可重配置機床及其模態(tài)分析

張建成，劉 偉，楊志勤

ZHANG Jian-cheng, LIU Wei, YANG Zhi-qin

（北京聯(lián)合大學 機電學院，北京 100020）

0 引言

隨著微型機械逐步走向?qū)嵱没?，對微小型零件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度、材料的多樣性、形狀精度、表面粗糙度等均提出了越來越高的要求，加工難度越來越大，必須研究更加先進的加工技術(shù)，適應(yīng)微小型零件的加工要求[1]。由于體積小、容易丟失和損壞，同時其功能面小會導(dǎo)致重新定位夾緊不可靠和易變形，因此微小型零件加工過程中不可頻繁更換機床和夾具。完整性加工是在一次裝夾過程中盡可能多的加工零件所有被加工工藝表面，提高了加工效率和加工精度，因此成為微小型零件加工領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)[2]。

一臺車銑復(fù)合加工中心上可實現(xiàn)車、銑、鉆和鏜等多工序一次裝夾的完整加工是由于其典型的結(jié)構(gòu)特點——具有x、y、z、c四軸或五軸（增加b軸），且一般3～5軸可聯(lián)動[2]。車銑復(fù)合加工中心機床為了實現(xiàn)對生產(chǎn)任務(wù)的動態(tài)響應(yīng)和完整性加工的要求，需要為機床配置不同的功能單元（如刀庫、Y軸單元、高速電主軸、在位檢測單元等），形成可重配置機床。這些不同功能的單元模塊，可以在機床設(shè)計時進行配置，更多的可以作為車銑復(fù)合加工中心的擴展功能模塊在機床使用過程中根據(jù)需要進行配置。

伴隨著機床模塊的可重配置，機床的動特性也會發(fā)生相應(yīng)的變化。機床動特性對機床的加工精度和加工質(zhì)量具有重要影響，因此對可重配置機床重新配置方式下的機床動特性進行研究，獲得機床動特性參數(shù)將對機床結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計具有重要意義。同時獲得機床動特性參數(shù)后將可以利用這些參數(shù)為機床加工參數(shù)的選擇提供依據(jù)。

國內(nèi)外對可重配置機床和機床模態(tài)分析技術(shù)都有廣泛研究，但基于模態(tài)分析的可重配置機床的相關(guān)研究較少。研究由于機床結(jié)構(gòu)的可重配置引起的機床模態(tài)對機床設(shè)計和使用都有重要意義。

1 可重配置機床

1.1 可重配置技術(shù)

美國密西根大學可重構(gòu)制造中心Koren教授從二十世紀九十年代中期開始在總結(jié)他人工作基礎(chǔ)上提出可重構(gòu)制造系統(tǒng)的概念。Koren教授認為為迅速地調(diào)節(jié)生產(chǎn)功能和生產(chǎn)能力，以便對突發(fā)的市場變化和產(chǎn)品要求做出反應(yīng)，可重構(gòu)制造系統(tǒng)應(yīng)能夠在結(jié)構(gòu)、軟件、硬件方面進行快速改變。重構(gòu)過程雖由市場需求驅(qū)動，但系統(tǒng)中配置的加工設(shè)備或部件的類型按照工藝要求按照優(yōu)化的原則進行重構(gòu)，可重構(gòu)制造系統(tǒng)的核心就是按照工藝要求選配的加工設(shè)備或部件組成的加工單元。

實現(xiàn)可重構(gòu)系統(tǒng)有兩種途徑。一是將機床作為可重構(gòu)系統(tǒng)的基本模塊，即系統(tǒng)一級的重構(gòu)。二是機床級的重構(gòu)，即利用機床的模塊性，重構(gòu)時通過更換機床的模塊實現(xiàn)生產(chǎn)能力與生產(chǎn)功能的改變。系統(tǒng)級的重構(gòu)在重構(gòu)方法有三：1）增加機床數(shù)量；2）減少機床的數(shù)量；3）更替機床的類型，最終實現(xiàn)改變系統(tǒng)生產(chǎn)能力和功能的目的。本文中所說的重構(gòu)是指通過更換機床的模塊來實現(xiàn)機床功能變化的重構(gòu)方法[3]。

