模態(tài)分析技術(shù)在機(jī)床設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

呂靈偉

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，中國(guó) 天津 300222）

0 前言

隨著國(guó)內(nèi)重工業(yè)行業(yè)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)對(duì)與高精度、高效率的數(shù)控機(jī)床的需求也在不斷增加。因此數(shù)控機(jī)床在設(shè)計(jì)階段就要盡可能的減小其變形，進(jìn)而要求設(shè)計(jì)者對(duì)設(shè)計(jì)模型要有準(zhǔn)確的分析過(guò)程，為機(jī)床的生產(chǎn)和使用打下基礎(chǔ)。而對(duì)于機(jī)床動(dòng)力學(xué)性能的主要分析內(nèi)容便是模態(tài)分析，機(jī)床的模態(tài)直接反映了機(jī)床的加工性能。隨著理論的不斷成熟，實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)方法被廣泛的應(yīng)用于機(jī)床設(shè)計(jì)過(guò)程中。

1 模態(tài)分析起源與發(fā)展

模態(tài)分析是近年來(lái)出現(xiàn)的一種針對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行研究的新方法，它的主要內(nèi)容是將系統(tǒng)的辨別方法應(yīng)用于工程振動(dòng)的領(lǐng)域內(nèi)。所謂模態(tài)是指機(jī)械結(jié)構(gòu)在其固有振動(dòng)中表現(xiàn)出來(lái)的特性，對(duì)于結(jié)構(gòu)固有振動(dòng)中的每個(gè)振動(dòng)模態(tài)都有其一一對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率即固有頻率、阻尼比以及其對(duì)用的振動(dòng)方式即振型。通過(guò)大量的計(jì)算或者實(shí)驗(yàn)分析可以獲取到結(jié)構(gòu)的這些模態(tài)參數(shù)，而我們定義的模態(tài)實(shí)驗(yàn)指的就是這些計(jì)算或者實(shí)驗(yàn)分析過(guò)程，若是通過(guò)有限元計(jì)算的方法得到這些模態(tài)參數(shù)的，就將這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為計(jì)算模態(tài)分析；除了計(jì)算模態(tài)分析還有實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，所謂實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析是指模態(tài)參數(shù)的獲得是通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得的，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中則通過(guò)實(shí)驗(yàn)參數(shù)的識(shí)別將采集的系統(tǒng)輸入與輸出信號(hào)進(jìn)行分析獲取。

實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)技術(shù)源于20世紀(jì)30年代提出的將機(jī)電進(jìn)行比擬的機(jī)械阻抗技術(shù)。由于當(dāng)時(shí)測(cè)試技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的限制，它在很長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)發(fā)展非常緩慢。到20世紀(jì)50年代末，該技術(shù)僅限于離散穩(wěn)態(tài)正弦激振方法。60年代末，計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展使得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)梳理和數(shù)值計(jì)算技術(shù)出現(xiàn)了嶄新的面貌，模態(tài)分析得到快速發(fā)展而日趨成熟。從80年代中期到90年代，模態(tài)分析技術(shù)在各個(gè)工程領(lǐng)域得到普及和深層次運(yùn)用，尤其是在解耦股性能評(píng)價(jià)、結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)修改和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及聲控分析等方面的應(yīng)用研究異?；钴S，取得了豐碩的研究成果。1947年KenDedy和Pancu在論文中提出了用來(lái)精確地確定航空結(jié)構(gòu)的固有頻率和阻尼比的敘述方法，此方法沿用多年，直到流失年代測(cè)量和分析技術(shù)的迅速發(fā)展，為更精密的測(cè)量和更有效且廣泛的應(yīng)用鋪平了道路。1963年，畢曉普和克拉德威爾的論文中描述了實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)原理的現(xiàn)狀，其理論大大超出了當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)水平。同時(shí)期，salter所著的書(shū)中從完全不同的觀點(diǎn)提出用非解析方法來(lái)處理測(cè)量數(shù)據(jù)。到1970年，傳感器、電子學(xué)和數(shù)學(xué)分析等方法都有了重要的發(fā)展，從而建立了目前的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析技術(shù)。目前，模態(tài)分析技術(shù)已經(jīng)成為一門(mén)重要的工程技術(shù)。

2 模態(tài)測(cè)試技術(shù)

模態(tài)分析技術(shù)得以進(jìn)行時(shí)依賴(lài)于測(cè)試技術(shù)的發(fā)展。一般來(lái)說(shuō)，振動(dòng)測(cè)量方法可分為兩類(lèi)。第一類(lèi)是僅測(cè)量響應(yīng)電平，這種方法有一個(gè)缺陷，即不能判斷出大響應(yīng)電平的產(chǎn)生原因，其產(chǎn)生可能是由于大激勵(lì)力或者力矩，也有可能由結(jié)構(gòu)共振所致。第二種方法是同時(shí)測(cè)量輸入輸出。在振動(dòng)測(cè)試中，頻響函數(shù)的測(cè)試方法一般可分為單點(diǎn)激勵(lì)和多點(diǎn)激勵(lì)兩種，前者是對(duì)結(jié)構(gòu)的某一點(diǎn)激勵(lì)，同時(shí)測(cè)量所有點(diǎn)的響應(yīng)；后者是對(duì)結(jié)構(gòu)的某些點(diǎn)激勵(lì)，同時(shí)測(cè)量各點(diǎn)的響應(yīng)。振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)一般由以下三部分組成：激振部分、拾振部分、分析、顯示、記錄部分。激振系統(tǒng)包括了信號(hào)源，功率放大器和激振器。常用的激勵(lì)信號(hào)有正弦、隨機(jī)、瞬態(tài)和周期等。信號(hào)源產(chǎn)生的信號(hào)十分微弱，所以需要用功率放大器來(lái)放大激勵(lì)信號(hào)，激振器是用來(lái)產(chǎn)生激勵(lì)的裝置。常用的激勵(lì)方式有兩種：錘擊激勵(lì)法和激振器激振法。錘擊激勵(lì)的方法是對(duì)被測(cè)結(jié)構(gòu)用力錘施加一個(gè)已知的輸入力，該力錘帶有力傳感器，使用加速度傳感器測(cè)量出各個(gè)測(cè)點(diǎn)的響應(yīng)，利用軟件的頻響函數(shù)分析模塊計(jì)算頻響函數(shù)數(shù)據(jù)，并且利用一定的模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法得到結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。錘擊激勵(lì)法又有兩種方法：?jiǎn)吸c(diǎn)激勵(lì)法和單點(diǎn)拾振法。錘擊激勵(lì)法的優(yōu)點(diǎn)是不給待測(cè)結(jié)構(gòu)附加任何質(zhì)量不會(huì)影響結(jié)構(gòu)的動(dòng)特性；適用于質(zhì)量較輕、比較剛硬的結(jié)構(gòu)；實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單。

