關(guān)于立式加工中心動態(tài)特性的試驗研究
1基于模態(tài)試驗的動態(tài)特性分析1.1試驗方案模態(tài)試驗是研究結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的有效手段之一[1]，合理的試驗方案有助于模態(tài)試驗的開展。因此,，對 KVC800立式加工中心進(jìn)行模態(tài)試驗時,，首先需要確定出較為合適試驗方案。該加工中心結(jié)構(gòu)主要由工作 臺,、床身、立柱、主軸箱等組成,，工作臺作縱向進(jìn)給，床鞍作橫向進(jìn)給,，主軸箱作垂向進(jìn)給運動,，三個進(jìn) 給方向?qū)к壘鶠榫匦螌?dǎo)軌，電機(jī)帶動滾珠絲杠通過導(dǎo)軌實現(xiàn)三個方向的運動,。試驗過程中采用采用單點激 勵多點響應(yīng)開展模態(tài)測試,，根據(jù)KVC800立式加工中心的結(jié)構(gòu)特點，通過Ansys有限元模態(tài)分析,，獲取加 工中心的主要振型,，以此為依據(jù)，確定激振點與響應(yīng)點的布置方案,。工作臺激勵點布置在其振型較大的四個角點中任一角點附近,；床身激勵點則布置在其振型變化大的上 半部分右側(cè)面；立柱部分激勵點施加在其振型變化明顯的上右側(cè)面,；主軸箱部分由于其結(jié)構(gòu)特點,，將激勵 點布置在有較明顯振動的底部主軸的圓柱面上。以有限元分析結(jié)果為指導(dǎo),，并考慮加速度傳感器以及數(shù)據(jù)采集通道的數(shù)量來布置響應(yīng)點,，避免大量試 驗的盲目性。工作臺響應(yīng)點主要布置在其上表面的四個頂點處,；基于響應(yīng)點不布置在對稱面的原則,，床身 響應(yīng)點則分布在其右側(cè)面的四個頂點以及前面上端的兩頂點處；立柱響應(yīng)點主要分布在右側(cè)面四角點和頂 部兩點,；考慮到主軸箱屬于薄壁結(jié)構(gòu),，它的響應(yīng)點則布置在下端主軸的兩個圓柱面上，空間呈90°夾角來 布置兩測點,。1.2測試系統(tǒng)采用丹麥B&K測試系統(tǒng)開展模態(tài)測試,。整個模態(tài)測試分析系統(tǒng)如圖1所示，主要由激勵系統(tǒng)、數(shù)據(jù) 采集系統(tǒng),、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)三部分組成,。圖1模態(tài)測試分析系統(tǒng)試驗中的激勵系統(tǒng)通過8206-002型脈沖力錘(圖2a)施加激勵，該型號的力錘承受的壓力范圍為 0?2200N,。根據(jù)測試需求,，力錘可選用不同的錘頭，力錘錘頭匹配數(shù)據(jù)表如表1所示,。由于KVC800立式 加工中心主軸的工作轉(zhuǎn)頻范圍為10~6000r/min,，試驗過程中關(guān)注100Hz以內(nèi)的固有頻率，因而選用橡膠錘 頭,，并且安裝配重,，以產(chǎn)生比較大的沖擊力從而激發(fā)出更多模態(tài)，使能量分散在比較寬頻率范圍內(nèi)[2],。 表1力錘錘頭匹配數(shù)據(jù)表 錘頭材質(zhì) 頻率范圍 脈沖時間 壓力范圍 鐵 0?7kHz 0.20ms 500~5000N 塑料 0?2kHz 0.57ms 300~1000N 橡膠 0?500Hz 2.7ms 100~700N 為了獲得各個方向的完整模態(tài)信息,，每個響應(yīng)點布置三個方向的加速度傳感器，由自制底座將3個單 向傳感器組合而成(如圖2b),。試驗中由力傳感器和加速度傳感器測得信號經(jīng)過丹麥BK數(shù)據(jù)采集器(如圖2c) 和MTC Hammer模態(tài)測試軟件采集和儲存，再由Reflex模態(tài)分析軟件進(jìn)行模態(tài)分析,。1.3參數(shù)設(shè)置測試過程中,，首先設(shè)置好采集通道中的力錘激勵力信號以及加速度響應(yīng)信號，在軟件中按比例建立好 加工中心各部件的簡化模型,，完成激勵點,、響應(yīng)點位置和方向的選擇。還需確定以下各參數(shù)來完成試驗,， 并確保試驗質(zhì)量,。1) 分析頻率許多文獻(xiàn)指出，機(jī)床的前幾階模態(tài)主要集中在低頻階段,，且基本上決定了整機(jī)的動態(tài)特性[4-5],。