機床模態測試技術的應用

摘 要：機床的模態測試技術應用越來越廣泛，機床模態測試技術主要應用方向為：建立機床的動力學模型進行動態特性分析、機床的穩定分析以及在線監測。對現在常用到的模態測試的原理進行了介紹。機床模態測試技術主要包括三方面內容：激勵、測量和分析，由實測激振力和振動響應求出頻率響應函數后，根據頻率響應函數與模態參數之間的關系式，經過分析計算振動系統的模態參數，建立機床的動力學模型，用于對機床進行動力學分析。對機床模態測試技術的應用進行了總結，對機床模態測試的流程進行闡述。

關鍵詞：機床 模態測試 應用 實施

中圖分類號：TV31 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（a）-0065-02

Abstract： Machine tool modal testing technology is applied more and more widely；this paper summarizes three major application direction of the machine tool modal testing technique： dynamic analysis of the dynamic characteristics of machine tools，machine tool stability analysis and on-line monitoring.This paper introduces the principle of the common mode test.The modal testing technology of machine tool has three basic aspects：incentive，measurement and analysis，from the measured vibration force and vibration response for frequency response function，basing on the frequency response function and the modal parameters of the basic relations，through analysis and calculation the modal parameters of the vibration system establish the dynamic model of the machine，that can be applied to the modal analysis of the machine tool.Summarizing the application of modal testing technology of machine tools，introducing the principle of modal testing， describing the process of modal testing of machine tools.

Key Words：Machine tools；Modal testing；Application；Implementation

隨著21世紀的到來，機床向著高轉速、高切削效率、高精度與高生產質量發展，縮短生產周期，提高生產穩定，以提高市場競爭力。數控機床整機動態性能測試是機床抗振性及加工性能穩定性研究的基礎，也是衡量機床性能好壞的重要標準。

模態測試主要要解決三大類問題，一是對機床建立合理有效的模型，進行動態特性分析，達到優化設計的目的。二是試驗與理論分析相結合的組合結構分析，以能如實反應機床的真實工況模型為基礎，分析機床的加工的穩定性，改善產品的抗振性能，對生產實踐具有指導意義，并提高經濟效益[1]。三是在線監測，對數控機床振動、壓力、溫度等狀態信號的檢測，進一步對機床性能進行分析并進行故障的診斷。

1 機床模態測試技術的原理

1.1 機床的模態測試模型

2 機床模態測試技術的實施

2.1 機床模態技術的測試系統

無論要解決哪類問題都得對機床實物建立機床的動力學模型，一般都要用實驗設備進行采樣、數據分析，進行模態參數實別，得到所要的模態參數[2]（頻率、剛度、阻尼），完成機床模型的建立，從而進行機床進行動力學分析。

機床模態測試技術首先要明確解決的問題，分析現有問題，確定實驗方案，針對局部測試實驗還是整機測試。常采用脈沖激勵法，即錘擊法。常見的成套振動測試系統有丹麥的B&K、國內東方所的DASP等[3、4]，可根據自身的定位與要求購置合適的設備。選擇與布置傳感器、確定激振器（力錘、電磁或電液等激振器）和搭接機床-實驗設備的測試系統。模態測試采用單點激振多點響應的方法，加速度傳感器依次布置在銑床的立柱、主軸箱、工作臺和床身上，連接數據采集分析系統和筆記本電腦，分別測定對應不同工作轉速狀態下，主軸箱、進給工作臺等關鍵部位的響應情況，組成的模態測試系統實驗原理與裝置見圖1。根據實驗方案，完成數據采集、數據存儲、測試數據分析與專用軟件分析等工作，獲得各階固有頻率、阻尼比和振型等模態參數。

2.2 建模

根據要解決問題建立動力學模型，或是建立動力學模型修正后的有限元模型，對機床進行分析與研究。

對于在線監測，主要有由分析軟件完成采樣數據分析處理的過程，對機床運行狀態數據進行長期的積累，這些數據對未來的機床維護工作將起到重要作用。依據分析系統、軟件與硬件的配備不同，市場上與科研成院所有很多不同的產品。

3 結語

機床模態測試技術是綜合運用線性振動理論、動態測試技術、信號處理方法和參數識別等手段，進行系統辨識的過程。機床模態測試技術主要包括三方面內容：激勵、測量和分析，對機床實施激振力，獲得機床的頻率響應函數，經過分析計算獲得機床的模態參數與振型，從而建立機床的動力學模型，對機床的動力學性能進行分析，它是現在最常用到的一種機床模態測試技術，對現在常用到的模態測試的原理進行了介紹，對機床模態測試的流程進行了闡述。

參考文獻

[1] 孫孟琴，王立臣.球頭銑刀動力學模型及其銑削加工穩定性的研究[J].機床與液壓，2012，40（9）：52-54.

[2] Sun Mengqin.Key Points of Vibration Diagnosis Technology on-site Operation[J]. Applied Mechanics and Materials，2014，3365（602）：2210-2212.

[3] 何俊杰.數控機床動態特性測試分析系統的研究與開發 [D].武漢：華中科技大學，2009.

[4] 唐一科，蔣劉義，陳國聰.機床振動測試分析系統開發[J].重慶科技學院學報（自然科學版），2011，13（2）：113-115.