3 實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)在機(jī)床設(shè)計(jì)中的應(yīng)用與過(guò)程

模態(tài)分析所尋求的最終目標(biāo)在于改變按機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)有經(jīng)驗(yàn)、類(lèi)比和靜態(tài)設(shè)計(jì)方法為動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行是識(shí)別、分析和評(píng)價(jià)，找出問(wèn)題，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。隨著現(xiàn)代工業(yè)對(duì)工藝的要求越來(lái)越高，高速高精度高生產(chǎn)率成為現(xiàn)代機(jī)床的普遍要求。實(shí)現(xiàn)這一要求，就必須保證機(jī)床結(jié)構(gòu)具有良好的動(dòng)態(tài)特性。實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析技術(shù)是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的一種近代方法，他通過(guò)模態(tài)分析理論、系統(tǒng)辨識(shí)理論把理論分析與動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)合起來(lái)，具有很高的使用價(jià)值。

實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析技術(shù)應(yīng)用于機(jī)床行業(yè)，主要目的是改進(jìn)機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能及為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供客觀的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其應(yīng)用主要有以下三個(gè)方面：

（1）改善產(chǎn)品的抗振性能；

（2）實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)與理論模態(tài)分析相結(jié)合的組合結(jié)構(gòu)分析；

（3）結(jié)構(gòu)動(dòng)力修改。

實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)經(jīng)常使用的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析系統(tǒng)是LMS Test.Lab。LMS Test.Lab是一整套的振動(dòng)噪聲實(shí)驗(yàn)解決方案，是高速多通道數(shù)據(jù)采集與實(shí)驗(yàn)、分析、電子報(bào)告工具的完美結(jié)合。LMS Test.Lab在模態(tài)實(shí)驗(yàn)上的應(yīng)用十分成熟，LMS的模態(tài)分析解決方案還支持LMS Poly MAX模態(tài)識(shí)別技術(shù)，以及自動(dòng)模態(tài)參數(shù)選擇（AMPS）功能，可以在數(shù)分鐘內(nèi)自動(dòng)地提取高品質(zhì)模態(tài)模型。AMPS功能可以系統(tǒng)地確保獨(dú)立于用戶的分析結(jié)果，并且與其它方法相比較能夠更快地提取模態(tài)模型參數(shù)。這樣極大地提高了模態(tài)分析的可靠性、整體質(zhì)量和分析速度。一般進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的步驟主要如下：

（1）了解機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和存在的問(wèn)題，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前的分析；

（2）確定實(shí)驗(yàn)方案，選擇測(cè)點(diǎn)的位置；

（3）根據(jù)確定的測(cè)點(diǎn)位置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)建模；

（4）測(cè)試完畢后根據(jù)測(cè)試結(jié)果，對(duì)測(cè)試不好的結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)測(cè)。

模態(tài)實(shí)驗(yàn)中的激振方法主要有力錘激振法和激振器激振法，機(jī)床的模態(tài)實(shí)驗(yàn)常用的激勵(lì)方法是力錘激勵(lì)法，使用的拾振方式是單輸入多輸出方式，即一點(diǎn)錘擊激勵(lì)、多點(diǎn)拾振的方法。而測(cè)點(diǎn)（或響應(yīng)點(diǎn)）的布置要注意以下幾點(diǎn)：

（1）基本反映機(jī)床結(jié)構(gòu)輪廓；

（2）在結(jié)合面處的兩個(gè)部件都應(yīng)該布置測(cè)點(diǎn)；

（3）在能夠反映機(jī)床結(jié)構(gòu)輪廓的前提下，盡量選擇能夠在XYZ三個(gè)方向都容易安裝傳感器的點(diǎn)；

（4）保證所關(guān)心的結(jié)構(gòu)點(diǎn)（如在結(jié)合面處的點(diǎn)）在所選的測(cè)點(diǎn)之中。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)模態(tài)分析的基本原理及其發(fā)展過(guò)程的介紹，結(jié)合實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)的原理及其分析應(yīng)用系統(tǒng)，主要說(shuō)明了機(jī)床設(shè)計(jì)過(guò)程中模態(tài)分析的內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析過(guò)程中的基本步驟及需要注意的問(wèn)題，為機(jī)床設(shè)計(jì)過(guò)程中必要的動(dòng)力學(xué)分析及測(cè)試提供了理論基礎(chǔ)。

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