可重配置制造系統(tǒng)的出現(xiàn)最初就是為了能夠快速響應(yīng)市場變化及需求調(diào)整的制造模式，快速調(diào)整同一類零件生產(chǎn)能力和功能，根據(jù)需要對制造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及軟硬件進行快速改變。傳統(tǒng)的制造系統(tǒng)用于完成特定工序和特定產(chǎn)品的加工，在設(shè)計和制造完成后就成為功能不變的產(chǎn)品。而可重配置的制造系統(tǒng)為滿足完整性加工的需求，對設(shè)備配置或者變更，以滿足生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的任務(wù)需求的變化。既能夠?qū)崿F(xiàn)以最少的裝卡次數(shù)完成對象的加工，從而提高產(chǎn)品的加工精度和加工效率，同時也提高了機床等相關(guān)設(shè)備的利用率。

可重配置制造系統(tǒng)可以為某類零件提供用戶化的柔性，同時可以進行擴展，進行改善、升級甚至重構(gòu)而不需要替換。在實現(xiàn)上可以通過增加、減少或修改特定的工藝、軟件及機器結(jié)構(gòu)來響應(yīng)各種變化[3]。

1.2 可重配置微小型車銑復(fù)合加工中心[4～6]

根據(jù)工藝或加工需求，對微小型機床經(jīng)常需要進行一些模塊的增減和重新組合，由此使機床的功能產(chǎn)生相應(yīng)的變化。配置過程就是在合適的重構(gòu)目標的激勵下，選用特定的制造資源（對于數(shù)控系統(tǒng)而言，制造資源就是各種特定的功能模塊，如伺服驅(qū)動器、刀庫、轉(zhuǎn)臺、電動刀架等），完成特定的制造任務(wù)。對可用資源進行重新組織，力求在最短的時間內(nèi)對數(shù)控系統(tǒng)進行最有效的邏輯上的重新構(gòu)建和組合。

如為實現(xiàn)垂直方向的銑削加工，對一個配置縱切刀架的微小型機床進行重新配置，用Y軸組件替換縱切刀架，配置前后的結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。Y軸組件的機床由于對機床進行了模塊的重新配置，在功能上有了極大的擴展，使機床由原先的車床變成了車銑復(fù)合加工機床，可以更好的實現(xiàn)完整性加工的工藝要求。

圖1 未配置Y軸組件的機床

圖2 配置Y軸組件的可重配置微小型車銑復(fù)合機床

2 可重配置機床模態(tài)分析

可重配置機床由于應(yīng)用需求的變化，會產(chǎn)生功能模塊組合的不同，由此會對機床動特性產(chǎn)生重要影響。為滿足對加工對象越來越高的加工性能的要求，機床又必須具備良好的結(jié)構(gòu)動態(tài)特性[7]。仍以微小型車銑復(fù)合加工機床為例，其重新配置裝配完成后需要進行一系列的測量和試驗工作，以對其進行可重配置性評價工作，同時進行精度控制。在機床上進行的測量和試驗主要包括機床誤差測量和動態(tài)特性測試。

機床動態(tài)特性測試是機床試驗?zāi)B(tài)分析的重要方法，又稱機床模態(tài)測試，它是利用試驗的方法對機床進行建模，進而分析機床特性。本文通過機床模態(tài)的測量，經(jīng)過分析獲得機床的模態(tài)和振型，得到機床轉(zhuǎn)速選擇的原則。以此指導(dǎo)機床的配置和設(shè)計并為可重配置機床加工參數(shù)的選擇提供有價值的依據(jù)，從而提高機床的加工精度。

2.1 模態(tài)測試[8]

運用試驗?zāi)B(tài)分析方法研究機床的動特性，須分析機床結(jié)構(gòu)的特點是否滿足各種假設(shè)的條件和范圍。首先對機床進行測試，證實機床滿足線性條件，同時采取措施使機床滿足定常假設(shè)條件。就微小型車銑復(fù)合加工中心而言，是通過床身底座的四個圓形支承與地面接觸的，所以支承方式選擇為接地支承。從分析原則出發(fā)，由于車銑復(fù)合加工中心結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此其模態(tài)分布比較密集，適宜選擇單輸入/多輸出的激振方式。

