2017年5月23日

關于立式加工中心動態特性的試驗研究

1基于模態試驗的動態特性分析1.1試驗方案模態試驗是研究結構動態特性的有效手段之一[1]，合理的試驗方案有助于模態試驗的開展。因此，對 KVC800立式加工中心進行模態試驗時，首先需要確定出較為合適試驗方案。該加工中心結構主要由工作臺、床身、立柱、主軸箱等組成，工作臺作縱向進給，床鞍作橫向進給，主軸箱作垂向進給運動，三個進給方向導軌均為矩形導軌，電機帶動滾珠絲杠通過導軌實現三個方向的運動。試驗過程中采用采用單點激勵多點響應開展模態測試，根據KVC800立式加工中心的結構特點，通過Ansys有限元模態分析，獲取加工中心的主要振型，以此為依據，確定激振點與響應點的布置方案。工作臺激勵點布置在其振型較大的四個角點中任一角點附近；床身激勵點則布置在其振型變化大的上半部分右側面；立柱部分激勵點施加在其振型變化明顯的上右側面；主軸箱部分由于其結構特點，將激勵點布置在有較明顯振動的底部主軸的圓柱面上。以有限元分析結果為指導，并考慮加速度傳感器以及數據采集通道的數量來布置響應點，避免大量試驗的盲目性。工作臺響應點主要布置在其上表面的四個頂點處；基于響應點不布置在對稱面的原則，床身響應點則分布在其右側面的四個頂點以及前面上端的兩頂點處；立柱響應點主要分布在右側面四角點和頂部兩點；考慮到主軸箱屬于薄壁結構，它的響應點則布置在下端主軸的兩個圓柱面上，空間呈90°夾角來布置兩測點。1.2測試系統采用丹麥B&K測試系統開展模態測試。整個模態測試分析系統如圖1所示，主要由激勵系統、數據采集系統、數據處理系統三部分組成。圖1模態測試分析系統試驗中的激勵系統通過8206-002型脈沖力錘(圖2a)施加激勵，該型號的力錘承受的壓力范圍為 0?2200N。根據測試需求，力錘可選用不同的錘頭，力錘錘頭匹配數據表如表1所示。由于KVC800立式加工中心主軸的工作轉頻范圍為10~6000r/min，試驗過程中關注100Hz以內的固有頻率，因而選用橡膠錘頭，并且安裝配重，以產生比較大的沖擊力從而激發出更多模態，使能量分散在比較寬頻率范圍內[2]。表1力錘錘頭匹配數據表錘頭材質頻率范圍脈沖時間壓力范圍鐵 0?7kHz 0.20ms 500~5000N 塑料 0?2kHz 0.57ms 300~1000N 橡膠 0?500Hz 2.7ms 100~700N 為了獲得各個方向的完整模態信息，每個響應點布置三個方向的加速度傳感器，由自制底座將3個單向傳感器組合而成(如圖2b)。試驗中由力傳感器和加速度傳感器測得信號經過丹麥BK數據采集器(如圖2c) 和MTC Hammer模態測試軟件采集和儲存，再由Reflex模態分析軟件進行模態分析。1.3參數設置測試過程中，首先設置好采集通道中的力錘激勵力信號以及加速度響應信號，在軟件中按比例建立好加工中心各部件的簡化模型，完成激勵點、響應點位置和方向的選擇。還需確定以下各參數來完成試驗，并確保試驗質量。1) 分析頻率許多文獻指出，機床的前幾階模態主要集中在低頻階段，且基本上決定了整機的動態特性[4-5]。影響加工中心性能的頻率范圍主要是低頻段，本文主要關注100Hz以內的頻段，故設定的分析頻段為0?100Hz。2) 米樣頻率根據采樣定理，采樣頻率必須大于信號的最高分析頻率的兩倍，方可保證離散信號能惟一恢復到原連續信號而不失真[6]，實際測試中常常將采樣頻率略為放大。本次測試采樣頻率為2048Hz。3) 平均次數為了減少噪聲干擾，提高頻譜分析的精度，試驗采用多次敲擊，對采樣數據進行平均化處理來計算頻響函數，試驗中平均次數設置為5次。4) 力錘觸發設置設置合理的觸發方式對于瞬態信號的捕獲有很大的作用。根據表1所提供的力錘匹配數據，對應的添加附加質量的橡膠錘頭，激勵力應設置在100?700N之間，結合操作者力度的大小，以及試驗中多次的試敲，將120N設置為其激勵力閾值，當力錘敲擊力大小超過120N時產生激勵力。5) 窗函數選取分析處理響應信號時需要截斷信號，往往易帶來截斷誤差，截取的有限長信號不能完全反應出原信號的頻率特性，所以需要添加窗函數來減小誤差[7]。由于力的持續時間短，在其后的剩余時間，任何噪聲都是不希望的，所以激勵信號加力窗以減小噪聲的影響，響應信號加指數窗以減小泄漏誤差。1.4結果分析采用頻域總體曲線擬合法對模態參數進行自動識別[8-9]，加工中心工作臺、床身、立柱以及主軸箱四個部分的模態分析結果見圖3。 2 基于升速過程瀑布圖的動態特性分析及對比驗證手動開啟精工加工中心至最高轉速，試驗過程中主軸最高轉速設置為5500r/min，利用B&K測試系統的 Labshop數據采集與分析模塊對整個升速過程的振動信號予以記錄，并進行了瀑布圖分析，瀑布圖中的突變點反映了加工中心的各階固有頻率[10]。在加工中心工作臺、床身、立柱以及主軸箱分別測得的振動信號分析所得瀑布圖，如圖4所示。從模態圖與瀑布圖中篩選相互對應的模態頻率并加以對比，如表2所示。表2模態試驗與升速瀑布圖所得模態頻率對比(單位：Hz) 模態試驗升速瀑布圖誤差率/°% 46.43 50 7.14 丄坐口 _ 67.25 64 5.08 52.62 50 5.24 床身 " 60.88 64 4.88 48.80 50 2.4 立仕 ■ 67.36 64 5.25 47.69 50 4.42 土軸相 62.92 64 1.69 由表2可知，50Hz和64Hz為整機的固有模態，在實際加工工件過程中，應盡量避免50Hz及64Hz的工作轉頻，即3000r/min和3840r/min的主軸工作轉速。3結論1) 利用丹麥B&K測試系統，采用單點激勵多點響應，對KVC800立式加工中心主要部件工作臺、床身、立柱和主軸箱開展了模態測試，從試驗方案、測試系統、參數設置和結果分析幾方面探討了試驗過程的開展，獲取了各主要部件的模態參數。2) 利用B&K測試系統對加工中心整個升速過程的振動信號予以記錄，并進行了瀑布圖分析，并從中獲取模態信息，與試驗模態測試結果進行了對比驗證。3) 通過模態測試分析與升速過程瀑布圖分析，獲知50Hz和64Hz為加工中心整機固有頻率，實際使用過程中應避開3000r/min和3840r/min的主軸工作轉速，為加工中心的優化運行提供了可靠依據。本文由海天精工整理發表文章均來自網絡僅供學習參考，轉載請注明！

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