CK5116數控立式車床振動系統動態特性的確定*

殊海燕

(甘肅省機械科學研究院甘肅省先進設計技術應用研究創新團隊，甘肅蘭州730030)

數控車床的振動問題，包括受迫振動與自激振動，嚴重影響著機床的加工精度與加工效率，已成為產品研發過程中必須考慮的一個關鍵問題。現階段生產中研究機床動態特性的方法，主要是通過對實際機床或模型做激振試驗，找到影響動剛度的薄弱環節，以改進結構設計，或安設有效的減振裝置。振動實驗尤其是整機振動實驗是解決機床振動問題的一種重要手段，通過機床的整機振動實驗可以評價機床的抗振性能，可以檢驗振動理論分析的正確性，可以發現機床潛在的振動問題，可以為機床的動態優化設計提供重要的分析數據［1－3］。

模態測試是數控機床振動實驗的重要組成部分，可以通過模態測試獲得機床整機系統的固有頻率、模態振型和阻尼比。進一步在模態測試中利用振幅和相位隨激振頻率的變化還可以獲得系統的動態特性參數。利用這些參數可以對機床整機系統的抗振性做出綜合評價，另外模態測試還可以校驗機床整機模態分析的正確性，從而創建出可以精確預估機床整機動力學特性的力學模型。

1 數控機床整機模態測試的基本原理

對于數控機床整機進行模態測試，需要在明確模態測試原理的基礎上組建模態測試系統，并按照相應的流程進行測試。

1.1 實驗模態分析的原理

應用實驗模態分析的方法可以測試出機床整機的固有頻率、阻尼比和模態振型。實驗模態分析是利用系統輸入與輸出之間的關系，確定系統的固有特性，測試時主要獲得系統的頻響函數，通過對頻響函數的分析來獲得各種振動特性參數，測試獲得的頻響函數為

其中:X為響應，可以是位移、速度和加速度;H為頻響函數矩陣;F為激振力。

測試時通常用加速度傳感器測響應，用力傳感器測出激振力，用分析軟件繪制出各通道頻響函數曲線，最后通過分析頻響函數獲得固有頻率、阻尼比和模態振型等重要數據。

由頻響函數矩陣的物理特性可知，在做比較簡單的測試時，通常只需獲得頻響函數矩陣的一行或一列，即可獲知系統的固有特性。由此，對應兩種測試方法，分別是單點拾振法(對應頻響函數的一行)和單點激振法(對應頻響函數的一列)。

1.2 機床振動系統動態特性參數的確定

所謂機床的動態特性，一般是指機床在一定激振力下振幅和相位隨激振頻率而變化的特性。分析或判定機床動態特性的主要指標有［4］:

(1)固有頻率fn或者固有角頻率ωn;

(2)阻尼比ξ=r/rc，r為阻尼系數，rc為臨界阻尼系數;

(3)當量靜剛度 K=F/2ξAmax。K為激振力，Amax為共振振幅;

2 CK5116數控立式車床整機模態的測試

2.1 模態測試系統

按照激振方式的不同，模態測試方法可以分為錘擊法、基礎激勵、激振器激勵3種，對于數控機床整機測試系統，可考慮采用錘擊法和激振器激勵兩種形式組建模態測試系統。

以某機床廠生產的CK5116數控立式車床為例，采用錘擊法對其進行模態試驗。本次實驗采用北京東方振動和噪聲技術研究所的DASP模態測試系統，Inv9823系列加速度傳感器、YFF－6力傳感器型號以及DFC－2高彈性聚能力錘組成激振系統進行多點激勵單點響應的方法進行激振。所組成的模態測試系統如圖1所示。儀器連接測試系統如圖2所示。

2.2 模態測試過程

該機床主要由立柱、橫梁和底座等幾部分組成，為了模擬機床的實際工作狀態，在該機床正面共布置36個測點，原點導納位置為14點，側面布置22個測點，原點導納位置為16點，測點布置簡圖分別如圖3～4所示。

