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卧轴矩台平面磨床试验模态分析研究

来源：爱go旅游网

第17卷第3期1997年9月

西　南　林　学　院　学　报

JOURNALOFSOUTHWESTFORESTRYCOLLEGE

Vol.17　No.3

Sep.1997

卧轴矩台平面磨床试验模态分析研究①

李　纶

(西南林学院森工系,昆明,650224)

摘要　探讨将试验模态分析技术用于精密平面磨床,分别采用脉冲激振法和随机激振法对整机进行了动态测试.识别出了磨床的各阶模态参数和模态振型,确定了磨床的薄弱模态和薄弱部件,并对磨床结构设计中存在的一些问题提出了结构动力修改方案的建议,这对产品的优化和新产品的开发具有实际意义.关键词　模态分析;机床动态特性;参数识别;模态参数在早期的机械设计过程中,均把静强度作为主要准则,采用保守设计的方法,按照在使用条件下不致破坏的准则来设计和制造机械.因此,对于作用在机械上的载荷,尽量加大安全系数,把机械设计得很笨重,成本增高〔1〕.这种采用经验和类比的方法,设计的主要计算依据是静强度、静刚度,对机床的动态性能考虑较少.

2〕

目前,对机器动态性能的研究主要有试验模态分析法和有限元法〔.今后的发展趋势是上述两种方法结合起来,利用试验模态分析结果检验、补充和修正原始有限元动力学模型;利用修正后的有限元模型计算结构的动力特性的响应,进行结构的优化设计.

1　研究内容与测试系统

1.1　研究的主要内容

应用试验模态分析技术对日本OKAMOTO公司研制ACC-124N型精密卧轴矩台平面磨床进行了整机动态特性试验.其主要研究内容为:

(1)将系统简化,对整机动态特性研究.

(2)应用脉冲和随机激励测试技术对ACC-124N型磨床进行整机试验模态分析.(3)确定薄弱模态和薄弱环节,提出结构上的修改意见.

(4)对其测试结果与云南第二机床厂开发的MMY7132型精密平面磨床的整机动态特性测试结果〔3〕作比较分析.1.2　脉冲激振测试系统

脉冲激振(锤击)法是一种简便的激振方法.激振工具为一只带有力传感器的敲击锤.测试系统见图1.1.3　随机激振测试系统随机激振测试系统见图2.电磁激振器安装在磨床工作台上,与磨头上模拟砂轮间的位置关系见图3.

2　测试结构划分和测点布置

　　ACC-124N型磨床由床身、立柱、磨头、工作台和滑鞍等部分组成.在测试前,需

云南省“八五”科技攻关项目.①

1996-12-20收稿

第3期李　纶:卧轴矩台平面磨床试验模态分析研究

图1　脉冲(锤击)激振测试系统图2　随机激振测试系统

将一些与磨床机体联系较少的零件(附件)去掉,不予考虑.在磨床整机上布置228个测点.

其中:床身:45点,No.1～45(图4),立柱:52点,No.46～97(图5),磨头:36点,No.98～133(图6),滑鞍:50点,No.134～183(图7),工作台:45点,No.184～228(图8).

3　脉冲激振试验原理

脉冲激励的理论基础是采用单位脉冲函数δ(t)对被测结构对象激励,其脉冲的持续时间t→0,频率范围为无限大且是连续的.在脉冲力宽频信号的激励下,能把试验对象的所有各阶固有频率都激发出来.脉冲激振法所得到的是一种宽频激振.

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　　把脉冲力和激发起来的响应信号同时输

入数字信号分析处理系统的两个通道中,然后进行模/数转换及滤波,就可做快速傅里叶变换(FFT),分析出它们各自的幅值谱、相位谱和互密度函数,再经计算,得出它们的传递函数和相干函数等.结合运用对多自由度复杂结构的模态分析技术,在经过模态分析处理软件处理后,识别出被测对象各阶模态下的各种动态特性参数,显示出各阶振型.3.1　脉冲信号的频谱特性在实际测试过程中,对具体的被测结构来说,其频率范围是有限的,现实中常用接近于单位脉冲的矩形、半正弦或三角等脉冲代替.

