陳 琪，高建和，吳宏祥，徐長奎

（1.揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127；2.江蘇金方圓數(shù)控機(jī)床有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225127）

數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床機(jī)身模態(tài)分析與優(yōu)化設(shè)計

陳 琪1，高建和1，吳宏祥2，徐長奎2

（1.揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127；2.江蘇金方圓數(shù)控機(jī)床有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225127）

采用有限元分析軟件ANSYS對數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床機(jī)身進(jìn)行有限元模擬，并與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，對其進(jìn)行模態(tài)分析和優(yōu)化設(shè)計，得到機(jī)身的最優(yōu)結(jié)構(gòu)模型。由分析可知，改進(jìn)后的機(jī)身動態(tài)性能得到了極大提高。

機(jī)械設(shè)計；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床；模態(tài)分析

1 引言

模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動力特性的一種近代方法，其為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)提供系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)，為振動特性分析、振動故障診斷以及結(jié)構(gòu)動力特性的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。模態(tài)分析可分為理論模態(tài)分析和實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析。理論模態(tài)分析運(yùn)用有限元法對振動結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化，建立特征值的數(shù)學(xué)模型，求出系統(tǒng)的固有頻率和振型。實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析首先利用實(shí)驗(yàn)測得激勵和響應(yīng)的時間歷程，再運(yùn)用數(shù)字處理技術(shù)求出系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)。

數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床是加工板材的精密機(jī)床，其加工精度、可靠性與機(jī)身有很大關(guān)系。機(jī)身是整機(jī)中質(zhì)量和體積最大的零部件。因此，對其進(jìn)行動態(tài)分析和優(yōu)化設(shè)計是很有必要的。

2 數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床機(jī)身模態(tài)分析

數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床由兩塊主板、加強(qiáng)筋以及六個支撐焊接組成，六個支撐與地面通過螺栓緊固，如圖1所示。主板是機(jī)身的主要受力零件，其強(qiáng)度和剛度是衡量機(jī)身是否合格的標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)筋用于增加主板的強(qiáng)度與剛度。數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床模態(tài)分析時，在Solid－Works中建立三維模型，然后將其導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行有限元計算。分析時，機(jī)身主板與加強(qiáng)筋部位做glue處理，采用Solid 95單元，螺栓結(jié)合部采用彈簧—阻尼單元。

數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床機(jī)身高階模態(tài)對機(jī)身動態(tài)性能影響較小，主要分析低階模態(tài)。經(jīng)計算，機(jī)身前6階固有頻率如表1所示，振型如圖2所示。

表1 機(jī)身固有頻率與振型

從數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床機(jī)身固有頻率和振型圖可以看出：第三、五階振型為X方向的彎曲；第四階振型為Y方向的彎曲；第一、二、六階振型為Z方向的彎曲。數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床機(jī)身變形主要發(fā)生在機(jī)身的上半部分，下半部分變形較小，說明機(jī)身上半部分剛度不足，需要加強(qiáng)；下半部分剛度較大，可以適當(dāng)減少材料。

3 數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床機(jī)身實(shí)驗(yàn)分析

僅對數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床機(jī)身做有限元模態(tài)分析，不能確定分析的正確性，需要與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，以獲得能夠準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)實(shí)際運(yùn)行時的動態(tài)特性分析模型。若有限元分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相一致，則說明模型結(jié)構(gòu)是正確的，在此基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計；若有限元分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不一致，則修改模型，直到模型正確為止。

模態(tài)實(shí)驗(yàn)可分為傳統(tǒng)模態(tài)實(shí)驗(yàn)和工作模態(tài)實(shí)驗(yàn)。傳統(tǒng)模態(tài)實(shí)驗(yàn)建立在系統(tǒng)輸入輸出數(shù)據(jù)已知的情況下，利用激勵和響應(yīng)的完整信息進(jìn)行參數(shù)識別。實(shí)際實(shí)驗(yàn)時，獲得輸入激勵信息是難以實(shí)現(xiàn)的，所以傳統(tǒng)模態(tài)實(shí)驗(yàn)存在一定的局限性。本文采用工作模態(tài)實(shí)驗(yàn)，工作模態(tài)實(shí)驗(yàn)僅需測試振動響應(yīng)數(shù)據(jù)，利用實(shí)時響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識別，此方法分析結(jié)果更加接近實(shí)際結(jié)構(gòu)情況。方法無需輸入激勵信號，節(jié)約了測試費(fèi)用。

模態(tài)實(shí)驗(yàn)測試時，將加速度傳感器放置在機(jī)身測點(diǎn)上，測點(diǎn)分布如圖3所示。然后通過電荷放大器與數(shù)據(jù)采集箱將加速度信號傳遞到電腦上，最后通過分析獲得信號的頻率。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床機(jī)身加速度信號與頻譜如圖4～9所示。

