基于LMS.Test.Lab的快走絲機床振動測試與分析

楊磊，蔡長韜，孫林堯

(西華大學(xué)機械工程與自動化學(xué)院，四川成都610039)

隨著特種加工技術(shù)的不斷提高、材料科學(xué)的進步和機械零件設(shè)計、使用要求的不斷提高，高精度、高硬度的零件加工需求越來越大，線切割機床在機械制造行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛。特別是我國獨創(chuàng)的快走絲線切割機床具有結(jié)構(gòu)簡單、機床成本低、加工成本低的優(yōu)勢，在我國的高精度、高硬度的機械零件加工中有著非常普遍的應(yīng)用。目前快走絲線切割機床的加工精度和表面粗糙度可以達到±0.01 mm 和Ra1.25 ～2.5 μm，加工厚度根據(jù)不同機床的加工能力各有區(qū)別，總的來說在加工大厚度零件時加工的穩(wěn)定性和加工精度會有所下降。目前很多研究都圍繞如何提高快走絲線切割機床的加工性能展開，研究的切入點主要有:(1)電極絲的恒張力控制;(2)加工中的電參數(shù)的優(yōu)化和細化; (3)設(shè)計新型的脈沖電源; (4)機床結(jié)構(gòu)和運絲系統(tǒng)的改進［1－2］。對于機床結(jié)構(gòu)和運絲系統(tǒng)的改進，現(xiàn)在有許多改進思路，例如北京科技大學(xué)機械工程學(xué)院的孟翠等人［3］提出的快走絲線切割機床立柱移動式布局。四川大學(xué)的程明［4］提出儲絲筒安裝在傾斜的滾動導(dǎo)軌上等。作者通過LMS. Test. Lab 振動測試系統(tǒng)對典型的快走絲機床DK7735 進行實驗?zāi)B(tài)分析，在不同的上、下臂(絲架)跨距下進行試驗，重點研究上、下臂的振動特性，為機床的設(shè)計、改進和性能評價提供振動特性方面的參考數(shù)據(jù)。

1 實驗?zāi)B(tài)分析基本方法

一般來說，機械結(jié)構(gòu)若受到振動激勵，當激振頻率接近固有頻率時由于共振該結(jié)構(gòu)會發(fā)生劇烈的振動。對于任何機械結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)共振都會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的位移、變形或疲勞損壞，使得結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生變化，降低穩(wěn)定性和使用壽命。為了減小共振對機械結(jié)構(gòu)的危害，對于機械結(jié)構(gòu)應(yīng)使工作頻率遠離各階固有頻率。實驗?zāi)B(tài)分析就是通過試驗測量激勵和響應(yīng)的時間歷程，并用數(shù)字信號技術(shù)求得頻率響應(yīng)函數(shù)(FRF)，再用曲線擬合估計模態(tài)參數(shù)，并進一步確定系統(tǒng)物理參數(shù)［5］。

FRF 表示結(jié)構(gòu)中系統(tǒng)輸入信號和輸出信號的頻域關(guān)系，F(xiàn)RF 的測量值與模態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系式為:

式中:hij(jω)為輸出自由度i 與輸入自由度j 之間的FRF;N 為影響分析頻帶內(nèi)結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的振動模態(tài)數(shù);rijk為第k 階模態(tài)的留數(shù);λk第k 階模態(tài)的極點;符號“* ”表示復(fù)共軛。極點的值可以表示為:

