殊海燕

(甘肅省機(jī)械科學(xué)研究院甘肅省先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用研究創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，甘肅蘭州730030)

數(shù)控車床的振動(dòng)問題，包括受迫振動(dòng)與自激振動(dòng)，嚴(yán)重影響著機(jī)床的加工精度與加工效率，已成為產(chǎn)品研發(fā)過程中必須考慮的一個(gè)關(guān)鍵問題?，F(xiàn)階段生產(chǎn)中研究機(jī)床動(dòng)態(tài)特性的方法，主要是通過對(duì)實(shí)際機(jī)床或模型做激振試驗(yàn)，找到影響動(dòng)剛度的薄弱環(huán)節(jié)，以改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，或安設(shè)有效的減振裝置。振動(dòng)實(shí)驗(yàn)尤其是整機(jī)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)是解決機(jī)床振動(dòng)問題的一種重要手段，通過機(jī)床的整機(jī)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)可以評(píng)價(jià)機(jī)床的抗振性能，可以檢驗(yàn)振動(dòng)理論分析的正確性，可以發(fā)現(xiàn)機(jī)床潛在的振動(dòng)問題，可以為機(jī)床的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要的分析數(shù)據(jù)［1－3］。

模態(tài)測(cè)試是數(shù)控機(jī)床振動(dòng)實(shí)驗(yàn)的重要組成部分，可以通過模態(tài)測(cè)試獲得機(jī)床整機(jī)系統(tǒng)的固有頻率、模態(tài)振型和阻尼比。進(jìn)一步在模態(tài)測(cè)試中利用振幅和相位隨激振頻率的變化還可以獲得系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)。利用這些參數(shù)可以對(duì)機(jī)床整機(jī)系統(tǒng)的抗振性做出綜合評(píng)價(jià)，另外模態(tài)測(cè)試還可以校驗(yàn)機(jī)床整機(jī)模態(tài)分析的正確性，從而創(chuàng)建出可以精確預(yù)估機(jī)床整機(jī)動(dòng)力學(xué)特性的力學(xué)模型。

1 數(shù)控機(jī)床整機(jī)模態(tài)測(cè)試的基本原理

對(duì)于數(shù)控機(jī)床整機(jī)進(jìn)行模態(tài)測(cè)試，需要在明確模態(tài)測(cè)試原理的基礎(chǔ)上組建模態(tài)測(cè)試系統(tǒng)，并按照相應(yīng)的流程進(jìn)行測(cè)試。

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的原理

應(yīng)用實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的方法可以測(cè)試出機(jī)床整機(jī)的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析是利用系統(tǒng)輸入與輸出之間的關(guān)系，確定系統(tǒng)的固有特性，測(cè)試時(shí)主要獲得系統(tǒng)的頻響函數(shù)，通過對(duì)頻響函數(shù)的分析來獲得各種振動(dòng)特性參數(shù)，測(cè)試獲得的頻響函數(shù)為

其中:X為響應(yīng)，可以是位移、速度和加速度;H為頻響函數(shù)矩陣;F為激振力。

測(cè)試時(shí)通常用加速度傳感器測(cè)響應(yīng)，用力傳感器測(cè)出激振力，用分析軟件繪制出各通道頻響函數(shù)曲線，最后通過分析頻響函數(shù)獲得固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型等重要數(shù)據(jù)。

由頻響函數(shù)矩陣的物理特性可知，在做比較簡(jiǎn)單的測(cè)試時(shí)，通常只需獲得頻響函數(shù)矩陣的一行或一列，即可獲知系統(tǒng)的固有特性。由此，對(duì)應(yīng)兩種測(cè)試方法，分別是單點(diǎn)拾振法(對(duì)應(yīng)頻響函數(shù)的一行)和單點(diǎn)激振法(對(duì)應(yīng)頻響函數(shù)的一列)。

1.2 機(jī)床振動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性參數(shù)的確定

所謂機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性，一般是指機(jī)床在一定激振力下振幅和相位隨激振頻率而變化的特性。分析或判定機(jī)床動(dòng)態(tài)特性的主要指標(biāo)有［4］:

(1)固有頻率fn或者固有角頻率ωn;

(2)阻尼比ξ=r/rc，r為阻尼系數(shù)，rc為臨界阻尼系數(shù);

(3)當(dāng)量靜剛度 K=F/2ξAmax。K為激振力，Amax為共振振幅;

2 CK5116數(shù)控立式車床整機(jī)模態(tài)的測(cè)試

2.1 模態(tài)測(cè)試系統(tǒng)

按照激振方式的不同，模態(tài)測(cè)試方法可以分為錘擊法、基礎(chǔ)激勵(lì)、激振器激勵(lì)3種，對(duì)于數(shù)控機(jī)床整機(jī)測(cè)試系統(tǒng)，可考慮采用錘擊法和激振器激勵(lì)兩種形式組建模態(tài)測(cè)試系統(tǒng)。

以某機(jī)床廠生產(chǎn)的CK5116數(shù)控立式車床為例，采用錘擊法對(duì)其進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)。本次實(shí)驗(yàn)采用北京東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所的DASP模態(tài)測(cè)試系統(tǒng)，Inv9823系列加速度傳感器、YFF－6力傳感器型號(hào)以及DFC－2高彈性聚能力錘組成激振系統(tǒng)進(jìn)行多點(diǎn)激勵(lì)單點(diǎn)響應(yīng)的方法進(jìn)行激振。所組成的模態(tài)測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示。儀器連接測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示。

