數控轉塔沖床橫梁的模態分析與實驗研究

柏甫榮

(揚州大學機械工程學院，江蘇 揚州 2 2 5 1 2 7)

數控轉塔沖床橫梁的模態分析與實驗研究

柏甫榮

(揚州大學機械工程學院，江蘇 揚州 2 2 5 1 2 7)

本文采用有限元分析軟件A N S Y S對數控轉塔沖床的關鍵部位橫梁進行有限元模態分析，并進行了振動測試實驗研究。通過有限元分析結果與實驗測試結果的比較，判斷橫梁結構模型是否最優，能否準確模擬實際結構的動態特性，為數控轉塔沖床橫梁機構的設計提供科學的依據。

數控轉塔沖床；橫梁；有限元分析；模態分析

數控轉塔沖床是金屬板材沖壓加工的關鍵設備，具有高效率、高自動化、生產成本低、能夠自動換模、柔性化高等特點，在板材加工行業得到了越來越廣泛的應用。由于數控轉塔沖床公稱壓力大、沖壓頻率高，且進給速度快，在設備運行過程中，往往會引起運動部件的抖動，甚至造成關鍵部位的變形，影響數控轉塔沖床的可靠性、穩定性和加工精度，因此對數控轉塔沖床橫梁的模態分析與振動測試實驗研究具有重大意義。

1 數控轉塔沖床橫梁的模態分析

模態分析用于確定機器部件或機械機構的振動特性，即部件或結構的固有頻率和振型，它們是動態載荷結構設計中十分重要的參數，為振動特性的分析、振動故障的診斷以及結構動力特性的優化設計提供科學的依據；與此同時，模態分析也可以作為其它動力學問題分析的起點。

圖1 數控轉塔沖床橫梁模型

橫梁系統是數控轉塔沖床的主體部件，主要部分包括橫梁、傳動系統和其它附屬機構，如圖1所示。橫梁是由鋼板焊接而成的箱型結構，橫梁內固定有橫置的加強筋板和縱置的內部隔板。整個橫梁由4個滑塊支承，并通過滑動導軌與機床床身相連接。數控轉塔沖床的橫梁在進行模態分析時，首先在S o l i d w o r d s中建立三位模型，然后將其導入A NS Y S中進行有限元分析。分析時對數控轉塔沖床橫梁系統結構進行了簡化處理，略去橫梁附屬機構和傳動系統（拖鏈、滾珠絲杠等）；橫梁主體、內部加強筋和縱置隔板采用S o l i d 4 5單元，橫梁與床身間的導軌結合部采用彈簧—阻尼單元c o mb i n e 1 4。

表1 數控轉塔沖床橫梁固有頻率和振型

由于數控轉塔沖床橫梁高階模態對橫梁動態性能影響較小，因此本文主要進行低階模態的分析，選取橫梁的前五階固有頻率來進行分析，這樣一來既能得出對橫梁結構影響較大的固有頻率跟振型，也能提升求解速度。由A NS Y S S o f t w a r e計算出的橫梁結構前五階固有頻率，如表1所示。

從數控轉塔沖床橫梁的固有頻率和振型云圖可以看出：第四階振型為X方向振動；第一、二、三階振型為Y方向彎曲振動；第五階振型為Z方向振動。數控轉塔沖床橫梁的低階振型都集中在Y方0向，而Y方向的振動對數控轉塔沖床加工精度的影響較小；橫梁高階振型都集中在X方向，而高階振型對橫梁的動態性能影響較小，因此，原數控轉塔沖床橫梁的結構設計在頻率布局上基本符合設計要求。

2 橫梁的振動測試實驗研究

振動測試原理是通過傳感器、傳感器配套的放大器以及顯示或記錄儀器儀表，測量運動的工程結構或機械結構在外界激勵（包括環境激勵等）或運行工作狀況中的重要零部件的位移、速度、加速度等運動量參數，從而了解機械結構或工程結構的工作狀況。從廣義地來說，通過對運動量的測量，我們可以了解機械結構或工程結構的動態特性，如固有頻率、振型、阻尼系數以及剛度等特性參數。

如果僅對數控轉塔沖床橫梁進行有限元模態分析，不能確定分析結果的正確性，需要與振動測試實驗相結合，以獲得能夠準確反映橫梁結構實際運行時候的動態特性分析模型。數控轉塔沖床橫梁結構是屬于由多種環節結合的復雜結構系統，使用振動測試的分析方法研究橫梁的動態特性，必須先分析橫梁結構的特點，使其可以滿足線性、定常、空間離散化等假設的條件。

