宋 博，龍燕燕

（廣西英華國(guó)際職業(yè)學(xué)院，廣西 欽州 535000）

臥式加工中心是一類重要的數(shù)控機(jī)床，其結(jié)構(gòu)及工作特性不同于一般機(jī)床，通過應(yīng)用先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，不斷改進(jìn)對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性的研究方法。而床身作為加工中心的重要基礎(chǔ)件，其動(dòng)態(tài)特性對(duì)加工精度和穩(wěn)定性起著重要的影響作用。機(jī)床床身的動(dòng)、靜態(tài)特性主要受結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸和筋板布局形式的影響[1]。床身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，會(huì)引起各種變形和振動(dòng)。

圍繞床身固有特性的研究方法，眾多專家學(xué)者在機(jī)床床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面做了廣泛而深層次的研究[2-5]，而且對(duì)床身靜動(dòng)態(tài)性能的研究也進(jìn)行了探討。但是，這些研究?jī)H僅是從建模仿真的角度進(jìn)行計(jì)算，缺乏從動(dòng)態(tài)試驗(yàn)角度分析靜動(dòng)態(tài)性能的影響。

以HMC80臥式加工中心床身為研究對(duì)象，通過ANSYS軟件分析床身的動(dòng)靜態(tài)特性，結(jié)合模態(tài)試驗(yàn)對(duì)比仿真與測(cè)試數(shù)據(jù)，找到了床身的薄弱環(huán)節(jié)，為下一步的優(yōu)化提供了依據(jù)和指導(dǎo)。

1 床身模型簡(jiǎn)述

HMC80型臥式加工中心整機(jī)主要部件包括床身、立柱、滑座、主軸箱、工作臺(tái)和刀庫(kù)6部分。加工中心整體結(jié)構(gòu)采用SOLIDWORKS裝配，如圖1所示。床身作為整機(jī)的基礎(chǔ)支撐件，用于放置導(dǎo)軌、主軸箱等關(guān)鍵部件，采用T型封閉式箱體結(jié)構(gòu)。床身前壁開矩形前窗，床身內(nèi)以縱橫井字加強(qiáng)筋布局，加強(qiáng)筋和底板鑄有清砂孔，床身底部有用于固定的凸臺(tái)和螺栓孔。

圖1 HMC80臥式加工中心整機(jī)的CAD模型

2 床身結(jié)構(gòu)剛度計(jì)算分析

機(jī)床剛度是指在切削力和其他力作用下，抵抗彈性變形的能力，其包含靜剛度和動(dòng)剛度。數(shù)控機(jī)床由于其加工性能的要求，比普通機(jī)床的剛度要求更高。

數(shù)控機(jī)床在加工時(shí)面臨著6種不同的工作情況，在這6種不同的工作情況下其床身受力均不同，即機(jī)床的剛度也有很大的差異，為了保證機(jī)床在每一種工作情況下都能夠高精度高效率地安全工作，現(xiàn)在針對(duì)每一種不同的工作情況對(duì)床身剛度進(jìn)行分析。

根據(jù)圖2中6種工況下的床身綜合變形情況可以看出，床身最大變形發(fā)生在工況1時(shí)，最大變形量為3.790 3μm，發(fā)生在床身與立柱的結(jié)合部。而且依據(jù)整機(jī)綜合應(yīng)力云圖，應(yīng)力最大情況發(fā)生在工況1，為0.429 25 MP，且只發(fā)生在立柱和主軸部位，遠(yuǎn)小于材料的強(qiáng)度極限250 MP。床身變形量滿足靜剛度要求。

圖2 6種工況下的床身綜合變形

3 床身動(dòng)態(tài)分析

加工中心動(dòng)態(tài)特性涉及結(jié)構(gòu)的剛度、阻尼、振動(dòng)頻率和振型等多個(gè)方面，對(duì)加工中心動(dòng)態(tài)特性的測(cè)試主要包括模態(tài)振型實(shí)驗(yàn)和動(dòng)剛度實(shí)驗(yàn)等[6]。數(shù)控機(jī)床床身是其他零部件安裝的基礎(chǔ)，在對(duì)其剛度要求較高的同時(shí)，對(duì)其振動(dòng)性也有很高的要求，為了確保工作精度，一般需要對(duì)機(jī)床的主要零部件進(jìn)行模態(tài)分析，然后結(jié)合試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，得出不同零部件在自由模態(tài)情況下的共振頻率，最終驗(yàn)證仿真的準(zhǔn)確度。

