某立式加工中心的動力學測試和結構分析研究

朱鐵軍 吳玉亮

摘要：機床切削能力的高低在很大程度上受動態(tài)性能的影響。本文對某立式加工中心進行了一系列的動力學測試，獲得其共振頻率、阻尼比、模態(tài)振型、動剛度的動態(tài)特性，并對動態(tài)特性進行了分析研究以定位機床在動態(tài)性能上的薄弱環(huán)節(jié)。

關鍵詞：立式加工中心；動力學測試；結構分析；動態(tài)性能

前言

機床的動態(tài)性能指的主要是機床的振動特性，或者說機床抵抗振動的能力，其主要參數(shù)包括振動速度、動剛度、固有頻率、阻尼比、模態(tài)振型等。對動態(tài)性能的優(yōu)化就是對機床抗振性和切削穩(wěn)定性的提升[1]。本文以某立式加工中心為例，綜合運用多種動力學測試方式對其進行分析試驗，在測試的結果上找出機床的薄弱環(huán)節(jié)并指出改進方向。

1.機床的動力學測試

1.1測試方案

首先對機床作空轉振動測試，檢測并排除可能存在的主軸動平衡問題，獲取機床當前的振動數(shù)據(jù)；接下來作部件和整機的模態(tài)測試，獲取機床的共振頻率、阻尼比、模態(tài)振型，初步掌握機床的動態(tài)特性，為機床的結構優(yōu)化與調整提供基礎數(shù)據(jù)和參考信息；最后作動剛度測試，獲取機床各部件的動剛度值，了解其抗振性。

1.2主軸空轉振動測試

“振動”可以理解為測試點的絕對位置改變的“快慢”或“劇烈”的程度[2]。振動對應的物理量有位移、速度、加速度三種。通常低頻時，注重的是振動位移帶來的破壞，即疲勞強度的破壞，主要與位移成正比；中頻注重的是振動部件的疲勞，主要與速度成正比；高頻時注重的是能量的沖擊及共振的影響，主要與加速度成正比。因此這里采用振動速度的有效值來衡量機床的振動量。進行測試的目的主要是為了排除可能存在的動平衡問題，并對機床當前的振動情況有個初步的了解。

該機床的設計標準為轉速不大于20000rpm時，主軸振動不大于1.5mm/s。從結果來看，在整個轉速范圍內振動值并未超標，僅在大約10000rpm和14000rpm的時候振動偏大，這是典型的結構共振現(xiàn)象；進一步觀察振動曲線，發(fā)現(xiàn)也不存在主軸某個方向振動過大的問題，且6000rpm和12000rpm時振動量也不大，初步可判斷主軸系統(tǒng)并不存在動平衡/不對心/組件松動等問題。

1.3模態(tài)測試和動剛度測試

物體的振動方式通常是用頻率、阻尼比和模態(tài)振型等參數(shù)來描述的，而模態(tài)分析就是用來識別出這些參數(shù)的手段。動剛度指的是機床結構在受到一定的動態(tài)載荷時的動態(tài)位移，與被加工工件的表面形狀和抗顫振特性密切相關。模態(tài)測試和動剛度測試通常用來為結構動力特性的優(yōu)化設計提供依據(jù)。

測試采用錘擊法，單點輸入多點輸出、錘擊點固定、傳感器移動。機床分五部分分別建模：床身、滑鞍、工作臺、立柱和主軸箱。按照能表征出結構的大致形狀特征以及所有感興趣的模態(tài)的規(guī)則布置了共99個測點。測試時分別測試了工作臺自由模態(tài)、主軸箱自由模態(tài)、立柱自由模態(tài)和整機模態(tài)，測試自由模態(tài)時需將被測鑄件用彈性繩懸吊。測試現(xiàn)場、模型及測點如圖2。

整機的模態(tài)測試結果如表1。

根據(jù)模態(tài)振型對測試結果進行分析：300hz以下時，主軸箱為主要振動部件；300hz到500hz時，工作臺為主要振動部件；500hz以上時，床身開始振動。

在床身、工作臺、立柱、主軸箱上分別取點，將對應點的頻響曲線積分兩次，得到動柔度曲線，觀察動柔度曲線，可發(fā)現(xiàn)工作臺的動柔度最高，達到了0.14e-6m/N，遠高于床身的0.06e-6m/N，也就是說工作臺的動剛度有些低。

2.測試結果分析和結構弱點定位

主軸空轉振動時測得機床的共振主要出現(xiàn)在主軸轉速10000轉和14000轉的時候，其對應的自激頻率為166.6hz和233.3hz；模態(tài)測試指出，主軸箱的固有頻率包含158hz（主軸箱繞y軸旋轉帶有扭轉）及241.03hz（主軸箱繞X軸旋轉）；工作臺的固有頻率包含327hz（工作臺左側繞X軸扭轉）；動剛度測試指出工作臺的動剛度偏低。可以看出，主軸10000轉時的共振受主軸箱和工作臺雙方面的影響，14000轉時的共振則主要受工作臺的影響。結構改進的主要方向為避開10000轉和14000轉的共振、增加工作臺動剛度，以及減小主軸箱、工作臺的振動。

3.結論

本文以某立式加工中心為對象，進行了綜合的動力學測試與分析研究，主要包括：

1）明確并設計了對機床進行綜合動力學測試的流程和方法。

2）以該機床為對象，進行了綜合的動力學測試，獲取了其各動力學參數(shù)。

3）對測試結果進行分析，定位機床的薄弱環(huán)節(jié)并指出對機床進行結構優(yōu)化的方向。

參考文獻

[1] 黃志堅，高立新，廖一凡 機械設備振動故障檢測與診斷[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2010.

[2] 李有堂. 機械振動理論與應用[M] . 北京：科學出版社，2012.

[3] 應申舜，林綠高，計時鳴. 基于模態(tài)參數(shù)驗證的機床結構件優(yōu)化設計[J]. 浙江大學學報（工學版），2018，52（10）：1880-1887.

作者簡介：朱鐵軍（1983-），男，遼寧沈陽，哈爾濱工業(yè)大學碩士研究生，沈陽機床設計研究院實驗室工程師，主要研究方向數(shù)控機床動力學測試與研究、數(shù)控機床熱誤差測試與補償、數(shù)控機床測試軟件研發(fā)等。

（作者單位：沈陽機床（集團）有限責任公司）