加工中心模態(tài)試驗激振點與響應點的布置研究
相關(guān)鏈接： 中國安全網(wǎng) 中國質(zhì)量網(wǎng) 中國論文網(wǎng) 中國資訊網(wǎng)
趙文明，寧平春
（湖南百利工程科技股份有限公司，湖南 岳陽 414007）
摘要：模態(tài)試驗是研究機械結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的有效手段，激勵點和響應點的選擇是模態(tài)試驗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。以KVC800立式加工中心為研究對象，通過ANSYS有限元模態(tài)分析，獲取加工中心的主要振型，以此為依據(jù)，確定激振點與響應點的布置方案，并在該方案下開展模態(tài)試驗，成功獲取加工中心主要部件的各階模態(tài)。
關(guān)鍵詞：模態(tài)試驗；激勵點；響應點；立式加工中心中圖分類號：TP391.7：TG659
0引言
隨著機床加工行業(yè)的迅速發(fā)展，對加工中心的加工性能及加工精度要求越來越高，對加工中心進行動態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)問題并解決問題是提高加工中心的加工性能與加工精度的有效途徑。模態(tài)試驗分析方法是研究數(shù)控加工中心動態(tài)特性的常用方法，對加工中心結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性分析有著重要的作用。
在模態(tài)試驗過程中，激勵點以及響應點的正確選擇是其關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。激勵點與響應測點布置不僅依賴于工程經(jīng)驗，而且布置規(guī)模往往較大，導致試驗效率低、成本高。通過理論建模分析的方法研究激勵點選擇和響應測點布置，可有效提高模態(tài)試驗分析的效率、降低試驗成本，具有重要的工程意義。本文以KVC800立式加工中心整機為研究對象，利用SolidWorks建立加工中心的三維模型，導入ANSYS進行模態(tài)分析，得到加工中心的振動特性，結(jié)合激勵點及響應點的選擇原則，確定合適的布置方案，為模態(tài)試驗的順利展開提供可靠依據(jù)。
1KVC800立式加工中心建模與分析
KVC800是十字滑座移動的立式加工中心。該加工中心結(jié)構(gòu)主要由工作臺、床身、床鞍、立柱、主軸箱及刀庫6大部分組成，對其建模與分析的具體過程如下：
(1)導人模型：由于機床的床身、立柱、主軸箱都是復雜的薄壁加筋結(jié)構(gòu)，直接在有限元分析軟件中建模十分困難，因此，采用常用的三維建模軟件Solid-Works進行模型建立，模型建好后再將其另存為“．X-t”格式導人到有限元分析軟件中進行振型分析。
(2)設定材料屬性：該加工中心的床身、立柱、主軸箱、床鞍和工作臺的材料是鑄鐵，密度為7 300 kg/m3，泊松比為0. 25，彈性模量為135 G Pa;絲杠、絲杠螺母的材料為高性能優(yōu)質(zhì)鋼，密度為7 800 kg/m3，泊松比為0.3，彈性模量為200 G Pa。
(3)定義接觸對：加工中心工作臺系統(tǒng)中的滑塊通過螺母安裝在工作臺上，工作臺系統(tǒng)的動態(tài)性能受到它們之間相互作用的影響較小，可以忽略不計。因此在建模時將滑塊和工作臺的接觸面定義為綁定接觸，這樣既有利于工作臺系統(tǒng)的簡化，又可以提高計算效率。同樣的，滑塊與立柱之間、滑塊與床身之間的接觸面均定義為綁定接觸。加工中心中所有導軌和滑塊以及滾珠絲杠和絲杠母座之間的接觸類型均定義為不分離接觸。在進行切削加工時，導軌和滑塊之間本身就是固定連接，絲杠和工作臺之間并沒有相對運動，這種接觸設置是符合實際情況的。
(4)劃分網(wǎng)格：該加工中心的床身、立柱、主軸箱、床鞍等結(jié)構(gòu)形狀復雜，且均設計有合理的布筋，所以為了減小網(wǎng)格劃分的復雜度，在分析中采用自動劃分網(wǎng)格的形式。工作臺、滑塊、導軌、絲杠母座等零部件同樣結(jié)構(gòu)較復雜，故也采用自動劃分網(wǎng)格的形式。滾珠絲杠在三維建模時被簡化成一個圓柱體，所以采用映射劃分網(wǎng)格的形式，得到規(guī)則的六面體單元。模態(tài)分析中沒有應力集中現(xiàn)象，不需要考慮網(wǎng)格的疏密分布，所以要求網(wǎng)格盡可能均勻分布。
(5)施加邊界條件：模態(tài)分析中的邊界條件不包括載荷力，所以進行模態(tài)分析時，只需對其作位移邊界條件限制即可。為了正確地模擬高速加工中心的工況，采用的約束方法是對工作臺系統(tǒng)的導軌進行固定約束，對絲杠兩端施加圓柱約束；對于床身、立柱上的導軌及絲杠同樣分別施加固定約束以及圓柱約束；立柱是通過螺栓垂直安裝在床身后部，所以需對立柱底部添加固定約束；主軸箱只做垂向運動，所以在主軸箱滑塊面添加給定位移約束，將橫向和縱向位移設置為零來約束主軸箱的橫、縱向運動。
