某立式加工中心的動(dòng)力學(xué)測(cè)試和結(jié)構(gòu)分析研究

朱鐵軍 吳玉亮

摘要：機(jī)床切削能力的高低在很大程度上受動(dòng)態(tài)性能的影響。本文對(duì)某立式加工中心進(jìn)行了一系列的動(dòng)力學(xué)測(cè)試，獲得其共振頻率、阻尼比、模態(tài)振型、動(dòng)剛度的動(dòng)態(tài)特性，并對(duì)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了分析研究以定位機(jī)床在動(dòng)態(tài)性能上的薄弱環(huán)節(jié)。

關(guān)鍵詞：立式加工中心；動(dòng)力學(xué)測(cè)試；結(jié)構(gòu)分析；動(dòng)態(tài)性能

前言

機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能指的主要是機(jī)床的振動(dòng)特性，或者說機(jī)床抵抗振動(dòng)的能力，其主要參數(shù)包括振動(dòng)速度、動(dòng)剛度、固有頻率、阻尼比、模態(tài)振型等。對(duì)動(dòng)態(tài)性能的優(yōu)化就是對(duì)機(jī)床抗振性和切削穩(wěn)定性的提升[1]。本文以某立式加工中心為例，綜合運(yùn)用多種動(dòng)力學(xué)測(cè)試方式對(duì)其進(jìn)行分析試驗(yàn)，在測(cè)試的結(jié)果上找出機(jī)床的薄弱環(huán)節(jié)并指出改進(jìn)方向。

1.機(jī)床的動(dòng)力學(xué)測(cè)試

1.1測(cè)試方案

首先對(duì)機(jī)床作空轉(zhuǎn)振動(dòng)測(cè)試，檢測(cè)并排除可能存在的主軸動(dòng)平衡問題，獲取機(jī)床當(dāng)前的振動(dòng)數(shù)據(jù)；接下來(lái)作部件和整機(jī)的模態(tài)測(cè)試，獲取機(jī)床的共振頻率、阻尼比、模態(tài)振型，初步掌握機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性，為機(jī)床的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與調(diào)整提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和參考信息；最后作動(dòng)剛度測(cè)試，獲取機(jī)床各部件的動(dòng)剛度值，了解其抗振性。

1.2主軸空轉(zhuǎn)振動(dòng)測(cè)試

“振動(dòng)”可以理解為測(cè)試點(diǎn)的絕對(duì)位置改變的“快慢”或“劇烈”的程度[2]。振動(dòng)對(duì)應(yīng)的物理量有位移、速度、加速度三種。通常低頻時(shí)，注重的是振動(dòng)位移帶來(lái)的破壞，即疲勞強(qiáng)度的破壞，主要與位移成正比；中頻注重的是振動(dòng)部件的疲勞，主要與速度成正比；高頻時(shí)注重的是能量的沖擊及共振的影響，主要與加速度成正比。因此這里采用振動(dòng)速度的有效值來(lái)衡量機(jī)床的振動(dòng)量。進(jìn)行測(cè)試的目的主要是為了排除可能存在的動(dòng)平衡問題，并對(duì)機(jī)床當(dāng)前的振動(dòng)情況有個(gè)初步的了解。

該機(jī)床的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為轉(zhuǎn)速不大于20000rpm時(shí)，主軸振動(dòng)不大于1.5mm/s。從結(jié)果來(lái)看，在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)振動(dòng)值并未超標(biāo)，僅在大約10000rpm和14000rpm的時(shí)候振動(dòng)偏大，這是典型的結(jié)構(gòu)共振現(xiàn)象；進(jìn)一步觀察振動(dòng)曲線，發(fā)現(xiàn)也不存在主軸某個(gè)方向振動(dòng)過大的問題，且6000rpm和12000rpm時(shí)振動(dòng)量也不大，初步可判斷主軸系統(tǒng)并不存在動(dòng)平衡/不對(duì)心/組件松動(dòng)等問題。

1.3模態(tài)測(cè)試和動(dòng)剛度測(cè)試

物體的振動(dòng)方式通常是用頻率、阻尼比和模態(tài)振型等參數(shù)來(lái)描述的，而模態(tài)分析就是用來(lái)識(shí)別出這些參數(shù)的手段。動(dòng)剛度指的是機(jī)床結(jié)構(gòu)在受到一定的動(dòng)態(tài)載荷時(shí)的動(dòng)態(tài)位移，與被加工工件的表面形狀和抗顫振特性密切相關(guān)。模態(tài)測(cè)試和動(dòng)剛度測(cè)試通常用來(lái)為結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

