重型数控机床是国家制造行业龙头企业的核心装备,因其使用领域的特殊性,该类机床也是国外对我国实行重点限制和禁运的一类装备。经过多年的努力,我国在重型数控机床高端产品的研发和生产上取得了一些的突破,技术水平也有了大幅度的提高。但与国外同类产品相比,机床结构的抗振性和负载能力较差,严重影响了机床的加工性能。机床结构动态特性不佳是影响机床加工性能的主要原因。重型数控机床结构复杂、自重大,目前的理论研究方法由于建模精度问题,无法建立起可实用的结构动力学模型。同时,由于激振手段的限制,现有实验模态分析方法也无法应用于重型数控机床结构动态特性的研究。针对以上问题,本文提出一种基于空运行激励的数控机床结构实验模态分析新方法。文中重点研究了空运行激励方法的基本原理,分析了影响激励效果的主要因素,提出了激励过程中参数的选择和规律设计原则,研究了测点布置、基于响应信号的模态的参数识别方法及其伪模态辨识。主要研究内容概括为：1.以数控机床运动状态改变过程中的惯性激励为基础,结合数控机床运动可控性和运动参数可调性的特点,提出了依靠机床自身运动实现结构振动激励的空运行激励新方法。并给出了数控机床空运行激励的原理和实现过程。2.在数控机床空运行条件下,设计了基于加减速变化的运动方式。通过加减速过程的试验研究,确定运动控制参数对加减速过程的调控规律。通过机床结构振动响应信号的特征参数分析,证明了所设计的空运行激励方式的有效性。3.通过激励能量和频带,讨论了激励方式、运动参数、进给轴对激励效果的影响,并提出了面向激励效果的有效空运行激励方法的设计原则。4.通过有限元模态分析预测整机结构的振动响应敏感区域分布。通过分区多点测试方法,研究了整机结构响应测点的位置、数量的优化配置方法,以有效、准确、全面的反应结构振动响应信息。5.结合随机减量法(RDT)和ITD (The Ibrahim Time Domain Technique)法,针对空运行激励中可能存在的伪模态问题,研究了基于经验阻尼比合理数值范围和模态稳定性原理两种判据的空运行激振伪模态辨识方法,实现了基于空运行激励的的数控机床模态参数识别。6.在XHK5140上进行了试验验证和参数识别,所得结果与实验模态分析结果的对比,证明了所提出方法的有效性和正确性。该方法能有效激励并识别出影响加工质量和效率的数控机床低频范围内的前3阶模态参数。