基于模態(tài)分析優(yōu)化人機界面振動工裝

□ 呂 干 □ 傅立豐 □ 徐小兵 □ 陸 鈺 □ 靳光磊

施耐德電氣有限公司上海分公司 上海 201203

1 優(yōu)化背景

人機界面廣泛用于工業(yè)控制領(lǐng)域。面對各種復(fù)雜的工況,人機界面在使用中會出現(xiàn)機器安裝松脫、白屏、通信中斷等故障。這些故障的產(chǎn)生很大比例與前期設(shè)計有關(guān),所以在產(chǎn)品開發(fā)中,需要進行嚴(yán)格的操作環(huán)境模擬測試,即振動測試。為了最大程度減少產(chǎn)品振動測試的干擾,需要設(shè)計合理的工裝。

部分設(shè)計模型基于靜力學(xué)分析滿足結(jié)構(gòu)強度,但是在動力學(xué)方面存在一定的設(shè)計不足。筆者基于有限元模態(tài)計算結(jié)果及試驗驗證,對人機界面振動工裝進行分析和優(yōu)化,提供一種振動工裝的設(shè)計方法。

2 常用振動工裝架構(gòu)模態(tài)分析

模態(tài)分析主要用于計算結(jié)構(gòu)的振動頻率和振動形態(tài),判定在一定振動激勵下是否發(fā)生共振。

六面體鐵制工裝如圖1所示。這類架構(gòu)采用六個面板焊接而成,工裝制作工藝復(fù)雜,整體笨重。

▲圖1 六面體鐵制工裝▲圖2 T形鋁制工裝▲圖3 屬性設(shè)置

T形鋁制工裝如圖2所示。這類架構(gòu)由一個底板、一個立板及兩個支撐板組成,采用螺栓安裝,工裝制作相對簡單,質(zhì)量較輕。

建立兩種工裝的三維模型,去除圓角等細小的結(jié)構(gòu)特征。借助CREO有限元模塊導(dǎo)入模型,賦予零件材料屬性。屬性設(shè)置如圖3所示。由于模型形狀較為簡單,因此采用混合網(wǎng)格自動劃分。網(wǎng)格劃分如圖4所示。接合面分別處理為局部剛性連接和整面焊接。

▲圖4 網(wǎng)格劃分

在有限元仿真軟件中,對兩種工裝模型的前12階固有頻率及振型進行仿真計算。

六面體鐵制工裝模態(tài)分析如圖5所示。六面體鐵制工裝的一階固有頻率為376.6 Hz,振型為垂直于立方體六個面前后方向的振動。

▲圖5 六面體鐵制工裝模態(tài)分析

T形鋁制工裝模態(tài)分析如圖6所示。T形鋁制工裝的一階固有頻率為218.1 Hz,振型為垂直于立板前后方向的扭動。

▲圖6 六面體鐵制工裝模態(tài)分析

3 工裝測試驗證

對于工裝測試條件,依據(jù)EN/IEC 61131-2標(biāo)準(zhǔn),正弦振動掃頻為0～150 Hz,加速度為2g,g為重力加速度,振動激勵施加在垂直于板面的方向。

振動發(fā)生器發(fā)出0～150 Hz的正弦振動,通過測試工作臺施加至工裝上。工裝上的振動傳感器采集振動信號,通過軟件計算顯示,得到振動加速度波形。六面體鐵制工裝測試如圖7所示,結(jié)果如圖8所示。T形鋁制工裝測試如圖9所示,結(jié)果如圖10所示。

▲圖7 六面體鐵制工裝測試▲圖8 六面體鐵制工裝測試結(jié)果▲圖9 T形鋁制工裝測試▲圖10 T形鋁制工裝測試結(jié)果

從兩種工裝的測試結(jié)果可以看出,在0～150 Hz的正弦掃頻振動條件下,工裝上響應(yīng)的振動振幅相等,并且沒有發(fā)生共振現(xiàn)象。理論分析中,兩種工裝架構(gòu)的一階固有頻率皆在200 Hz以上,與試驗結(jié)果一致。因此,在150 Hz以內(nèi)正弦振動,兩種工裝架構(gòu)都不會產(chǎn)生共振,不會影響產(chǎn)品的振動測試。