其中:ωnk為第k 階模態(tài)的無阻尼固有頻率;ζk為模態(tài)阻尼比［6－7］。

2 DK7735 快走絲機床模態(tài)試驗

2.1 試驗對象

圖1 絲架線框模型及測點布置

快走絲線切割機床是我國獨立研制的電加工機床，其結(jié)構(gòu)簡單、性價比高，在我國的電加工機床中占有率最高。DK 系列的快走絲線切割機床的結(jié)構(gòu)基本相似，實驗中以DK7735 型作為試驗對象(以下簡稱試驗機)。該機床的床身采用灰口鑄鐵HT200 制造，強度較高、剛性較好、變形小，工作臺、運絲機構(gòu)、絲架(立柱、上下臂)都安裝在床身上;工作臺可以實現(xiàn)X、Y 兩個方向的運動，工作臺的運動由步進電機驅(qū)動的滾珠絲杠完成;運絲機構(gòu)使用型號為YS7124 三相異步電動機，在其傳動路線中依次采用了聯(lián)軸器、絲杠螺母副、同步齒形帶(有的機床采用齒輪傳動)等，運絲機構(gòu)是快走絲機床主要的振動激勵源;絲架的立柱使用螺栓固聯(lián)在床身之上，下臂使用螺栓固聯(lián)在立柱上，上臂安裝在立柱的導(dǎo)軌內(nèi)，使用絲杠螺母副實現(xiàn)上臂的上下滑移，電極絲的導(dǎo)輪、導(dǎo)絲器等都安裝在上、下臂上［8－9］。絲架的主要作用是支撐電極絲并使處于加工部分的電極絲保持與工作臺的垂直，可以說絲架部分的剛性和穩(wěn)定性對線切割加工精度相較其他部分影響最大。此次試驗主要測量絲架部分的振動特性，因此在LMS. Test. Lab的計算機分析系統(tǒng)中建立一個試驗機絲架的線框模型來代表絲架的立柱以及上、下臂，在試驗機的上、下臂上布置4 個測點。試驗機絲架的線框模型和測點布置如圖1 所示。

2.2 試驗方案

試驗過程為錘擊試驗 (Impact testing)，采用“定點錘擊法” (Fixed hammer)在固定點施加錘擊［10－11］，在選定的測點測量響應(yīng)。為了獲得全面的模態(tài)參數(shù)，分別進行5 組試驗，在每組試驗里錘擊點和測量點不變，調(diào)整上、下臂的跨距，跨距從小到大變化，具體數(shù)值見表1。

表1 不同組試驗跨距 mm

試驗使用的設(shè)備參數(shù)如下:力錘型號為086c40，為了獲得合理的沖擊信號頻帶寬度，錘帽選用硬塑料錘帽。傳感器為三方向傳感器，型號為PCB 356A16，測量量為加速度，各個傳感器的敏感度各有不同，在通道設(shè)置環(huán)節(jié)分別進行修正。此試驗共使用13 個通道，其中1 個力錘輸入通道，12 個傳感器輸出通道。試驗前期經(jīng)過不同點的多次錘擊試驗發(fā)現(xiàn)，當錘擊點在立柱下端時試驗的相干系數(shù)最高(相干系數(shù)大于0.91)，因此選擇該點為錘擊輸入點。試驗過程中試驗機處于停機未通電狀態(tài)，按照LMS. Test. Lab 模態(tài)參數(shù)測量試驗流程進行操作;為提高信噪比，每組試驗中敲擊錘擊點5 次，并求其平均值;每組試驗完成后對機床的上、下臂跨距進行調(diào)整，重新進行敲擊試驗，共完成5 組試驗數(shù)據(jù)的收集。

3 測試數(shù)據(jù)分析

此次試驗為了獲得全面的機床模態(tài)參數(shù)，進行5組錘擊試驗，收集到5 組實驗數(shù)據(jù)，5 組數(shù)據(jù)包括試驗機的模態(tài)分析穩(wěn)態(tài)圖、各階振型、各階固有頻率以及床身的阻尼比。此處以線切割加工中最常用的跨距值350 mm 下的穩(wěn)態(tài)圖和各階振型為例進行分析。其余的試驗數(shù)據(jù)在下文中用表格形式匯總展示。圖2 是試驗機跨距在350 mm 下模態(tài)分析穩(wěn)態(tài)圖，從圖2 中識別的頻率帶寬在1 000 Hz 以內(nèi)的模態(tài)參數(shù)見表2。

圖2 試驗機跨距350 mm 的模態(tài)分析穩(wěn)態(tài)圖

表2 各階固有頻率及阻尼比

從試驗機工作原理出發(fā)，對影響加工質(zhì)量的振型進行分析。若上、下臂的振型為X 方向的振動，則振動會造成電極絲與工作臺垂直度的偏差，進而造成加工質(zhì)量的下降;Y 方向振動的振型也會對電極絲與工作臺垂直度造成同樣的影響，但因為絲架的結(jié)構(gòu)特點，Y 方向的振動很小可以忽略不計;Z 方向的上、下臂振動對電極絲垂直度影響最低。從實驗結(jié)果看出，第4 階固有頻率的振型雖然是下臂前段在Z 方向的振動，但阻尼比很小工作時容易發(fā)生振動，因此應(yīng)對下臂進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以增加剛度、增大阻尼;第2、3 階振型相似，第8、9 階振型相似，而且上、下臂的第2、3、8、9 階的固有頻率的振型主要是X 方向，對機床加工精度有較大影響。圖3 是試驗機線框模型在第2、第8 階固有頻率下的振型。