本次實驗主要對安裝放置狀態下的機床進行激振，測量激振力與響應，對采集到的激勵信號和響應信號做傳遞函數分析，按照標準的模態流程建立模態分析系統。

2.3 模態測試結果

利用DASP模態測試系統，對測試獲得的頻響函數采用頻域法進行模態擬合，綜合機床正面和側面的振型與固有頻率得到機床整機的模態參數，如表1所示。該機床常用的工作轉速為1 000～4 000 r/min，因此，應注重前幾階的模態影響，通過軟件獲得的模態振型如圖5所示。

表1 機床整機模態測試結果

從圖5所示的模態振型中可以看出，薄弱環節主要集中在立柱、底座處，而立柱沿y方向的振動是主要振動方向。修改結構時應著重考慮它們對機床整機動態特性的影響，把提高y方向的動剛度放在首位。

3 CK5116數控立式車床動態特性參數的確定

3.1 動剛度的測試數據

由于機床結構是由許多零、部件和大件組成的復雜系統，所以目前動剛度主要是通過對實際機床做動態激振試驗來得到［5］。動剛度測試和模態測試所用到的軟硬件相類似，在此也是采用力錘激勵，采用單點激勵多點響應的方法，使用力錘對整機靜止狀態下進行激勵，布點圖和模態測試一致。如圖6是試驗后繪出的幅頻特性曲線。

機床是一個多自由度振動系統，有多個固有頻率和相應的振型，由于機床結構的阻尼比較小(ζ≤0.1)，當各振型的固有頻率相差較大(大于20%)時，各振型間的相互影響很小，可以近似地認為各共振峰是離散而互不相關的。如圖6所示有7個共振峰，其共振頻率的差值均大于20%，因此，可以按單自由度系統分別求出每個振型的固有頻率、阻尼比、當量靜剛度、動剛度以及動柔度。根據機床模態分析得出的動態參數以及機床振動系統動態特性參數的公式得出表2所示的CK5116數控立式車床的動態特性參數。

表2 CK5116數控立式車床動態特性指標參數值

從上述動態特性的主要指標中可看出，系統的動剛度取決于系統的靜剛度、激振力的條件(激振力的大小、頻率)和系統本身的其他固有條件(質量m、阻尼比ξ及固有角頻率ωn)等。因此，為分析判斷機床的動態特性提供了依據。

4 結語

數控機床整機模態測試是研究機床抗振性，優化機床結構的基礎和依據。本文將理論分析與做動態特性的測試相結合，對CK5116數控立式車床進行了測試與分析，主要結果如下:

(1)討論了數控機床整機模態測試的原理以及搭建模態測試系統時應該考慮的主要要素，包括激振設備、數據采集和測試結果的分析工具等。

(2)對某機床廠生產的CK5116數控立式車床進行了模態以及動剛度的測試，詳細敘述了測試系統的組成及測試過程，獲得了該機床整機的固有頻率、模態振型、阻尼比、動剛度以及動柔度等動態特性參數，為分析判斷機床的動態特性提供了依據。

(3)通過模態測試發現，該機床的立柱沿y方向的振動是該機床的薄弱環節，導致y方向動剛度顯著降低。在綜合分析的基礎上，提出在立柱內增設加強筋的方式來提高機床整機系統的動態特性，為優化該機床的結構、提高抗振性能提供依據。

［1］王學林，徐岷，胡于進.機床模態特性的有限元分析［J］.機床與液壓，2005(2):48－50.

［2］董旭，高鐵紅，靳迎波，等.基于有限元方法的并聯機床模態分析［J］.北華航天工業學院學報，2008，18(5):11－14.

［3］劉春時，孫偉，李小彭，等.數控機床整機振動測試方法研究［J］.中國工程機械學報，2009，7(3):330－335.

［4］現代實用機床設計手冊編委會編.現代實用機床設計手冊/上冊［M］.北京:機械工業出版社，2006.

［5］趙宏林，黃玉美，張文合，等.機床整機綜合特性的預測［J］.制造技術與機床，1998(3):12－14.