在布置測點位置時也要考慮一些基本原則以反映機床系統(tǒng)的實際振動特性。如：1）保證所關(guān)心的結(jié)構(gòu)點都在所選的測量點之中；2）能較好地反映系統(tǒng)特性，方便生成系統(tǒng)幾何造型；3）避免和結(jié)構(gòu)的節(jié)點重合；4）能夠在變形后明確顯示在試驗頻段內(nèi)的所有模態(tài)的變形特征及各模態(tài)間的變形區(qū)別；5）便于安裝傳感器進行測量。同時將所有測量點分X, Y, Z三個方向分別進行測量以方便分析，處理時也分為三個方向進行。將各點各個方向的測試數(shù)據(jù)進行模態(tài)擬合，識別出測點處各個方向的模態(tài)參數(shù)，并生成振型。

車銑復(fù)合加工中心模態(tài)測試的線框圖和測點布置如圖3、圖4所示。

圖3 車銑復(fù)合加工中心模態(tài)測試線框圖

圖4 車銑復(fù)合加工中心模態(tài)測試測點布置圖

圖5 是刀架上某點的3方向傳感器實際測量布置圖。

圖5 刀架上某測點傳感器布置圖

2.2 采樣信號及采樣參數(shù)設(shè)置[9]

在對可重配置機床的模態(tài)測試中，選用瞬態(tài)激勵信號進行動態(tài)測試，通常由激勵錘產(chǎn)生。錘擊法對被測試件無附加質(zhì)量和剛度約束，具有快速、方便的優(yōu)點，缺點是能量分散在很寬頻帶內(nèi)，激勵能量小，信噪比低。

對于力脈沖信號，由于脈沖持續(xù)時間短，脈沖后面均為干擾信號，為此可采用加力窗函數(shù)的辦法。力窗也是矩形窗的一種，力窗函數(shù)為：

在模態(tài)試驗中，通常根據(jù)有價值的結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率先確定分析頻率，再根據(jù)分析頻率確定試驗時的采樣頻率，把采樣頻率確定為分析頻率的3倍左右。對車銑復(fù)合加工中心機床，由于切削電主軸的最高轉(zhuǎn)速為45000r/min，因此分析頻率可設(shè)定為750Hz，采樣頻率設(shè)定為2560Hz，采樣點數(shù)為1024，譜線數(shù)為400，采樣方式設(shè)定為連續(xù)采樣。

由于力脈沖信號作用的時間較短，因此在模態(tài)測試中對力脈沖信號的數(shù)據(jù)采集要求有足夠的采樣速率以滿足其波形的精度，另一方面，為了確保測試結(jié)果的頻率分辨率，要求對響應(yīng)信號的采樣速率不能太高。因此就存在頻率分辨率和時域波形精度這一對矛盾。為了解決這一矛盾，在模態(tài)測試中采用變時基信號采集方法。在試驗中設(shè)置力傳感器約是加速度傳感器的4～8倍采樣頻率，這樣就可以獲得較好的測量效果。

2.3 相干函數(shù)

相干函數(shù)可描述為輸入、輸出互譜模的平方與輸入、輸出自譜之積的比值，它是判斷一個測試系統(tǒng)測試可靠性的重要指標。公式為：

式中，GXiFj是i的響應(yīng)xi對j點激振力fj的互譜；GXiXi和GFjFj分別是響應(yīng)和激振力的自譜。

相干函數(shù)rij的值恒小于1。當rij大于0.8時，可以認為被測試系統(tǒng)的傳遞函數(shù)是可信的，系統(tǒng)模型可靠。本試驗測試的機床系統(tǒng)得到的相干函數(shù)曲線在各階模態(tài)頻率的值基本都在0.8以上，因此測試數(shù)據(jù)可靠，圖6是Y軸上第70測振點沿Y方向的相干函數(shù)圖。

