光跟踪测量系统是在工业
10、测量系统中的一种高精度、高可靠性、大尺寸测量系统,应用激光跟踪测量系统的仪器主要有激光跟踪仪和激光追踪仪,激光跟踪仪可实现在球坐标系下的测角测距,挡光或者断光后不可再续;具有高精度、高效率、实时跟踪的测量优点,适合大尺寸工件装配测量。激光追踪仪不涉及旋转角度的测量,并且激光追踪仪选用位置固定且不参与运动的标准球作反射机构,使误差源引入最少,提高了空间测量的效率和精度。激光追踪测量系统的机械结构是整个激光追踪测量系统的硬件平台,其结构设计的优良直接关系到整个测量系统的精度,机械结构首先是控制系统的执行哈尔滨工程大学学报第 44 卷端,在可编程多轴控制器(programmable multi-ax
11、escontroller,PMAC)运动控制系统的控制下,进行两轴运动达到对目标靶镜的追踪,其次机械结构还集成了光学系统和激光干涉信号采集系统,因此,对激光追踪测量系统机械结构的研究与分析具有重要意义12。模态分析是一种研究机械结构的方法,通过模态分析方法可以分析机械结构在某一个易受影响的频率范围内各阶主要模态的特性,进而给出机械结构在此频段内外部或内部各种振动源作用下实际响应311。Er 等3 提出了一种使用基于频率响应函数的实验模态分析进行机器振动分析的方法。该方法的优势是根据对机器模型进行的有限元分析的结果进行评估的。Jannifar4 提出使用完善的时间同步平均技术与开发的自动驾驶冲击
12、系统相结合,在运行谐波中执行实验模态分析。刘琳琳等5 提出了三维针刺废棉纤维/环氧树脂复合材料的小尺寸微观结构模型,以有限元分析方法预测其关键振动参数(固有频率和振型),通过实验模态分析方法进行了测试,以验证有限元方法对固有频率和模态振型预测的准确性。曹儿芳等6 基于其自行研发的飞秒激光精密跟踪转盘进行相关研究,总结了转台固有频率与刚度特性,摩擦和转动惯量之间的关系,确定了结构材料的特性,为激光精密跟踪转台结构的小型化和轻量化提供了有效的改进措施,但是其只做了有限元模态分析并未进行试验模态实验。本文基于自主设计的激光追踪测量机械系统,提出一种分析激光追踪测量系统机械结构模态参数影响的方法,以提
13、高机械系统的精度。1激光追踪测量系统机械结构激光追踪测量系统机械结构主要由底座、两精密转轴轴系和 2 个伺服减速电机、光学系统支撑板和光学元件以及标准球调节座组成,如图 1(a)所示7。回转轴轴系包括回转轴电机和回转轴轴系微调支撑板,回转轴轴系将整个俯仰轴部分作为负载进行工作。俯仰轴轴系运转光学系统平台,俯仰轴轴系主要包括俯仰轴电机和俯仰轴支撑架,通过水平轴系微调连接板与光学平台紧密相连。光学平台主要用来布置光学元件和激光干涉信号接收器以及位置敏感探测器。激光追踪测量系统的机械结构的性能和动态特性以及机械结构的参数都会影响测量系统的准确度和精确度。对完整激光追踪测量系统进行动力学以及力学分析的
14、过程较为复杂,存在许多非关键部件,如果在有限元模型中包含这些特征,就必须对这些区域划分极细小的网格,不仅过程复杂还对结果造成较大的影响,需对其进行简化处理。去除与结构无关的外购件标准球、光学仪器、防尘壳、细小结构螺纹和垫圈等,得到如图 1(b)所示的激光追踪测量系统机械结构的简化模型。本文将基于此简化模型,基于有限元法的模态分析理论,对结构材料密度、弹性模量和不同材料对系统固有频率的影响进行分析。图 1激光追踪测量系统机械结构Fig1Schematic picture of laser tracer measurement system2机械系统模态分析模态分析是分析结构固有频率和模态振型的主
15、要方法12。线性多自由度系统可以分解为 N 个单自由度子系统。系统的频率响应函数是每个单自由度子系统的频率响应函数的加权和:H()=Ni=1iiTKi2Mi+jCi(1)式中:Mi表示系统质量矩阵;Ki表示系统刚度矩阵;Ci表示系统阻尼矩阵;i为频率矩阵;为振动角频率。系统结构的频率响应函数矩阵的每一行或每一605第 4 期陈洪芳,等:激光追踪测量系统机械结构模态参数影响列都包含结构系统的所有模态参数,模态测试的基本原理是通过获得频率响应来获得结构的模态参数。在有限元分析的基础上,结构整体运动方程为:M u+C u+Ku=F(t)(2)式中:M 表示质量矩阵;u 表示节点加速度向量;u表示节点
16、速度向量;u 表示节点位移向量。在无阻尼振动系统中,激光追踪测量系统机械结构基于有限个特征单元,结构的刚度和质量都保持恒定,结构的振动方程为:M u+Ku=0(3)其中,刚度矩阵可以包括预应力效应带来的附加刚度,对于线性系统,自由振动满足:u=i cos(it)(4)式中:i 表示第 i 阶模态形状的特征向量;i表示第 i 阶固有振动角频率为:i=Ki/Mi(5)则第 i 阶固有频率为:fi=i2(6)3激光追踪测量系统机械结构模态仿真实验完整激光追踪测量系统进行模态分析过程较为复杂,存在很多影响较小处理复杂的部件需进行简化处理,如图 2 为所示激光追踪测量系统机械结构的有限元模型。图 2激光
17、追踪测量系统机械结构有限元模型Fig2Finite element models of mechanical structure of la-ser tracing measurement system3.1机械结构的计算模态仿真在 ANSYS Workbench 中创建 modal 分析项目,将三维模型导入到项目工程中定义材料数据,选择的主要材料为 45#结构钢和模具钢 H13,定义各部件的连接方式。由于低阶模态对机械结构工作过程中影响比较大,在 modal 选项中的 Analysis Settings中设置分析前 6 阶模态,利用 Total Deformation 求解器查看各阶模态固有
18、频率和振型,结果如图 3 所示。激光追踪测量系统机械结构前 6 阶固有频率值分别 为 69.921,91.416,121.46,186.52,220.67,319.59 Hz,其固有频率值随阶数的增加而增大。图 3激光追踪测量系统机械结构前 6 阶模态振型图Fig3The 6 modes of the mechanical structure of the laser tracer measurement system图 3(a)和(b)为结构的 1 阶振型和 2 阶振型,结构变形较为不明显主要是光学底板的变形;图 3(c)和(d)为结构固有频率在 121.46、186.52 Hz 时的 3
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