專用螺桿數(shù)控銑床的動態(tài)性能分析

曹建華，楊鐵牛

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專用螺桿數(shù)控銑床的動態(tài)性能分析

曹建華，楊鐵牛

（五邑大學 機電工程學院，廣東 江門 529020）

以雙銑刀螺桿專用數(shù)控銑床為研究對象，利用labVIEW軟件和NI數(shù)據(jù)采集卡等采集機床振動信號，在Matlab軟件中采用復模態(tài)指示函數(shù)法對機床進行試驗模態(tài)分析，得出其固有頻率和相關(guān)振型，對比有限元分析結(jié)果表明：機床橫向振動是影響螺桿加工精度的主要因素，在機床設計時應予考慮.

復模態(tài)指示函數(shù)法；模態(tài)分析；固有頻率

目前，我國廣東地區(qū)對塑機的需求量非常大，且有上升趨勢[1]，而塑機的關(guān)鍵部件螺桿的加工一直是限制該行業(yè)發(fā)展的瓶頸. 為了提高螺桿的生產(chǎn)效率，國外仍在不斷研制生產(chǎn)螺桿的專用機床. 我國機床生產(chǎn)龍頭企業(yè)青海第二機床廠采用旋風銑刀加工長3 750 mm，直徑150 mm的螺桿僅需2 h，但造價太高，不適合中小企業(yè). 中小企業(yè)現(xiàn)有加工螺桿的銑床普遍采用單銑刀，加工同樣一根螺桿大約耗時20h，雖然造價低，但效率不高. 鑒于此，本文將對中山市科技攻關(guān)項目組試制的更實用、高效的雙銑刀數(shù)控銑床進行動態(tài)性能分析，以期找出影響螺桿加工精度的因素.

1 試驗模態(tài)分析

1.1 數(shù)據(jù)采集

試制的新樣機雙銑刀數(shù)控機床結(jié)構(gòu)如圖1所示，它是長5 500 mm，寬約800 mm的大型、復雜機械. 本文用試驗模態(tài)分析技術(shù)對樣機作全面的測試、分析，得到產(chǎn)品的動態(tài)特性，由此獲得系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，然后建立數(shù)學模型，分析樣機使用中的振動、噪聲、疲勞等實際問題. 具體步驟如下：

圖1 雙銑刀數(shù)控機床結(jié)構(gòu)及 傳感器布點圖

1）把加速度傳感器、信號調(diào)理器、NI數(shù)據(jù)采集卡（8通道）、電腦按指定的方法連接好.

2）由于機床太大，要激起低階頻率，激振力必須足夠大，但激振力過大會導致機床發(fā)生非線性變形；因此，采用在激振頭上加橡膠片的方式，可以激起低階頻率，同時避免非線性變形的發(fā)生[2].

3）測試機床的橫向振動和豎直振動. ①設置傳感器測試點，各測點間距為0.5m，傳感器布點位置如圖1所示；②用LabVIEW采集5s內(nèi)的信號，激振頻率為１次/s，第1次激振時間為開始采集信號后0.5s；③采樣頻率為5kHz，每通道采樣點數(shù)為25 000，電壓為-5～5 V.

1.2 數(shù)據(jù)分析

由于試制的新樣機雙銑刀數(shù)控機床的阻尼非常大，所以采用復模態(tài)參數(shù)識別. 復模態(tài)指示函數(shù)法（Complex Modal Indication Function，CMIF）是頻域中用復模態(tài)參數(shù)識別的一種比較新的方法，它是峰值法的延伸[3].

當觀測變量為加速度信號時，機床系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型最終表示為[4]：

將LabVIEW采集的加速度信號數(shù)據(jù)導入Matlab中進行分析，得到通道的加速度信號圖及功率譜圖分別見圖2和圖3.

圖2 通道加速度信號圖

圖3 通道信號的功率譜圖

將的對角線元素整理成8×12501矩陣，即為CIMF的離散序列，CIMF每個行序列如圖4、圖5中的8條曲線.