圖6 第70測振點Y方向相干函數(shù)數(shù)值圖

2.4 測試結(jié)果分析

試驗中，激勵信號為采用脈沖錘對機床床身的固定點進行單點激振。激振力信號通過力傳感器送入信號采集分析儀的通道。分布在機床不同位置的加速度傳感器和電荷放大器獲得各測點的絕對響應(yīng)，信號采集分析儀完成信號采集，專用DASP軟件進行數(shù)據(jù)處理，得到機床各點在三個互相垂直方向的幅相頻曲線、實虛頻曲線、功率譜以及相干函數(shù)曲線等，同時進行波形顯示和結(jié)果分析，獲得模態(tài)參數(shù)和生成振型動畫。為確認數(shù)據(jù)的可信度，可對測試數(shù)據(jù)進行集總平均并在其曲線上選取合適的區(qū)間進行分段后，對頻響函數(shù)進行擬合分析。

機床的切削精度直接受到車刀刀架、Y軸部件和機床主軸振動的影響，這些點的動特性直接反映機床的加工特性。其好壞直接關(guān)系到機床的加工質(zhì)量和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，機床模態(tài)參數(shù)的測量重點部位也是在我們關(guān)注的幾個主要部件上，機床的頻率響應(yīng)函數(shù)也主要考察這些部件上的測試點。對微小型車銑復(fù)合加工中心，我們考慮集總傳函，確定集總傳函后可以利用軟件進行收階，獲得系統(tǒng)的整體模態(tài)參數(shù)。

機床集總傳遞函數(shù)圖和集總平均的收階圖如圖7，圖8所示。

圖7 集總平均的傳遞函數(shù)圖

圖8 集總平均收階圖

采用集總平均法對測試獲得的各點頻響函數(shù)進行模態(tài)綜合（只考慮頻率750Hz左右及其往下的頻率），可得到微小型車銑復(fù)合加工中心整機系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)如表1所示。

表1 微小型車銑復(fù)合加工中心系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)

機床主軸系統(tǒng)，刀架等部件系統(tǒng)和整機系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)略有區(qū)別，這是結(jié)合部因素的影響造成的。通過試驗獲得的機床各方向的各階模態(tài)基本一致。

頻率中的低頻部分是機床系統(tǒng)最有可能出現(xiàn)的，由于車銑復(fù)合加工加工中心的實際工作轉(zhuǎn)速不高于45000r/min，因此750Hz以下的頻率，基本處于工作轉(zhuǎn)速以內(nèi)，對這些頻率下的系統(tǒng)振動情況進行研究就顯得尤其重要，它們很可能引起機床的共振。

由于車銑工藝中，車削主軸轉(zhuǎn)速較低，一般選擇在150r/min～300r/min之間，相應(yīng)的頻率為2.5Hz～5Hz。銑削電主軸的轉(zhuǎn)速較高，范圍通常在6000r/min～45000r/min之間，相應(yīng)頻率為100Hz～750Hz。車削主軸頻率低于表1所示的任一頻率，因此工件的旋轉(zhuǎn)運動和機床固有頻率之間在理論上不會產(chǎn)生共振。

微小型車銑復(fù)合加工中心整機系統(tǒng)前12階（根據(jù)機床轉(zhuǎn)速來定，45000）階振型圖如圖9所示，其中從圖9(a)到圖9(l)分別對應(yīng)1到12階振型。

機床選擇加工參數(shù)時應(yīng)盡量避免與以上模態(tài)參數(shù)重合，以引起切削顫振現(xiàn)象。機床產(chǎn)生切削顫振現(xiàn)象如圖10所示[10]。

圖10 車銑加工顫振表面特征

圖9 微小型機床前12階振型圖

3 結(jié)束語

可重配置機床由于機械模塊或單元的可重配置，使機床根據(jù)用戶的需求可以具有不同的功能，從而滿足完整性加工的需要。伴隨著機床模塊的可重配置，機床的動特性也會發(fā)生相應(yīng)的變化。機床動特性參數(shù)主要是機床的模態(tài)參數(shù)，和機床的共振頻率直接相關(guān)，在機床的加工參數(shù)選擇尤其是選擇機床轉(zhuǎn)速參數(shù)時必須首先獲得可重配置機床的模態(tài)參數(shù)，從而使選擇的轉(zhuǎn)速參數(shù)盡量遠離機床系統(tǒng)的共振區(qū)域，將會使切削過程更平穩(wěn)，提高切削加工精度。通過機床試驗?zāi)B(tài)分析獲得機床系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)，有助于機床切削加工參數(shù)的合理選擇，也有利于機床結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。

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