圖3 第2、第8 階振型

通過對5 組試驗數(shù)據(jù)進行分析可以看出，模態(tài)參數(shù)呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。對試驗機進行5 組不同跨距的試驗，得到的試驗機模態(tài)數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 試驗機不同跨距下的模態(tài)參數(shù) Hz

把表3 中的固有頻率數(shù)據(jù)用曲線圖表示出來如圖4 所示。

圖4 固有頻率變化曲線

從圖4 發(fā)現(xiàn):不同跨距下試驗機絲架的第1、2階頻率集中在160 Hz 和285 Hz 附近，從第3 階開始，固有頻率值的分布就比較分散。對比5 組試驗的振型可以看出:在266 ～288 Hz、347 ～397 Hz、875 ～943 Hz 頻率段內(nèi)發(fā)生的振型主要是上、下臂在X 方向振動，因此而設(shè)計機床時應(yīng)規(guī)避上述頻率段。觀察試驗結(jié)果，頻率434 Hz 附近的振型雖為Z 方向振動，但是阻尼比很小約為0.30，因此應(yīng)對下臂結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，提高下臂的阻尼和剛度。

4 結(jié)論

通過應(yīng)用LMS. Test. Lab 振動測試系統(tǒng)完成了試驗機在5 組不同跨距下的模態(tài)試驗，分析試驗數(shù)據(jù)可以看出: (1)試驗機的絲架在266 ～288 Hz、347 ～397 Hz、875 ～943 Hz 頻率段內(nèi)的模態(tài)振型都發(fā)生在X 方向，振動對加工質(zhì)量的影響較大，在設(shè)計機床的運絲機構(gòu)的傳動鏈時，應(yīng)重點考慮以上頻率范圍，避免運絲系統(tǒng)在傳動過程中產(chǎn)生的振動激勵落在該范圍內(nèi);(2)機床下臂前段的阻尼比保持在0.30 左右，結(jié)構(gòu)抗振能力較差，應(yīng)對此處進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高阻尼增加強度;(3)在不同跨距下，試驗機的1、2 階頻率集中在160、285 Hz 附近，第3 階開始頻率值的分布就比較分散。

［1］FAN Shengyao，ZHANG Qiujun，CHENG Haiwei，et al．Nonlinear Dynamics Analysis of Multi-cutting Wire Electrode in WEDM-HS Subjected to Working Fluid Considering the Effect of Debris［J］．Journal of Mechanical Science and Technology，2013，27(12):3595－3605．

［2］王笑．往復(fù)走絲線切割機床電極絲的振動分析［D］．成都:西華大學(xué)，2009．

［3］孟翠，賈志新，滕向陽，等，新型電火花線切割機床的設(shè)計與可行性研究［J］．機械設(shè)計與制造，2007(9):31－33．

［4］程明．DK7745 高速走絲電火花線切割機床整機設(shè)計［D］．成都:四川大學(xué)，2007．

［5］RAO Singiresu S．機械振動［M］．4 版．李欣業(yè)，張明路，等，譯．北京:清華大學(xué)出版社，2009．

［6］比利時LMS 公司．LMS 振動/噪聲測試與分析系統(tǒng)［M］．劉馥清，譯．2000．

［7］張力．模態(tài)分析預(yù)實驗［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2011．

［8］馮冉，蔡長韜．線切割機床電極絲振動及其有限元分析［J］．機床與液壓，2010，38(12):38－23．

［9］劉志東．特種加工［M］．北京:北京大學(xué)出版社，2004．

［10］ZHANG Libin，JIANG Fan，WANG Yangyu，et al．Measurement and Analysis of Vibration of Small Agricultural Machinery Based on LMS Test．Lab［J］．Transactions of the CSAE，2008，24(5):100－104．

［11］MOU Zhaoyu，WANG Weifang，GAO Pengfei，et al．Modal Analysis of Precision Lapping Machine［J］．Advanced Materials Research，2010，102/103/104:272－276．