圖5 縱向奇異值曲線圖

圖６ 橫向模態(tài)前３階振型

由式（3）可知，奇異值的峰值對應于系統(tǒng)的模態(tài)，由于第1個奇異值的峰值占主導地位，因此可以近似看作在每個峰值處僅存在一個單獨的模態(tài). 在圖4中近似取3個峰值，對應的橫向模態(tài)頻率為130.8，241，312 Hz；在圖5中近似取3個峰值，對應的縱向模態(tài)頻率為270，348.4，425 Hz. 其橫向模態(tài)振型如圖6所示. 由測試結(jié)果分析可得：機床床身第1階主模態(tài)頻率在130 Hz左右，且銑床在工作過程中受到多種激振頻率的影響，其中以主軸電機、旋轉(zhuǎn)刀具電機和橫向進給電機的影響最為明顯. 銑床主軸的電機轉(zhuǎn)速為1 470 r/min，旋轉(zhuǎn)刀具電機的轉(zhuǎn)速為1 470 r/min，橫向進給電機的轉(zhuǎn)速為750 r/min，由于轉(zhuǎn)子繞組不對稱，機床受電機作用的頻率是電機轉(zhuǎn)動頻率的2倍，即主軸電機引起的振動頻率為49Hz，旋轉(zhuǎn)刀具電機引起的振動頻率為49Hz，橫向進給電機引起的振動頻率為25Hz；所以床身的第1階主模態(tài)頻率遠高于工作頻率，可以避免發(fā)生共振，其動態(tài)性能良好.

3 有限元分析

在UG軟件中創(chuàng)建機床整體三維模型，并保存為step格式，然后導入MSC Pantran軟件中. 因模型較大，為了節(jié)省計算時間和考慮計算機的性能，對模型進行了必要的簡化和再分析，計算得到前３階固有頻率分別為160，256.9，342.9 Hz，振型圖如圖７所示. 由理論計算結(jié)果與實測結(jié)果比較可知：第１階主模態(tài)頻率比實測值高23％，第２階主模態(tài)頻率比實測值高6.5％，第３階主模態(tài)頻率比實測值高10％. 第１階主頻率誤差明顯比其他階誤差大，這是因為機床運行時有很多因素影響機床模態(tài)，如：周邊干擾信號太多且頻率接近，床身下的墊片與地面的接觸等，且有限元分析的模型是經(jīng)過簡化的，這也使理論值與測量值存在誤差.

圖７ 有限元分析的前３階振型圖

4 結(jié)束語

本文分別采用試驗模態(tài)分析和有限元分析結(jié)果說明：將有限元分析應用于大型機床的計算是可靠的，機床的第１階主模態(tài)頻率都遠高于其工作頻率，可避免機床在工作狀態(tài)時出現(xiàn)共振及其它振動帶來的危害；利用有限元模型對試驗條件所產(chǎn)生的誤差進行仿真分析，可以得到更精確的結(jié)果，為進一步優(yōu)化機床結(jié)構(gòu)、減輕重量、降低成本提供了理論依據(jù)；同時機床的橫向振動是影響螺桿加工精度的主要因素，設計時要重點考慮.

[1] 朱復華. 塑料工業(yè)的發(fā)展趨勢[J]. 國外塑料，1998(1): 12-20.

[2] 李長玉. 基于響應信號的數(shù)控機床模態(tài)參數(shù)提取方法研究[D]. 武漢：華中科技大學，2007.

[3] SHIH C Y, TSUEI Y G, ALLEMANG R J, et al. Complex mode indication function and its application to spatial domain parameter estimation[J]. Mechanical System and Signal Processing, 1988, 2(4): 367-377.

[4] 王兆輝，樊可清. 用頻域法識別橋梁的模態(tài)參數(shù)[J]. 五邑大學學報：自然科學版，2005, 19(3): 24-28.

[5] 傅志方，華宏星. 模態(tài)分析理論與應用[M]. 上海：上海交通大學出版社，2000: 164-188.

[責任編輯：孫建平]

An Analysis of the Dynamic Performance of the Special Screw CNC Milling Machine

CAOJian-hua,YANGTie-niu

This paper takes the double-cutter special CNC milling machine for screw as the object of study, collects machine tool vibration signals using the labVIEW software and NI data acquisition cards, makes a modal analysis of the machine tool using the complex mode indicator function method in the Matlab software, and derives the natural frequencies and associated mode shapes. A comparison of the finite element analysis results show that the transverse vibration of the machine tool is dominant and has considerable impact on the processing accuracy of the screw and should be taken into consideration in the design process.

complex mode indicator function method; modal analysis; natural frequency

1006-7302（2010）03-0004-20

TH113.1

A

2010-03-15

廣東省中山市科技攻關(guān)資助項目（2008PT82）

曹建華（1981—），男，湖南郴州人，碩士研究生，研究方向：機械設計，E-mail: a977822@163.com；楊鐵牛，教授，博士，碩士生導師，通信作者，研究方向：機械CAD/CAM、反求設計，E-mail: jmniu@wyu.cn.