(1)单位脉冲F(f)=

∫

+∞-∞

δ(t)exp(-j2πft)dt=1

图3　电磁激振器在磨床上的安装位置

(2)矩形脉冲

H(t)=

A　　00　　t<0,t>T

πH(f)=AT[sin(πfT)/(πfT)]exp(-jfT)

(3)半正弦波脉冲S(t)=S(f)=

Asin(π0≤t≤Tt/T)　　

0　　　　　　　t<0,t>T

∫S(t)exp(--∞

+∞

j2πft)dt

πAT

[

1+cos(2πft)sin(2πfT)-j2222](π(π/T)-(2πf)/T)-(2πf)

A)/T・|S(f)|=(π{1/[(π/T)-(2πf)]}・2[1+cos(2πfT)]

(4)三角形脉冲

2At/T

G(t)=2A(T-t)/T

0T/20t<0.t>TATsin(1/(2πfT))2

πG(t)=[]exp(-jfT)

21/(2πfT)

222

|G(f)|=2A(sin(πfT/2))/(πfT)

3.2　脉冲作用时间T的选择

脉冲信号的有效频率范围不仅取决于脉冲形态,还与脉冲作用时间T有关.对于同一

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种形态的脉冲,在能量一定的条件下,脉冲作用时间T越短,形态越尖锐,脉冲力幅值越

大;在频域中,频率范围加宽,高频段频谱的相对值越大,较精确的动态信号范围就越宽.

4　随机激振试验原理

随机激振是宽带频率激励力同时作用在结构上,结构的响应是各频率分力分别作用的结果,对于线性系统,是这些分力分别作用之和.如果把各个激励频率下的激振力和相同的响应分离出来,可以获得各频率下的导纳数值,可在一次宽频带激励中获得完整的导纳曲线.

在试验中随机激振以伪随机信号为信号源,通过功率放大器产生宽频带随机激振,对模拟砂轮进行宽频带激振,激起磨床的宽频带随机振动响应.

)之间的互相关函数Rfx(τ)可表达为乘积平稳随机激振f(t)和平稳随机响应X(t+τ)数学期望,即f(t)X(t+τ)]Rfx=E[f(t)X(t+τ

=E[f(t)

+∞-∞+∞-∞

∫h(θ)f(t+τ-θ)dθ]

-∞ff

+∞

∫h(θ)E[f(t)f(t+τ-θ)]dθ

∫h(θ)R(τ-θ)dθ

)=E[f(t)f(t+τ-θ)]为平稳随机激振的自相关函数.对上式两边作式中Rff(τ-θ

傅里叶变换后,可求得激振与响应间的互谱密度函数为:

Sfx(ω)=H(ω)Sff(ω)或H(ω)Sff(ω)/Sff(ω)

　　Sff(ω)及H(ω)均为复数,所以可用来确定H(ω)的幅频特性和相频特性.把上式写成模和幅角的形式,得:

φ)Sfx(ω)=|H(ω)|exp(-iω)Sff(ω)|Sfx(ω)|exp(-i

　　由上式可得系统的幅频特性为:|H(ω)|=|Sfx(ω)|/Sff(ω)

系统的相频特性为:θ(ω)=φfx(ω)

在试验中采用单边谱,相应的关系为:Gfx(f)=H(f)Gff(f)

由式H(ω)Sfx(ω)/Sff(ω)得知,平稳随机激振下系统动态特性的测试问题,可转化为功率谱分析问题.根据自/互功率谱密度函数的不同定义方法,可选用不同的谱分析仪或系统为实现测试.

5　MASP模态分析与信号处理系统

试验测试数据应用微机和MASP(V3.10)模态分析与信号处理系统等进行了处理和分析.