(6)求解：運用ANSYS Workbench自帶求解器進行求解，對裝配好的加工中心底面施加固定約束來模擬機床固定在地面上，對其進行振型分析。圖1為求解得到的KVC800整機主要振型圖。
由圖1的3個主要模態(tài)振型可以得出：工作臺及床鞍的振型變化最大的區(qū)域主要分布在工作臺兩端的4個角點處；床身的振型明顯變化部位集中在床身上半部分的前后兩個自由端；立柱頂部的振型變化最大；主軸箱的振型最大區(qū)域在主軸底部以及主軸箱頂部部位。
2激勵點和響應點的布置
激勵點的選擇應以能有效激發(fā)起各階模態(tài)為原則，如果激勵點正好選擇在結(jié)構(gòu)某階模態(tài)的節(jié)點或節(jié)線（即模態(tài)振型變化為0）上，則該階模態(tài)不能被激發(fā)出來，即使激勵點在節(jié)點或節(jié)線附近，該階模態(tài)的振動信號也會很弱，因此，應避免將激勵點選在結(jié)構(gòu)模態(tài)的節(jié)點或節(jié)線處。同時，激勵點不能選擇在較為復雜的部件以及結(jié)構(gòu)的薄弱部位上，復雜的結(jié)構(gòu)會消耗能量，影響能量傳遞導致模態(tài)缺失；薄弱部位結(jié)構(gòu)容易被破壞。對于KVC800立式加工中心，激勵點則不應選擇在電機、薄壁部件（如主軸箱）和重要零部件（如滾珠絲杠）上。加工中心結(jié)構(gòu)的自由端不受約束，振動變化相對較大，所以不存在模態(tài)節(jié)點，而且可以保證有足夠的激勵能量傳遞到結(jié)構(gòu)的每個部位，得到良好的響應信號。所以，結(jié)合有限元振型分析結(jié)果，在實際模態(tài)試驗中，將加工中心分為工作臺、床身、立柱和主軸箱4個部位。工作臺激勵點布置在其振型較大的4個角點中任一角點附近；床身激勵點則布置在其振型變化大的上半部位右側(cè)面；立柱部位激勵點施加在其振型變化明顯的上右側(cè)面；主軸箱部位由于其結(jié)構(gòu)特點，將激勵點布置在有較明顯振動的底部主軸的圓柱面上。具體激勵點位置布置見圖2。
根據(jù)試驗的目的，測量盡可能多的響應點是測點布置的基本原則。然而為獲得加工中心整機的動態(tài)特性，在所有位置上布置測點顯然不現(xiàn)實。首先，傳感器本身、與傳感器配合使用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和分析處理設備的成本都不低；其次，可用的傳感器數(shù)量，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的通道等也限制了一次試驗所能同時采集的響應點數(shù)。即使是均勻布點也需要大量的加速度傳感器，而且響應測點間的間距難以確定。從經(jīng)濟方面考慮，希望采用盡可能少的傳感器進行試驗，但響應點數(shù)量不足或測點位置布置不當，可能會漏掉模態(tài)信息，從而影響模態(tài)試驗的精度。在進行整機結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗時．響應點應該布置在振動幅值比較明顯的位置。本文以有限元分析結(jié)果為指導，可以避免大量試驗的盲目性。工作臺響應點主要布置在其上表面的4個頂點處；床身響應點則分布在其右側(cè)面的4個頂點以及前面上端的兩頂點處；立柱響應點主要分布在右側(cè)面四角點和頂部兩點；考慮到主軸箱屬于薄壁結(jié)構(gòu)，它的響應點則布置在下端主軸的兩個圓柱面上，呈900夾角來布置兩測點。圖3為各部分響應點布置示意圖。
3試驗模態(tài)測試
試驗模態(tài)分析是通過輸入裝置對結(jié)構(gòu)進行激勵，在激勵的同時測量結(jié)構(gòu)響應的一種測試分析方法。從實際試驗條件和KVC800立式加工中心自身的結(jié)構(gòu)特點出發(fā)，本文試驗采用單點分區(qū)激勵多點響應的錘擊法，每個響應點測量3個方向的響應加速度來開展模態(tài)試驗獲得整機完整的模態(tài)。
基于圖2和圖3的激勵點和測點布置方案，利用丹麥的B＆K測試系統(tǒng)來開展模態(tài)試驗，成功獲取了KVC800立式加工中心主要部件的典型模態(tài)頻率如表1所示，驗證了激勵點與響應點布置方案的有效性。
4結(jié)語
基于有限元分析理論，利用ANSYS軟件對加工中心整機三維模型進行了有限元振型分析，得到了加工中心的振型變化明顯區(qū)域，為模態(tài)試驗的激勵點與響應點的布置提供了依據(jù)。結(jié)合激勵點及響應點的布置原則，根據(jù)有限元分析所確定的振型分析結(jié)果，從中選出各部件的代表性測點，得到有限傳感器數(shù)量下合適的激勵點以及響應點的布置方案，并成功獲取加工中心主要部件的各階模態(tài)，驗證了激勵點與響應點布置方案的有效性。
下一篇:返回列表