3.1 測(cè)試內(nèi)容

模態(tài)測(cè)試的試驗(yàn)設(shè)備有LMS公司的SCADA-III32通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、LMS公司的TEST.LAB數(shù)據(jù)分析軟件、LMS公司CADA-X振動(dòng)模態(tài)分析軟件、LC-03沖擊力錘、CA-YD-186普通型振動(dòng)加速度計(jì)、YE5857電荷放大器等，對(duì)HMC80臥式加工中心部件在自由模態(tài)下進(jìn)行振動(dòng)特性（固有頻率、模態(tài)阻尼比和振動(dòng)模態(tài)）測(cè)試與分析。其測(cè)試系統(tǒng)框架如圖3所示。

圖3 HMC80臥式加工中心振動(dòng)模態(tài)測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成框圖

3.2 測(cè)試原理及方法

根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)可知，當(dāng)沖擊錘對(duì)部件或整機(jī)進(jìn)行錘擊時(shí)，試件產(chǎn)生衰減的振動(dòng)（阻尼使振動(dòng)衰減）。經(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)試力錘和各測(cè)點(diǎn)的加速度響應(yīng)時(shí)域信號(hào)。經(jīng)數(shù)據(jù)處理可得沖擊錘的力譜和試件結(jié)構(gòu)上的響應(yīng)加速度譜。由于沖擊錘的力譜是寬頻帶的激勵(lì)譜，在試件結(jié)構(gòu)上的響應(yīng)是與激勵(lì)相對(duì)應(yīng)的寬頻加速度譜。在數(shù)據(jù)處理后可得頻響函數(shù)（實(shí)部與虛部）。試件的模態(tài)參數(shù)（阻尼比和振型、固有頻率）可由試驗(yàn)中的頻響函數(shù)經(jīng)振動(dòng)模態(tài)參數(shù)識(shí)別軟件包獲得。

3.3 測(cè)試過程

在對(duì)臥式加工中心進(jìn)行振動(dòng)模態(tài)測(cè)試試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，第一步需要根據(jù)床身零部件及整機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布置方案的確定，并在測(cè)點(diǎn)處安裝加速度計(jì)。測(cè)試開始前需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和預(yù)試驗(yàn)，具體方法為用力錘敲擊試件，測(cè)試在各測(cè)點(diǎn)處的加速度計(jì)響應(yīng)狀態(tài)，以此來檢驗(yàn)導(dǎo)線、力傳感器和加速度計(jì)的工作情況。力錘選用中頻段激振力錘（頻率響應(yīng)范圍為521 Hz），慣量大（重量8 kg）的力錘。加速度傳感器選用低頻響應(yīng)靈敏度高，抗干擾強(qiáng)的加速度傳感器。為了提高試驗(yàn)的精度，在測(cè)試時(shí)需先選取能最大激起各階振形的測(cè)點(diǎn)作為錘擊點(diǎn)，反復(fù)錘擊3次以獲取其頻響特性，然后再依次測(cè)試其他測(cè)點(diǎn)的頻響特性。測(cè)試完后使用LMS CADX-X模態(tài)分析軟件包對(duì)每一個(gè)測(cè)點(diǎn)的頻響特性進(jìn)行分析，綜合得出HMC80臥式加工中心零部件和整機(jī)的頻響特性，同時(shí)識(shí)別出模態(tài)參數(shù)。

3.4 測(cè)點(diǎn)布置

此次測(cè)試共布置40個(gè)布點(diǎn)，分別測(cè)試各點(diǎn)在三軸向的頻率響應(yīng)函數(shù)和振型。測(cè)試點(diǎn)的數(shù)目與位置的選擇應(yīng)考慮以下3個(gè)要素：（1）以減少漏掉模態(tài)為原則，均勻分布測(cè)試點(diǎn)；（2）保證試驗(yàn)?zāi)B(tài)的可辨識(shí)性條件，明確顯示試驗(yàn)頻段內(nèi)所有模態(tài)振型的特征及區(qū)別；（3）測(cè)試點(diǎn)中應(yīng)包括被測(cè)試件的所有結(jié)構(gòu)點(diǎn)；（4）測(cè)試點(diǎn)不能太靠近節(jié)點(diǎn)[7]。

根據(jù)上述要素，床身振動(dòng)模態(tài)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。

圖4 床身測(cè)點(diǎn)分布圖

3.5 振動(dòng)模態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和模態(tài)參數(shù)估計(jì)的方法

振動(dòng)模態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和模態(tài)參數(shù)估計(jì)是整個(gè)模態(tài)分析中的關(guān)鍵步驟之一。在此次試驗(yàn)?zāi)B(tài)參數(shù)估計(jì)中，采用LMS公司CADA-X模態(tài)分析軟件包中單自由法（SDOF）和復(fù)模態(tài)指示函數(shù)（CMIF）方法來估計(jì)機(jī)床零部件的模態(tài)參數(shù)和整機(jī)的模態(tài)參數(shù)。