MASP模态分析与信号处理系统是一个以微机为基础的多功能、快速度、高精度软件系

统.以微机为基础的MASP系统,在一定程度上取代了示波器、磁带机、信号处理机和模态

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分析仪等若干模拟仪器,是微机一机多用的成功尝试.该系统主要有存储示波器、信号记

录、信号处理、模态分析、前后处理、参数设置和错误处理等功能〔4〕,具有比较宽的适应范围,复模态的参数识别包括单自由度和多自由度两种曲线拟合方法,在使用中可以根据结构的响应中模态耦合的情况进行选择.该程序还具有振型图形的显示功能,并可将振型显示放大、缩小和在三维空间旋转,有利于振型分析,进行动特性的改进设计.

6　磨床薄弱模态及薄弱环节的识别

6.1　薄弱模态识别

5〕

在机床动态特性的研究中,对于薄弱模态与薄弱部件的分析是重要的方面〔.当整机模态分析完成以后,需要对模态参数以及模态振型进行分析,找出结构振动的薄弱模态和相应的薄弱部件,然后对薄弱部件进行改进设计,这是试验模态分析技术用于结构动态特性研究的重要目的之一.

磨削加工对振动特别敏感.机床在切削过程中会受到外界的扰动,在稳定的切削力上叠加了一个动态力,使切削发生变化,切削力的动态变化引起机床结构、刀具、工件等系统产生振动,所产生的振动改变了砂轮的形状和切削性能,而这些因素反过来又影响振动过程,由机床结构和切削过程之间的相互作用产生了机床的颤振,从而了切削效率的提高,影响加工精度和表面粗糙度.若砂轮和工件之间有相对振动,则砂轮表面修整后不久就会产生波纹.在切削过程中,从一定的切削宽度开始,系统阻尼就使切削过程变得不稳定.特别是由于刀具(砂轮)再次进入已有波纹的表面,使振动过程继续延续,导致再生颤振的现象.

机床结构是一个具有无限多个自由度的振动系统,存在着具有相应于其固有频率的无限多个振型,固有频率是从0-∞的无限多个分开的值.振型固有频率越高,则刚度值就越大;在比较高的振型中,阻尼值一般也比较高.因此,振型越高,它在合成振动中起的作用就越小.由此可见,对于一个具有一定精度要求的计算,系统的所有振型除了几个较低的模态以外,其余都可以忽略.在磨床的整机动态特性分析中,主模态一般集中在300Hz以下,在每一个方向取6,7阶模态即可.

测试得到的力和响应送入微机和MASP(V3.10)系统中进行分析和处理,可以得到X,Y和X三个方向的幅频、相频、相干函数乃奎斯特图,从这些图可以分析出影响磨床加工精

度、粗糙度及抗振性的主要薄弱模态.依试验结果分析,频率在90Hz左右时,三个方向都有振动,主要振动部件是立柱、砂轮和磨头体.在142Hz左右时,立柱有大幅度的弯曲、扭转振动,磨头体也有大幅度的振动.在205Hz左右时,磨头的振动幅度较大,立柱在X方向扭转振动较明显,在Y方向有较大幅度的扭转振动,在Z方向有较大的弯曲振动.所以,在205Hz左右时,由X,Y,Z方向的复合振动会引起磨头体作较大幅度的摆动,影响磨床的加工精度.在240Hz左右时,磨头在X和Z方向作较大幅度的上、下摆动,这阶振动影响磨床的抗振性.

试验所得的X,Y,Z方向的部分幅频见图9,10,11.6.2　薄弱环节的确定

对振动情况分析可判定,立柱具有比较大的弯曲、扭转振动;磨头体整体作弯曲振动,相应砂轮的振动就很大;工作台、滑鞍、床身的振动相对小一些.从磨床结构可知,立柱和磨头体的振动,会带动砂轮随之振动,影响磨床的加工精度、粗糙度和整机的抗振性.因此,立

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柱、磨头体为影响磨床振动特性的主要薄弱部件,立柱与床身的结合部和磨头与立柱的结合

部为主要薄弱结合面.