2.2 模態(tài)測(cè)試過程

該機(jī)床主要由立柱、橫梁和底座等幾部分組成，為了模擬機(jī)床的實(shí)際工作狀態(tài)，在該機(jī)床正面共布置36個(gè)測(cè)點(diǎn)，原點(diǎn)導(dǎo)納位置為14點(diǎn)，側(cè)面布置22個(gè)測(cè)點(diǎn)，原點(diǎn)導(dǎo)納位置為16點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置簡(jiǎn)圖分別如圖3～4所示。

本次實(shí)驗(yàn)主要對(duì)安裝放置狀態(tài)下的機(jī)床進(jìn)行激振，測(cè)量激振力與響應(yīng)，對(duì)采集到的激勵(lì)信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)做傳遞函數(shù)分析，按照標(biāo)準(zhǔn)的模態(tài)流程建立模態(tài)分析系統(tǒng)。

2.3 模態(tài)測(cè)試結(jié)果

利用DASP模態(tài)測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)測(cè)試獲得的頻響函數(shù)采用頻域法進(jìn)行模態(tài)擬合，綜合機(jī)床正面和側(cè)面的振型與固有頻率得到機(jī)床整機(jī)的模態(tài)參數(shù)，如表1所示。該機(jī)床常用的工作轉(zhuǎn)速為1 000～4 000 r/min，因此，應(yīng)注重前幾階的模態(tài)影響，通過軟件獲得的模態(tài)振型如圖5所示。

表1 機(jī)床整機(jī)模態(tài)測(cè)試結(jié)果

從圖5所示的模態(tài)振型中可以看出，薄弱環(huán)節(jié)主要集中在立柱、底座處，而立柱沿y方向的振動(dòng)是主要振動(dòng)方向。修改結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)著重考慮它們對(duì)機(jī)床整機(jī)動(dòng)態(tài)特性的影響，把提高y方向的動(dòng)剛度放在首位。

3 CK5116數(shù)控立式車床動(dòng)態(tài)特性參數(shù)的確定

3.1 動(dòng)剛度的測(cè)試數(shù)據(jù)

由于機(jī)床結(jié)構(gòu)是由許多零、部件和大件組成的復(fù)雜系統(tǒng)，所以目前動(dòng)剛度主要是通過對(duì)實(shí)際機(jī)床做動(dòng)態(tài)激振試驗(yàn)來得到［5］。動(dòng)剛度測(cè)試和模態(tài)測(cè)試所用到的軟硬件相類似，在此也是采用力錘激勵(lì)，采用單點(diǎn)激勵(lì)多點(diǎn)響應(yīng)的方法，使用力錘對(duì)整機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行激勵(lì)，布點(diǎn)圖和模態(tài)測(cè)試一致。如圖6是試驗(yàn)后繪出的幅頻特性曲線。

機(jī)床是一個(gè)多自由度振動(dòng)系統(tǒng)，有多個(gè)固有頻率和相應(yīng)的振型，由于機(jī)床結(jié)構(gòu)的阻尼比較小(ζ≤0.1)，當(dāng)各振型的固有頻率相差較大(大于20%)時(shí)，各振型間的相互影響很小，可以近似地認(rèn)為各共振峰是離散而互不相關(guān)的。如圖6所示有7個(gè)共振峰，其共振頻率的差值均大于20%，因此，可以按單自由度系統(tǒng)分別求出每個(gè)振型的固有頻率、阻尼比、當(dāng)量靜剛度、動(dòng)剛度以及動(dòng)柔度。根據(jù)機(jī)床模態(tài)分析得出的動(dòng)態(tài)參數(shù)以及機(jī)床振動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性參數(shù)的公式得出表2所示的CK5116數(shù)控立式車床的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)。

表2 CK5116數(shù)控立式車床動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)參數(shù)值

從上述動(dòng)態(tài)特性的主要指標(biāo)中可看出，系統(tǒng)的動(dòng)剛度取決于系統(tǒng)的靜剛度、激振力的條件(激振力的大小、頻率)和系統(tǒng)本身的其他固有條件(質(zhì)量m、阻尼比ξ及固有角頻率ωn)等。因此，為分析判斷機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性提供了依據(jù)。

4 結(jié)語

數(shù)控機(jī)床整機(jī)模態(tài)測(cè)試是研究機(jī)床抗振性，優(yōu)化機(jī)床結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)和依據(jù)。本文將理論分析與做動(dòng)態(tài)特性的測(cè)試相結(jié)合，對(duì)CK5116數(shù)控立式車床進(jìn)行了測(cè)試與分析，主要結(jié)果如下:

(1)討論了數(shù)控機(jī)床整機(jī)模態(tài)測(cè)試的原理以及搭建模態(tài)測(cè)試系統(tǒng)時(shí)應(yīng)該考慮的主要要素，包括激振設(shè)備、數(shù)據(jù)采集和測(cè)試結(jié)果的分析工具等。

(2)對(duì)某機(jī)床廠生產(chǎn)的CK5116數(shù)控立式車床進(jìn)行了模態(tài)以及動(dòng)剛度的測(cè)試，詳細(xì)敘述了測(cè)試系統(tǒng)的組成及測(cè)試過程，獲得了該機(jī)床整機(jī)的固有頻率、模態(tài)振型、阻尼比、動(dòng)剛度以及動(dòng)柔度等動(dòng)態(tài)特性參數(shù)，為分析判斷機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性提供了依據(jù)。

(3)通過模態(tài)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，該機(jī)床的立柱沿y方向的振動(dòng)是該機(jī)床的薄弱環(huán)節(jié)，導(dǎo)致y方向動(dòng)剛度顯著降低。在綜合分析的基礎(chǔ)上，提出在立柱內(nèi)增設(shè)加強(qiáng)筋的方式來提高機(jī)床整機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，為優(yōu)化該機(jī)床的結(jié)構(gòu)、提高抗振性能提供依據(jù)。

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