在利用CADA-X軟件包對(duì)HMC80臥式加工中心進(jìn)行振動(dòng)模態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和模態(tài)參數(shù)估計(jì)時(shí)可大致分如下4個(gè)步驟進(jìn)行：（1）建立機(jī)床零部件和整機(jī)的三維線架幾何模型；（2）篩選和檢驗(yàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)；（3）估計(jì)機(jī)床零部件和整機(jī)的模態(tài)參數(shù)。（4）使用LMS公司的TEST.LAB軟件包對(duì)模態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

4 結(jié)果分析

利用ANSYS軟件對(duì)床身進(jìn)行有限元模態(tài)仿真分析，把模態(tài)仿真和模態(tài)測(cè)試的各階模態(tài)與振型做比對(duì)。根據(jù)床身對(duì)低階頻率較為敏感的特性，提取前8階模態(tài)。模態(tài)測(cè)試與仿真頻率對(duì)比見表1。各階模態(tài)仿真和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖5所示。床身的材料為HT250，其彈性模量E=1.5e 11Pa，泊松比ν=0.25，密度ρ=7 350 kg/m。機(jī)床床身仿真與試驗(yàn)對(duì)比前8階模態(tài)結(jié)果如圖5所示。

圖5 機(jī)床前8階振型

如圖6所示，從床身仿真振型與試驗(yàn)所得振型數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，可以得出機(jī)床床身在不同階次的振動(dòng)情況，兩者的振動(dòng)情況是基本一致的。比對(duì)在不同階次下固有頻率的相對(duì)應(yīng)差與絕對(duì)誤差結(jié)果，其相對(duì)誤差值絕大部分都在10%之內(nèi)，見表1。

表1 床身試驗(yàn)與仿真固有頻率（Hz）對(duì)比

結(jié)合圖6和表1可以看出，床身1階頻率的試驗(yàn)結(jié)果已達(dá)到62.96 Hz，其固有頻率較高，引起共振的概率很小，從而得出本次分析的床身結(jié)構(gòu)剛度足以滿足實(shí)際工況要求。床身在自由邊界狀態(tài)下試驗(yàn)?zāi)B(tài)振型中，第1階床身前后傾翻，前后分別向上或向下翹起。第3階床身前后扭擺，前后均向上翹起。第8階床身中間部分向上拱起。這三階模態(tài)的振型對(duì)工作臺(tái)在水平方向的位置影響較大，導(dǎo)致工作臺(tái)在圖示方向繞x方向的傾翻，對(duì)工作臺(tái)在水平方向的加工精度有一定的影響。第2階床身的左右扭擺，第4階床身左右均向下翹起，中間部分向上拱起。這兩階模態(tài)對(duì)工作臺(tái)導(dǎo)軌的影響較小，在振動(dòng)過程中，工作臺(tái)導(dǎo)軌均處于平行狀態(tài)。這兩階模態(tài)不會(huì)嚴(yán)重影響機(jī)床的加工質(zhì)量。第5階、第6階、第7階振型的特點(diǎn)是床身的工作臺(tái)導(dǎo)軌附近出現(xiàn)扭曲，這個(gè)扭曲對(duì)工作臺(tái)的定位精度帶來很大的影響。應(yīng)該避免這幾階模態(tài)的出現(xiàn)。根據(jù)測(cè)試和仿真的結(jié)果可以得出，該床身薄弱環(huán)節(jié)在前端部位，而且該部分支撐對(duì)象是工作臺(tái)，對(duì)加工精度有較大影響，所以該床身還具有較大的結(jié)構(gòu)優(yōu)化空間。

圖6 床身的頻率響應(yīng)函數(shù)

5 結(jié)論

采用模態(tài)仿真和動(dòng)態(tài)測(cè)試相結(jié)合的手段對(duì)HMC80型臥式加工中心的床身結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行定量化分析。（1）在考慮整機(jī)狀態(tài)下，床身最大變形量3.790 3μm，有較強(qiáng)的抗破壞能力，靜剛度滿足要求。（2）對(duì)比仿真與測(cè)試數(shù)據(jù)可以得出，在199.41～237.5 Hz處床身的工作臺(tái)導(dǎo)軌附近出現(xiàn)扭曲，床身薄弱環(huán)節(jié)在前端部位，床身在該部位還具有較大的結(jié)構(gòu)優(yōu)化空間。