（1）機(jī)身Z方向一階固有頻率（圖4）

（2）機(jī)身Z方向二階固有頻率（圖5）

（3）機(jī)身X方向一階固有頻率（圖6）

（4）機(jī)身Y方向一階固有頻率（圖7）

（5）機(jī)身Z方向三階固有頻率（圖8）

（6）機(jī)身Z方向四階固有頻率（圖9）

通過對采集信號進(jìn)行處理，得到機(jī)身的主要模態(tài)參數(shù)：固有頻率。表2列出了機(jī)身實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)頻率以及有限元模態(tài)分析的固有頻率。

由表2可知，機(jī)身模態(tài)計算值和測試值誤差基本在5%之內(nèi)，模型與實(shí)際情況相符合，計算結(jié)果可信，數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床機(jī)身有限元動力學(xué)模型正確。

4 數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床機(jī)身優(yōu)化設(shè)計

通過對數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床機(jī)身進(jìn)行模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)機(jī)身在載荷作用下，機(jī)身變形較大，剛度小，動態(tài)性能差，需要進(jìn)行優(yōu)化。本文以提高機(jī)身固有頻率為目標(biāo)，機(jī)身強(qiáng)度和剛度為約束條件，對數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床機(jī)身進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，提高其動態(tài)特性。模態(tài)分析時，低階頻率對機(jī)身的影響比高階大，如果能夠提高機(jī)身的低階頻率，那么機(jī)身的動態(tài)性能將得到提高。

表2 沖床固有頻率實(shí)驗(yàn)與計算對比

由機(jī)身模態(tài)振型云圖可以看出，機(jī)身前兩階頻率是Z方向的彎曲，說明機(jī)身在Z方向變形大，剛度小，對機(jī)身Z方向進(jìn)行加強(qiáng)，將提高機(jī)身的一、二階固有頻率。觀察機(jī)身一、二階振型云圖，機(jī)身存在薄弱環(huán)節(jié)，在機(jī)身薄弱環(huán)節(jié)添加加強(qiáng)筋，如圖10～11所示，機(jī)身的固有頻率提高，振動將降低。

通過計算可得，當(dāng)添加一塊加強(qiáng)筋時，機(jī)床一階頻率提高6.43Hz，二階頻率提高9.97Hz，其他頻率幾乎不變；當(dāng)添加兩塊加強(qiáng)筋時，機(jī)床一階頻率提高10.65Hz，二階頻率提高15.36Hz，其他頻率幾乎不變，見圖12所示。由此可見，添加加強(qiáng)筋后機(jī)身一、二階固有頻率提高很多，而一、二階固有頻率對數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床機(jī)身的動態(tài)性能影響最大，達(dá)到了提高數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床動態(tài)性能的目的。

5 結(jié)語

本文采用有限元仿真技術(shù)，在ANSYS中進(jìn)行有限元模擬，得到數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床機(jī)身的固有頻率，將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果做對比，確定正確的模型。在模型正確的基礎(chǔ)上，以固有頻率為目標(biāo)，對機(jī)身進(jìn)行動態(tài)優(yōu)化，得到滿意的機(jī)身設(shè)計結(jié)果。

[1]葉 亮，高建和，田萬英，詹俊勇.激光切割機(jī)橫梁的模態(tài)特性分析.揚(yáng)州大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2009，12（2）：75-78.

[2]季 忠，高訓(xùn)濤，孫 勝，王洪新.閉式數(shù)控壓力機(jī)機(jī)身動態(tài)響應(yīng)分析.鍛壓機(jī)械，2001，36（1）：38-40.

[3]陳桂平，文桂林，崔中.高速磨床床身結(jié)構(gòu)動態(tài)分析與優(yōu)化.機(jī)床試驗(yàn)研究技術(shù)，2009，（2）：19-23.

[5]林道盛.鍛壓機(jī)械及其有限元計算[M]，北京:北京工業(yè)大學(xué)出版社，2003.

[6]金 紅.高速壓力機(jī)閉式組合機(jī)身有限元分析與優(yōu)化.碩士學(xué)位論文，2004:18-19.

[7]張祖芳.開式壓力機(jī)有限元分析及其優(yōu)化設(shè)計.碩士學(xué)位論文，2004：29-33.

Modal analysis and optimized design for the frame of CNC turret punch press

CHEN Qi1，GAO Jianhe1，WU Hongxiang2，XU Changkui2
（1.Mechanical Engineering of Yangzhou University,Yangzhou 225127,Jiangsu China；2.Jiangsu Jinfangyuan CNC Machine Co.,Ltd.,Yangzhou 225127,Jiangsu China）

The frame of the CNC turret punch press has been simulated by use of ANSYS.Combining with the experiment,the modal analysis and optimized design have been conducted and the best structure of the frame has been obtained.The dynamic performance of the improved frame has been greatly raised through the analysis.

Optimized structure；CNC Turret Punch；Modal analysis

TG385.1

B

1672－0121（2011)04－0020－04

2011-04-21

陳 琪（1987-），女，碩士，從事數(shù)控沖床振動相關(guān)研究