數控轉塔沖床機身模態分析與優化設計

陳 琪，高建和，吳宏祥，徐長奎

（1.揚州大學 機械工程學院，江蘇 揚州 225127；2.江蘇金方圓數控機床有限公司，江蘇 揚州 225127）

數控轉塔沖床機身模態分析與優化設計

陳 琪1，高建和1，吳宏祥2，徐長奎2

（1.揚州大學 機械工程學院，江蘇 揚州 225127；2.江蘇金方圓數控機床有限公司，江蘇 揚州 225127）

采用有限元分析軟件ANSYS對數控轉塔沖床機身進行有限元模擬，并與實驗相結合，對其進行模態分析和優化設計，得到機身的最優結構模型。由分析可知，改進后的機身動態性能得到了極大提高。

機械設計；結構優化；數控轉塔沖床；模態分析

1 引言

模態分析是研究結構動力特性的一種近代方法，其為結構系統提供系統模態參數，為振動特性分析、振動故障診斷以及結構動力特性的優化設計提供依據。模態分析可分為理論模態分析和實驗模態分析。理論模態分析運用有限元法對振動結構進行離散化，建立特征值的數學模型，求出系統的固有頻率和振型。實驗模態分析首先利用實驗測得激勵和響應的時間歷程，再運用數字處理技術求出系統模態參數。

數控轉塔沖床是加工板材的精密機床，其加工精度、可靠性與機身有很大關系。機身是整機中質量和體積最大的零部件。因此，對其進行動態分析和優化設計是很有必要的。

2 數控轉塔沖床機身模態分析

數控轉塔沖床由兩塊主板、加強筋以及六個支撐焊接組成，六個支撐與地面通過螺栓緊固，如圖1所示。主板是機身的主要受力零件，其強度和剛度是衡量機身是否合格的標準，加強筋用于增加主板的強度與剛度。數控轉塔沖床模態分析時，在Solid－Works中建立三維模型，然后將其導入ANSYS中進行有限元計算。分析時，機身主板與加強筋部位做glue處理，采用Solid 95單元，螺栓結合部采用彈簧—阻尼單元。

數控轉塔沖床機身高階模態對機身動態性能影響較小，主要分析低階模態。經計算，機身前6階固有頻率如表1所示，振型如圖2所示。

表1 機身固有頻率與振型

從數控轉塔沖床機身固有頻率和振型圖可以看出：第三、五階振型為X方向的彎曲；第四階振型為Y方向的彎曲；第一、二、六階振型為Z方向的彎曲。數控轉塔沖床機身變形主要發生在機身的上半部分，下半部分變形較小，說明機身上半部分剛度不足，需要加強；下半部分剛度較大，可以適當減少材料。

3 數控轉塔沖床機身實驗分析

僅對數控轉塔沖床機身做有限元模態分析，不能確定分析的正確性，需要與實驗相結合，以獲得能夠準確反映結構實際運行時的動態特性分析模型。若有限元分析結果與實驗數據相一致，則說明模型結構是正確的，在此基礎上，可進一步優化設計；若有限元分析結果與實驗數據不一致，則修改模型，直到模型正確為止。

模態實驗可分為傳統模態實驗和工作模態實驗。傳統模態實驗建立在系統輸入輸出數據已知的情況下，利用激勵和響應的完整信息進行參數識別。實際實驗時，獲得輸入激勵信息是難以實現的，所以傳統模態實驗存在一定的局限性。本文采用工作模態實驗，工作模態實驗僅需測試振動響應數據，利用實時響應數據進行模態參數識別，此方法分析結果更加接近實際結構情況。方法無需輸入激勵信號，節約了測試費用。

模態實驗測試時，將加速度傳感器放置在機身測點上，測點分布如圖3所示。然后通過電荷放大器與數據采集箱將加速度信號傳遞到電腦上，最后通過分析獲得信號的頻率。經實驗，數控轉塔沖床機身加速度信號與頻譜如圖4～9所示。

（1）機身Z方向一階固有頻率（圖4）

（2）機身Z方向二階固有頻率（圖5）

（3）機身X方向一階固有頻率（圖6）

（4）機身Y方向一階固有頻率（圖7）

（5）機身Z方向三階固有頻率（圖8）

（6）機身Z方向四階固有頻率（圖9）

通過對采集信號進行處理，得到機身的主要模態參數：固有頻率。表2列出了機身實驗模態頻率以及有限元模態分析的固有頻率。

由表2可知，機身模態計算值和測試值誤差基本在5%之內，模型與實際情況相符合，計算結果可信，數控轉塔沖床機身有限元動力學模型正確。

4 數控轉塔沖床機身優化設計

通過對數控轉塔沖床機身進行模態分析，發現機身在載荷作用下，機身變形較大，剛度小，動態性能差，需要進行優化。本文以提高機身固有頻率為目標，機身強度和剛度為約束條件，對數控轉塔沖床機身進行優化設計，提高其動態特性。模態分析時，低階頻率對機身的影響比高階大，如果能夠提高機身的低階頻率，那么機身的動態性能將得到提高。

表2 沖床固有頻率實驗與計算對比

由機身模態振型云圖可以看出，機身前兩階頻率是Z方向的彎曲，說明機身在Z方向變形大，剛度小，對機身Z方向進行加強，將提高機身的一、二階固有頻率。觀察機身一、二階振型云圖，機身存在薄弱環節，在機身薄弱環節添加加強筋，如圖10～11所示，機身的固有頻率提高，振動將降低。

通過計算可得，當添加一塊加強筋時，機床一階頻率提高6.43Hz，二階頻率提高9.97Hz，其他頻率幾乎不變；當添加兩塊加強筋時，機床一階頻率提高10.65Hz，二階頻率提高15.36Hz，其他頻率幾乎不變，見圖12所示。由此可見，添加加強筋后機身一、二階固有頻率提高很多，而一、二階固有頻率對數控轉塔沖床機身的動態性能影響最大，達到了提高數控轉塔沖床動態性能的目的。

5 結語

本文采用有限元仿真技術，在ANSYS中進行有限元模擬，得到數控轉塔沖床機身的固有頻率，將仿真結果與實驗結果做對比，確定正確的模型。在模型正確的基礎上，以固有頻率為目標，對機身進行動態優化，得到滿意的機身設計結果。

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Modal analysis and optimized design for the frame of CNC turret punch press

CHEN Qi1，GAO Jianhe1，WU Hongxiang2，XU Changkui2
（1.Mechanical Engineering of Yangzhou University,Yangzhou 225127,Jiangsu China；2.Jiangsu Jinfangyuan CNC Machine Co.,Ltd.,Yangzhou 225127,Jiangsu China）

The frame of the CNC turret punch press has been simulated by use of ANSYS.Combining with the experiment,the modal analysis and optimized design have been conducted and the best structure of the frame has been obtained.The dynamic performance of the improved frame has been greatly raised through the analysis.

Optimized structure；CNC Turret Punch；Modal analysis

TG385.1

B

1672－0121（2011)04－0020－04

2011-04-21

陳 琪（1987-），女，碩士，從事數控沖床振動相關研究