本文數控轉塔沖床橫梁結構的跨度為2 m，屬于中型的結構，采用力錘敲擊激勵的方法可以實現結構的完全激振，獲得各測量點上的響應信號，使用傅里葉變換得到橫梁的各階固有頻率。進行模態實驗測試時，將測試用的加速度傳感器放置在橫梁結構的有效測試點，然后通過Y E 5 8 5 0型電荷放大器與A Z 2 1 6 R數據采集系統將加速度信號傳遞到電腦上；最后通過A d C r a s和S s C r a s進行分析，獲得信號的頻率。為了保證測試結果的準確，在試驗前需對各個加速度傳感器、對應的傳感器放大器進行標定作業。由于橫梁結構及振動過程的復雜性，以及加速度傳感器本身的結構限制，使得測點布置變得相對復雜。一般情況下，測點的布置應該能夠很好地反映結構的振動特性，避免與結構的節點有重合情況；還需要考慮便于傳感器的安裝等限制條件。在進行錘擊測試時，錘擊時間要盡量短，每一次錘擊的方向要盡量與測試表面垂直，并且要掌握好錘擊力度，防止信號出現過載的情況。

經過實驗研究，數控轉塔沖床橫梁的加速度信號和頻譜通過頻譜分析所得橫梁固有頻率。

3 有限元分析結果與實驗結果比較

采用有限元分析和振動測試實驗分析兩種方法來分析數控轉塔沖床橫梁結構的動態特性，結果雖然有一定的差異，但是，測試結果相互補充的作用還是比較明顯的。比如振動測試方案的設計、傳感器的位置分配、采樣頻率設置以及其它參數的設置等均需要參考有限元分析的結果；與此同時，振動測試實驗分析結果對有限元分析方法的修正作用更是比較明顯的。因此，只有把有限元分析測試方法和振動測試實驗測試方法有機地結合起來，才能夠得到更加、精確合理的測試結果。

通過比較數控轉塔沖床橫梁有限元分析結果和振動測試實驗結果，得到橫梁固有頻率的有限元分析計算值和振動測試實驗值的誤差基本保持在1 0%之內，測試結果表明有限元分析結果可以基本反映數控轉塔沖床橫梁結構的動力特性，所建立的有限元模型與實際情況相符合，計算結果可信。

4 結語

本文以有限元分析軟件A NS Y S為工具平臺，對數控轉塔沖床橫梁進行了模態分析，并通過振動測試實驗，得到數控轉塔沖床橫梁的固有頻率，將橫梁的有限元分析結果與振動測試實驗結果進行比較分析，通過振動測試實驗結果論證橫梁有限元建模的合理性，最終確定正確的橫梁有限元模型。本文通過對數控轉塔沖床橫梁的模態分析和實驗研究，為數控轉塔沖床橫梁系統的設計提供了科學的計算依據和研究方法。

[1]于衛紅. 數控轉塔沖床橫梁結構的分析與優化設計[J]. 南京師范大學學報，2 0 1 0,1 0(2):2 1~2 6.

[2]劉振堂. 數控轉塔沖床發展新進展[J]. 鍛壓裝備與制造技術，2 0 0 3(3):2 3~2 5.

[3]季忠，高訓濤，孫勝，王洪新. 閉式數控壓力機機身動態響應分析[J]. 鍛壓機械，2 0 0 1,3 6(1):3 8~4 0.

[4]王學林，李修平，胡于進. 高速加工中心的有限元分析[J]. 機械與電子，2 0 0 5(7)5 2~5 4.

[5]張憲棟，徐艷申，林漢元. 基于F E M的數控機床結構部件靜動態設計[J]. 機械設計，2 0 0 5,2 2(5):4 6~4 8.

[6]陳琪，高建和，吳宏祥，徐長奎. 數控轉塔沖床機身模態分析與優化設計[J]. 鍛壓裝備與制造技術，2 0 1 1(4):2 0~2 3.

[7]朱曉靖，盧炎麟，王毅，傅建鋼. S K R-4 D L型繞線機箱體的模態分析和振動測試[J]. 輕工機械，2 0 0 8,2 6(5):7 5~7 7.

T G 3 8 5

A

1 6 7 1-0 7 1 1（2 0 1 7）0 2（下）-0 1 2 0-0 2