殊海燕

(甘肅省機械科學研究院甘肅省先進設計技術應用研究創(chuàng)新團隊，甘肅蘭州730030)

數控車床的振動問題，包括受迫振動與自激振動，嚴重影響著機床的加工精度與加工效率，已成為產品研發(fā)過程中必須考慮的一個關鍵問題?，F階段生產中研究機床動態(tài)特性的方法，主要是通過對實際機床或模型做激振試驗，找到影響動剛度的薄弱環(huán)節(jié)，以改進結構設計，或安設有效的減振裝置。振動實驗尤其是整機振動實驗是解決機床振動問題的一種重要手段，通過機床的整機振動實驗可以評價機床的抗振性能，可以檢驗振動理論分析的正確性，可以發(fā)現機床潛在的振動問題，可以為機床的動態(tài)優(yōu)化設計提供重要的分析數據［1－3］。

模態(tài)測試是數控機床振動實驗的重要組成部分，可以通過模態(tài)測試獲得機床整機系統(tǒng)的固有頻率、模態(tài)振型和阻尼比。進一步在模態(tài)測試中利用振幅和相位隨激振頻率的變化還可以獲得系統(tǒng)的動態(tài)特性參數。利用這些參數可以對機床整機系統(tǒng)的抗振性做出綜合評價，另外模態(tài)測試還可以校驗機床整機模態(tài)分析的正確性，從而創(chuàng)建出可以精確預估機床整機動力學特性的力學模型。

1 數控機床整機模態(tài)測試的基本原理

對于數控機床整機進行模態(tài)測試，需要在明確模態(tài)測試原理的基礎上組建模態(tài)測試系統(tǒng)，并按照相應的流程進行測試。

1.1 實驗模態(tài)分析的原理

應用實驗模態(tài)分析的方法可以測試出機床整機的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。實驗模態(tài)分析是利用系統(tǒng)輸入與輸出之間的關系，確定系統(tǒng)的固有特性，測試時主要獲得系統(tǒng)的頻響函數，通過對頻響函數的分析來獲得各種振動特性參數，測試獲得的頻響函數為

其中:X為響應，可以是位移、速度和加速度;H為頻響函數矩陣;F為激振力。

測試時通常用加速度傳感器測響應，用力傳感器測出激振力，用分析軟件繪制出各通道頻響函數曲線，最后通過分析頻響函數獲得固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型等重要數據。

由頻響函數矩陣的物理特性可知，在做比較簡單的測試時，通常只需獲得頻響函數矩陣的一行或一列，即可獲知系統(tǒng)的固有特性。由此，對應兩種測試方法，分別是單點拾振法(對應頻響函數的一行)和單點激振法(對應頻響函數的一列)。

1.2 機床振動系統(tǒng)動態(tài)特性參數的確定

所謂機床的動態(tài)特性，一般是指機床在一定激振力下振幅和相位隨激振頻率而變化的特性。分析或判定機床動態(tài)特性的主要指標有［4］:

(1)固有頻率fn或者固有角頻率ωn;

(2)阻尼比ξ=r/rc，r為阻尼系數，rc為臨界阻尼系數;

(3)當量靜剛度 K=F/2ξAmax。K為激振力，Amax為共振振幅;

2 CK5116數控立式車床整機模態(tài)的測試

2.1 模態(tài)測試系統(tǒng)

按照激振方式的不同，模態(tài)測試方法可以分為錘擊法、基礎激勵、激振器激勵3種，對于數控機床整機測試系統(tǒng)，可考慮采用錘擊法和激振器激勵兩種形式組建模態(tài)測試系統(tǒng)。

以某機床廠生產的CK5116數控立式車床為例，采用錘擊法對其進行模態(tài)試驗。本次實驗采用北京東方振動和噪聲技術研究所的DASP模態(tài)測試系統(tǒng)，Inv9823系列加速度傳感器、YFF－6力傳感器型號以及DFC－2高彈性聚能力錘組成激振系統(tǒng)進行多點激勵單點響應的方法進行激振。所組成的模態(tài)測試系統(tǒng)如圖1所示。儀器連接測試系統(tǒng)如圖2所示。

2.2 模態(tài)測試過程

該機床主要由立柱、橫梁和底座等幾部分組成，為了模擬機床的實際工作狀態(tài)，在該機床正面共布置36個測點，原點導納位置為14點，側面布置22個測點，原點導納位置為16點，測點布置簡圖分別如圖3～4所示。

