臥式加工中心床身特性計算與測試分析

宋 博，龍燕燕

（廣西英華國際職業學院，廣西 欽州 535000）

臥式加工中心是一類重要的數控機床，其結構及工作特性不同于一般機床，通過應用先進的設計理念，不斷改進對系統的動態特性的研究方法。而床身作為加工中心的重要基礎件，其動態特性對加工精度和穩定性起著重要的影響作用。機床床身的動、靜態特性主要受結構設計尺寸和筋板布局形式的影響[1]。床身結構設計不合理，會引起各種變形和振動。

圍繞床身固有特性的研究方法，眾多專家學者在機床床身結構優化設計方面做了廣泛而深層次的研究[2-5]，而且對床身靜動態性能的研究也進行了探討。但是，這些研究僅僅是從建模仿真的角度進行計算，缺乏從動態試驗角度分析靜動態性能的影響。

以HMC80臥式加工中心床身為研究對象，通過ANSYS軟件分析床身的動靜態特性，結合模態試驗對比仿真與測試數據，找到了床身的薄弱環節，為下一步的優化提供了依據和指導。

1 床身模型簡述

HMC80型臥式加工中心整機主要部件包括床身、立柱、滑座、主軸箱、工作臺和刀庫6部分。加工中心整體結構采用SOLIDWORKS裝配，如圖1所示。床身作為整機的基礎支撐件，用于放置導軌、主軸箱等關鍵部件，采用T型封閉式箱體結構。床身前壁開矩形前窗，床身內以縱橫井字加強筋布局，加強筋和底板鑄有清砂孔，床身底部有用于固定的凸臺和螺栓孔。

圖1 HMC80臥式加工中心整機的CAD模型

2 床身結構剛度計算分析

機床剛度是指在切削力和其他力作用下，抵抗彈性變形的能力，其包含靜剛度和動剛度。數控機床由于其加工性能的要求，比普通機床的剛度要求更高。

數控機床在加工時面臨著6種不同的工作情況，在這6種不同的工作情況下其床身受力均不同，即機床的剛度也有很大的差異，為了保證機床在每一種工作情況下都能夠高精度高效率地安全工作，現在針對每一種不同的工作情況對床身剛度進行分析。

根據圖2中6種工況下的床身綜合變形情況可以看出，床身最大變形發生在工況1時，最大變形量為3.790 3μm，發生在床身與立柱的結合部。而且依據整機綜合應力云圖，應力最大情況發生在工況1，為0.429 25 MP，且只發生在立柱和主軸部位，遠小于材料的強度極限250 MP。床身變形量滿足靜剛度要求。

圖2 6種工況下的床身綜合變形

3 床身動態分析

加工中心動態特性涉及結構的剛度、阻尼、振動頻率和振型等多個方面，對加工中心動態特性的測試主要包括模態振型實驗和動剛度實驗等[6]。數控機床床身是其他零部件安裝的基礎，在對其剛度要求較高的同時，對其振動性也有很高的要求，為了確保工作精度，一般需要對機床的主要零部件進行模態分析，然后結合試驗進行數據對比，得出不同零部件在自由模態情況下的共振頻率，最終驗證仿真的準確度。

3.1 測試內容

模態測試的試驗設備有LMS公司的SCADA-III32通道數據采集系統、LMS公司的TEST.LAB數據分析軟件、LMS公司CADA-X振動模態分析軟件、LC-03沖擊力錘、CA-YD-186普通型振動加速度計、YE5857電荷放大器等，對HMC80臥式加工中心部件在自由模態下進行振動特性（固有頻率、模態阻尼比和振動模態）測試與分析。其測試系統框架如圖3所示。

圖3 HMC80臥式加工中心振動模態測試系統構成框圖

3.2 測試原理及方法

根據測試系統可知，當沖擊錘對部件或整機進行錘擊時，試件產生衰減的振動（阻尼使振動衰減）。經數據采集系統測試力錘和各測點的加速度響應時域信號。經數據處理可得沖擊錘的力譜和試件結構上的響應加速度譜。由于沖擊錘的力譜是寬頻帶的激勵譜，在試件結構上的響應是與激勵相對應的寬頻加速度譜。在數據處理后可得頻響函數（實部與虛部）。試件的模態參數（阻尼比和振型、固有頻率）可由試驗中的頻響函數經振動模態參數識別軟件包獲得。