4 振動工裝優(yōu)化

結(jié)合上述分析結(jié)果,從輕便和經(jīng)濟性出發(fā),筆者選擇T形鋁制工裝架構(gòu)進行進一步分析,分析分為加裝鐵板和改進開口尺寸兩方面。

4.1 加裝鐵板

T形鋁制工裝架構(gòu)上安裝360 mm×280 mm×2 mm固定安裝板,開口尺寸為110.2 mm×80 mm。加裝鐵板T形鋁制工裝模態(tài)分析如圖11所示。一階固有頻率為68.6 Hz,振型為安裝板垂直方向振動。

▲圖11 加裝鐵板T形鋁制工裝模態(tài)分析

五階固有頻率下振型如圖12所示。五階固有頻率為217.8 Hz,振型在該頻率下顯示為整體前后振動。

▲圖12 加裝鐵板T形鋁制工裝五階固有頻率下振型

由此可以看出,安裝鐵板是振動工裝設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié),決定了工裝振動特性。

4.2 改進開口尺寸

T形鋁制工裝架構(gòu)上改進固定安裝板開口尺寸為192 mm×132.5 mm。第一種改進開口尺寸T形鋁制工裝模態(tài)分析如圖13所示。一階固有頻率為77.8 Hz,振型為安裝板垂直方向振動。

▲圖13 第一種改進開口尺寸T形鋁制工裝模態(tài)分析▲圖14 第一種改進開口尺寸T形鋁制工裝五階固有頻率下振型▲圖15 第二種改進開口尺寸T形鋁制工裝模態(tài)分析

五階固有頻率下振型如圖14所示。五階固有頻率為216.8 Hz,振型在該頻率下顯示為整體前后振動。

T形鋁制工裝架構(gòu)上改進固定安裝板開口尺寸為255 mm×185 mm。第二種改進開口尺寸T形鋁制工裝模態(tài)分析如圖15所示,一階固有頻率提升至92.4 Hz。

五階固有頻率下振型如圖16所示。五階固有頻率為217.2 Hz。

▲圖16 第二種改進開口尺寸T形鋁制工裝五階固有頻率下振型

T形鋁制工裝一階固有頻率與開孔比例關(guān)系如圖17所示。

由圖17可見,開口長度與安裝板長度比值越大,共振頻率越高,振動特性越好。

▲圖17 T形鋁制工裝一階固有頻率與開孔比例關(guān)系

5 優(yōu)化后振動測試驗證

搭建振動測試試驗臺,對T形鋁制工裝架構(gòu)安裝360 mm×280 mm×2 mm固定安裝板,開口尺寸為255 mm×185 mm進行振動測試。振動測試試驗臺如圖18所示,振動測試波形如圖19所示,得到一階固有頻率為92.5 Hz,仿真結(jié)果為92.4 Hz,誤差為0.1%,基本一致。

▲圖18 振動測試試驗臺▲圖19 振動測試波形

6 改進安裝板板厚

在T形鋁制工裝架構(gòu)上安裝不同板厚的固定安裝板,平面尺寸為360 mm×280 mm,開口尺寸為255 mm×185 mm。不同安裝板板厚對應(yīng)的一階固有頻率及振型見表1。

表1 不同安裝板板厚對應(yīng)一階固有頻率及振型

安裝板板厚與T形鋁制工裝一階固有頻率關(guān)系如圖20所示。板厚與一階固有頻率呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,板厚達到3.5 mm時,一階固有頻率超過測試最高頻率(150 Hz)。

▲圖20 安裝板板厚與一階固有頻率關(guān)系

7 結(jié)束語

六面體鐵制工裝和T形鋁制工裝架構(gòu)固有頻率均高于200 Hz,對人機界面振動測試沒有影響。從制作成本、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度考慮,優(yōu)先選擇T形鋁制工裝。

安裝板是影響振動的最大因素。經(jīng)試驗驗證,安裝板板厚越大,共振頻率越高。開口長度與安裝板長度比值越大,共振頻率越高。采用合適的板厚及開口長度與安裝板長度比值,可以提高共振頻率,避免測試過程的劇烈振動。