影響加 工中心性能的頻率范圍主要是低頻段，本文主要關(guān)注100Hz以內(nèi)的頻段,，故設(shè)定的分析頻段為0?100Hz,。2) 米樣頻率根據(jù)采樣定理，采樣頻率必須大于信號的最高分析頻率的兩倍,，方可保證離散信號能惟一恢復(fù)到原連 續(xù)信號而不失真[6],，實際測試中常常將采樣頻率略為放大。本次測試采樣頻率為2048Hz,。3) 平均次數(shù)為了減少噪聲干擾,，提高頻譜分析的精度，試驗采用多次敲擊，對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行平均化處理來計算頻 響函數(shù),，試驗中平均次數(shù)設(shè)置為5次,。4) 力錘觸發(fā)設(shè)置設(shè)置合理的觸發(fā)方式對于瞬態(tài)信號的捕獲有很大的作用。根據(jù)表1所提供的力錘匹配數(shù)據(jù),，對應(yīng)的添 加附加質(zhì)量的橡膠錘頭,，激勵力應(yīng)設(shè)置在100?700N之間，結(jié)合操作者力度的大小,，以及試驗中多次的試 敲,，將120N設(shè)置為其激勵力閾值，當(dāng)力錘敲擊力大小超過120N時產(chǎn)生激勵力,。5) 窗函數(shù)選取分析處理響應(yīng)信號時需要截斷信號,，往往易帶來截斷誤差，截取的有限長信號不能完全反應(yīng)出原信號 的頻率特性,，所以需要添加窗函數(shù)來減小誤差[7],。由于力的持續(xù)時間短，在其后的剩余時間,，任何噪聲都 是不希望的,，所以激勵信號加力窗以減小噪聲的影響，響應(yīng)信號加指數(shù)窗以減小泄漏誤差,。1.4結(jié)果分析 采用頻域總體曲線擬合法對模態(tài)參數(shù)進(jìn)行自動識別[8-9],，加工中心工作臺、床身,、立柱以及主軸箱四個 部分的模態(tài)分析結(jié)果見圖3,。 2 基于升速過程瀑布圖的動態(tài)特性分析及對比驗證 手動開啟精工加工中心至最高轉(zhuǎn)速，試驗過程中主軸最高轉(zhuǎn)速設(shè)置為5500r/min,，利用B&K測試系統(tǒng)的 Labshop數(shù)據(jù)采集與分析模塊對整個升速過程的振動信號予以記錄,，并進(jìn)行了瀑布圖分析，瀑布圖中的突變點反映了加工中心的各階固有頻率[10],。在加工中心工作臺,、床身、立柱以及主軸箱分別測得的振動信號分析所得瀑布圖,，如圖4所示,。從模態(tài)圖與瀑布圖中篩選相互對應(yīng)的模態(tài)頻率并加以對比，如表2所示,。 表2模態(tài)試驗與升速瀑布圖所得模態(tài)頻率對比(單位：Hz) 模態(tài)試驗 升速瀑布圖 誤差率/°% 46.43 50 7.14 丄坐口 _ 67.25 64 5.08 52.62 50 5.24 床身 " 60.88 64 4.88 48.80 50 2.4 立仕 ■ 67.36 64 5.25 47.69 50 4.42 土軸相 62.92 64 1.69 由表2可知,，50Hz和64Hz為整機(jī)的固有模態(tài)，在實際加工工件過程中,，應(yīng)盡量避免50Hz及64Hz的工作轉(zhuǎn)頻,，即3000r/min和3840r/min的主軸工作轉(zhuǎn)速。3結(jié)論1) 利用丹麥B&K測試系統(tǒng)，采用單點激勵多點響應(yīng),，對KVC800立式加工中心主要部件工作臺,、床 身、立柱和主軸箱開展了模態(tài)測試,，從試驗方案,、測試系統(tǒng)、參數(shù)設(shè)置和結(jié)果分析幾方面探討了試驗過程的開展,，獲取了各主要部件的模態(tài)參數(shù),。2) 利用B&K測試系統(tǒng)對加工中心整個升速過程的振動信號予以記錄，并進(jìn)行了瀑布圖分析,，并從中 獲取模態(tài)信息,，與試驗?zāi)B(tài)測試結(jié)果進(jìn)行了對比驗證。3) 通過模態(tài)測試分析與升速過程瀑布圖分析,，獲知50Hz和64Hz為加工中心整機(jī)固有頻率,，實際使 用過程中應(yīng)避開3000r/min和3840r/min的主軸工作轉(zhuǎn)速，為加工中心的優(yōu)化運行提供了可靠依據(jù),。本文由海天精工整理發(fā)表文章均來自網(wǎng)絡(luò)僅供學(xué)習(xí)參考,，轉(zhuǎn)載請注明！