3.3 測試過程

在對臥式加工中心進行振動模態測試試驗設計時，第一步需要根據床身零部件及整機的結構特點進行測點布置方案的確定，并在測點處安裝加速度計。測試開始前需要對系統進行調試和預試驗，具體方法為用力錘敲擊試件，測試在各測點處的加速度計響應狀態，以此來檢驗導線、力傳感器和加速度計的工作情況。力錘選用中頻段激振力錘（頻率響應范圍為521 Hz），慣量大（重量8 kg）的力錘。加速度傳感器選用低頻響應靈敏度高，抗干擾強的加速度傳感器。為了提高試驗的精度，在測試時需先選取能最大激起各階振形的測點作為錘擊點，反復錘擊3次以獲取其頻響特性，然后再依次測試其他測點的頻響特性。測試完后使用LMS CADX-X模態分析軟件包對每一個測點的頻響特性進行分析，綜合得出HMC80臥式加工中心零部件和整機的頻響特性，同時識別出模態參數。

3.4 測點布置

此次測試共布置40個布點，分別測試各點在三軸向的頻率響應函數和振型。測試點的數目與位置的選擇應考慮以下3個要素：（1）以減少漏掉模態為原則，均勻分布測試點；（2）保證試驗模態的可辨識性條件，明確顯示試驗頻段內所有模態振型的特征及區別；（3）測試點中應包括被測試件的所有結構點；（4）測試點不能太靠近節點[7]。

根據上述要素，床身振動模態試驗測點布置如圖4所示。

圖4 床身測點分布圖

3.5 振動模態試驗數據處理和模態參數估計的方法

振動模態試驗數據處理和模態參數估計是整個模態分析中的關鍵步驟之一。在此次試驗模態參數估計中，采用LMS公司CADA-X模態分析軟件包中單自由法（SDOF）和復模態指示函數（CMIF）方法來估計機床零部件的模態參數和整機的模態參數。

在利用CADA-X軟件包對HMC80臥式加工中心進行振動模態試驗數據處理和模態參數估計時可大致分如下4個步驟進行：（1）建立機床零部件和整機的三維線架幾何模型；（2）篩選和檢驗試驗數據；（3）估計機床零部件和整機的模態參數。（4）使用LMS公司的TEST.LAB軟件包對模態數據進行轉換。

4 結果分析

利用ANSYS軟件對床身進行有限元模態仿真分析，把模態仿真和模態測試的各階模態與振型做比對。根據床身對低階頻率較為敏感的特性，提取前8階模態。模態測試與仿真頻率對比見表1。各階模態仿真和試驗結果對比如圖5所示。床身的材料為HT250，其彈性模量E=1.5e 11Pa，泊松比ν=0.25，密度ρ=7 350 kg/m。機床床身仿真與試驗對比前8階模態結果如圖5所示。

圖5 機床前8階振型

如圖6所示，從床身仿真振型與試驗所得振型數據進行比對，可以得出機床床身在不同階次的振動情況，兩者的振動情況是基本一致的。比對在不同階次下固有頻率的相對應差與絕對誤差結果，其相對誤差值絕大部分都在10%之內，見表1。

表1 床身試驗與仿真固有頻率（Hz）對比

結合圖6和表1可以看出，床身1階頻率的試驗結果已達到62.96 Hz，其固有頻率較高，引起共振的概率很小，從而得出本次分析的床身結構剛度足以滿足實際工況要求。床身在自由邊界狀態下試驗模態振型中，第1階床身前后傾翻，前后分別向上或向下翹起。第3階床身前后扭擺，前后均向上翹起。第8階床身中間部分向上拱起。這三階模態的振型對工作臺在水平方向的位置影響較大，導致工作臺在圖示方向繞x方向的傾翻，對工作臺在水平方向的加工精度有一定的影響。第2階床身的左右扭擺，第4階床身左右均向下翹起，中間部分向上拱起。這兩階模態對工作臺導軌的影響較小，在振動過程中，工作臺導軌均處于平行狀態。這兩階模態不會嚴重影響機床的加工質量。第5階、第6階、第7階振型的特點是床身的工作臺導軌附近出現扭曲，這個扭曲對工作臺的定位精度帶來很大的影響。應該避免這幾階模態的出現。根據測試和仿真的結果可以得出，該床身薄弱環節在前端部位，而且該部分支撐對象是工作臺，對加工精度有較大影響，所以該床身還具有較大的結構優化空間。

圖6 床身的頻率響應函數

5 結論

采用模態仿真和動態測試相結合的手段對HMC80型臥式加工中心的床身結構性能進行定量化分析。（1）在考慮整機狀態下，床身最大變形量3.790 3μm，有較強的抗破壞能力，靜剛度滿足要求。（2）對比仿真與測試數據可以得出，在199.41～237.5 Hz處床身的工作臺導軌附近出現扭曲，床身薄弱環節在前端部位，床身在該部位還具有較大的結構優化空間。