本次實驗主要對安裝放置狀態(tài)下的機床進行激振，測量激振力與響應，對采集到的激勵信號和響應信號做傳遞函數分析，按照標準的模態(tài)流程建立模態(tài)分析系統(tǒng)。

2.3 模態(tài)測試結果

利用DASP模態(tài)測試系統(tǒng)，對測試獲得的頻響函數采用頻域法進行模態(tài)擬合，綜合機床正面和側面的振型與固有頻率得到機床整機的模態(tài)參數，如表1所示。該機床常用的工作轉速為1 000～4 000 r/min，因此，應注重前幾階的模態(tài)影響，通過軟件獲得的模態(tài)振型如圖5所示。

表1 機床整機模態(tài)測試結果

從圖5所示的模態(tài)振型中可以看出，薄弱環(huán)節(jié)主要集中在立柱、底座處，而立柱沿y方向的振動是主要振動方向。修改結構時應著重考慮它們對機床整機動態(tài)特性的影響，把提高y方向的動剛度放在首位。

3 CK5116數控立式車床動態(tài)特性參數的確定

3.1 動剛度的測試數據

由于機床結構是由許多零、部件和大件組成的復雜系統(tǒng)，所以目前動剛度主要是通過對實際機床做動態(tài)激振試驗來得到［5］。動剛度測試和模態(tài)測試所用到的軟硬件相類似，在此也是采用力錘激勵，采用單點激勵多點響應的方法，使用力錘對整機靜止狀態(tài)下進行激勵，布點圖和模態(tài)測試一致。如圖6是試驗后繪出的幅頻特性曲線。

機床是一個多自由度振動系統(tǒng)，有多個固有頻率和相應的振型，由于機床結構的阻尼比較小(ζ≤0.1)，當各振型的固有頻率相差較大(大于20%)時，各振型間的相互影響很小，可以近似地認為各共振峰是離散而互不相關的。如圖6所示有7個共振峰，其共振頻率的差值均大于20%，因此，可以按單自由度系統(tǒng)分別求出每個振型的固有頻率、阻尼比、當量靜剛度、動剛度以及動柔度。根據機床模態(tài)分析得出的動態(tài)參數以及機床振動系統(tǒng)動態(tài)特性參數的公式得出表2所示的CK5116數控立式車床的動態(tài)特性參數。

表2 CK5116數控立式車床動態(tài)特性指標參數值

從上述動態(tài)特性的主要指標中可看出，系統(tǒng)的動剛度取決于系統(tǒng)的靜剛度、激振力的條件(激振力的大小、頻率)和系統(tǒng)本身的其他固有條件(質量m、阻尼比ξ及固有角頻率ωn)等。因此，為分析判斷機床的動態(tài)特性提供了依據。

4 結語

數控機床整機模態(tài)測試是研究機床抗振性，優(yōu)化機床結構的基礎和依據。本文將理論分析與做動態(tài)特性的測試相結合，對CK5116數控立式車床進行了測試與分析，主要結果如下:

(1)討論了數控機床整機模態(tài)測試的原理以及搭建模態(tài)測試系統(tǒng)時應該考慮的主要要素，包括激振設備、數據采集和測試結果的分析工具等。

(2)對某機床廠生產的CK5116數控立式車床進行了模態(tài)以及動剛度的測試，詳細敘述了測試系統(tǒng)的組成及測試過程，獲得了該機床整機的固有頻率、模態(tài)振型、阻尼比、動剛度以及動柔度等動態(tài)特性參數，為分析判斷機床的動態(tài)特性提供了依據。

(3)通過模態(tài)測試發(fā)現，該機床的立柱沿y方向的振動是該機床的薄弱環(huán)節(jié)，導致y方向動剛度顯著降低。在綜合分析的基礎上，提出在立柱內增設加強筋的方式來提高機床整機系統(tǒng)的動態(tài)特性，為優(yōu)化該機床的結構、提高抗振性能提供依據。

［1］王學林，徐岷，胡于進.機床模態(tài)特性的有限元分析［J］.機床與液壓，2005(2):48－50.

［2］董旭，高鐵紅，靳迎波，等.基于有限元方法的并聯機床模態(tài)分析［J］.北華航天工業(yè)學院學報，2008，18(5):11－14.

［3］劉春時，孫偉，李小彭，等.數控機床整機振動測試方法研究［J］.中國工程機械學報，2009，7(3):330－335.

［4］現代實用機床設計手冊編委會編.現代實用機床設計手冊/上冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2006.

［5］趙宏林，黃玉美，張文合，等.機床整機綜合特性的預測［J］.制造技術與機床，1998(3):12－14.