图11　Z方向的幅频

6.3　脉冲和随机激振法结果比较分析

两种测试方法所测的点数、每测点的方向(X,Y,Z三个方向)和测点分布位置都是相同的.在脉冲激振法测试中,在0～1260Hz范围内,X,Y方向分别测出13阶模态,Z方向测出11阶模态;用随机激振法测试,在0～0Hz范围内,X方向测出12阶模态,Y方向测出14阶模态,Z方向测出11阶模态.在对所测结果进行比较后,分析出两种方法测得的同方向相近固频下的阻尼比、模态刚度、模态阻尼的数值基本吻合.对固频相近同方向的振型进行观察、比较和分析,可以确定其振型特征基本相似.在1～6阶模态范围中的2,3,4阶薄弱模态,其振型显示与所得的模态参数是一致的.6.4　ACC-124N型磨床动态特性修改意见

(1)床身与立柱结合面的刚性不够.床身的整体质量大、刚性好,立柱与床身的结合面相对较小,两结合面各用2颗螺栓(HS30×80P1.5)联接,总刚性偏低.建议适当加大床身与立柱的结合面,两边各用4颗螺栓(共8颗)联接,见图12.

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　　(2)立柱与磨头结合面的刚性不够,在

磨床实际工况下以一个复合的振动形式出现,造成旋转时的不平衡,影响加工精度的抗振性.建议适当加大立柱与磨头的6对导轨副的接触面积,相应改变镶条上的紧固螺栓的位置,增加紧固螺栓的数量(可每边增加到8颗,原为6颗).也可在导轨的材料选用上考虑采用新型材料,以提高其刚性和抗振性.

(3)从振型上分析,认为滑鞍的刚性偏低,滑鞍与工作台和床身的结合部刚性不够.可单独对滑鞍部件作动态特性测试.

7　结　论(1)试验模态分析技术是分析工程中

实际问题的一种最直接的方法.图12　立柱与床身结合部改进方案

(2)对整机结构进行优化设计,应对各个部件(或关键零件)分别作具体测试分析.

(3)在工程设计中,应把有限元法与试验模态分析技术结合使用.

(4)对产品的动态性能研究,应考虑CAD,CAM,CAPP等现代设计和制造技术的综合应用.

参　考　文　献

1　大久保信行.机械模拟分析.上海:上海交通大学出版社,1985.1～32　杨景义,王信义.试验模拟分析.北京:北京理工大学出版社,1990.2～4

3　李　姗.机床试验模态分析的研究及其在MMY7132平磨上的应用.[学位论文]昆明:昆明工学院,1993.13～5　罗华耿,陈德成.模态分析与信号处理系统MASPV3.0使用手册.北京:北京大学力学系,东方振动与噪声研究所,

1991.8～14

5　徐燕申.机械动态设计.北京:机械工业出版社,1993.27

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ASTUDYOFEXPERIMENTALMODELANALYSIS

INTHEPRECISIONSURFACEGRINDINGMACHINEWITHHORIZONTALAXIS

ANDRECTANGULARTABLE

LiLun

(ForestEngineeringDepartment,SouthwestForestryCollege,Kunming,650224)

Abstract　Inthispaper,thetechnologyofexperimentalmodelanalysisisappliedtotheprecisionsurfacegrindingmachinewithhorizontalaxisandrandomvibration.Asaresult,themodelparametersandmodelvibrationtypesareidentified,theweakmodelandweakpartsofthegrindingmachinearefurtherdeterminedandmeasurestomodifystructuraldynamiccharac2teristicsareputforward.Thisisofsomepracticalsignificancetotheoptimizationanddevelop2mentofnewproducts.

Keywords　Modelanalysis;Machine-tooldynamiccharacteristics;Parameteridentifica2tion;Modelparameter

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