測(cè)試采用錘擊法，單點(diǎn)輸入多點(diǎn)輸出、錘擊點(diǎn)固定、傳感器移動(dòng)。機(jī)床分五部分分別建模：床身、滑鞍、工作臺(tái)、立柱和主軸箱。按照能表征出結(jié)構(gòu)的大致形狀特征以及所有感興趣的模態(tài)的規(guī)則布置了共99個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)試時(shí)分別測(cè)試了工作臺(tái)自由模態(tài)、主軸箱自由模態(tài)、立柱自由模態(tài)和整機(jī)模態(tài)，測(cè)試自由模態(tài)時(shí)需將被測(cè)鑄件用彈性繩懸吊。測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)、模型及測(cè)點(diǎn)如圖2。

整機(jī)的模態(tài)測(cè)試結(jié)果如表1。

根據(jù)模態(tài)振型對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析：300hz以下時(shí)，主軸箱為主要振動(dòng)部件；300hz到500hz時(shí)，工作臺(tái)為主要振動(dòng)部件；500hz以上時(shí)，床身開始振動(dòng)。

在床身、工作臺(tái)、立柱、主軸箱上分別取點(diǎn)，將對(duì)應(yīng)點(diǎn)的頻響曲線積分兩次，得到動(dòng)柔度曲線，觀察動(dòng)柔度曲線，可發(fā)現(xiàn)工作臺(tái)的動(dòng)柔度最高，達(dá)到了0.14e-6m/N，遠(yuǎn)高于床身的0.06e-6m/N，也就是說工作臺(tái)的動(dòng)剛度有些低。

2.測(cè)試結(jié)果分析和結(jié)構(gòu)弱點(diǎn)定位

主軸空轉(zhuǎn)振動(dòng)時(shí)測(cè)得機(jī)床的共振主要出現(xiàn)在主軸轉(zhuǎn)速10000轉(zhuǎn)和14000轉(zhuǎn)的時(shí)候，其對(duì)應(yīng)的自激頻率為166.6hz和233.3hz；模態(tài)測(cè)試指出，主軸箱的固有頻率包含158hz（主軸箱繞y軸旋轉(zhuǎn)帶有扭轉(zhuǎn)）及241.03hz（主軸箱繞X軸旋轉(zhuǎn)）；工作臺(tái)的固有頻率包含327hz（工作臺(tái)左側(cè)繞X軸扭轉(zhuǎn)）；動(dòng)剛度測(cè)試指出工作臺(tái)的動(dòng)剛度偏低?？梢钥闯?，主軸10000轉(zhuǎn)時(shí)的共振受主軸箱和工作臺(tái)雙方面的影響，14000轉(zhuǎn)時(shí)的共振則主要受工作臺(tái)的影響。結(jié)構(gòu)改進(jìn)的主要方向?yàn)楸荛_10000轉(zhuǎn)和14000轉(zhuǎn)的共振、增加工作臺(tái)動(dòng)剛度，以及減小主軸箱、工作臺(tái)的振動(dòng)。

3.結(jié)論

本文以某立式加工中心為對(duì)象，進(jìn)行了綜合的動(dòng)力學(xué)測(cè)試與分析研究，主要包括：

1）明確并設(shè)計(jì)了對(duì)機(jī)床進(jìn)行綜合動(dòng)力學(xué)測(cè)試的流程和方法。

2）以該機(jī)床為對(duì)象，進(jìn)行了綜合的動(dòng)力學(xué)測(cè)試，獲取了其各動(dòng)力學(xué)參數(shù)。

3）對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，定位機(jī)床的薄弱環(huán)節(jié)并指出對(duì)機(jī)床進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方向。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：朱鐵軍（1983-），男，遼寧沈陽(yáng)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士研究生，沈陽(yáng)機(jī)床設(shè)計(jì)研究院實(shí)驗(yàn)室工程師，主要研究方向數(shù)控機(jī)床動(dòng)力學(xué)測(cè)試與研究、數(shù)控機(jī)床熱誤差測(cè)試與補(bǔ)償、數(shù)控機(jī)床測(cè)試軟件研發(fā)等。

（作者單位：沈陽(yáng)機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司）