周世奇，林川，邵一川

（1.沈陽大學(xué)a.黨委校長辦公室，b.信息學(xué)院，遼寧 沈陽 110044；2.中國石油天然氣股份有限公司 住宅管理中心，遼寧 沈陽 110000）

數(shù)控機(jī)床在運轉(zhuǎn)時主軸箱將產(chǎn)生振動，振動主要來源于機(jī)床主軸、傳動軸、軸承、齒輪等傳動部件，振動信號的性能參數(shù)反映主軸箱的性能特點［1］.振動模態(tài)測試是主軸箱振動特性分析和優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)動力特性的重要方法.對數(shù)控機(jī)床主軸箱的振動模態(tài)測試，能夠全面分析主軸箱的動態(tài)特性，掌握數(shù)控機(jī)床在某一易受影響的頻率范圍內(nèi)各階主要模態(tài)的特性，預(yù)測結(jié)構(gòu)在此頻段內(nèi)其外部或內(nèi)部各種振源作用下的實際振動響應(yīng).可以指導(dǎo)改善機(jī)床的動態(tài)特性，提高機(jī)床的抗振性能、加工精度和效率、使用壽命和可靠性，降低機(jī)床的機(jī)械噪聲等［2］.

本文設(shè)計了脈沖激勵方式下的振動模態(tài)測試系統(tǒng)，分析了數(shù)控機(jī)床主軸箱的振動特性，為故障診斷和預(yù)報以及動力學(xué)特性的優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)，這對改善數(shù)控機(jī)床的加工性能和抗振性能，提高經(jīng)濟(jì)效益等具有很高的價值.

1 振動模態(tài)測試方法

數(shù)控機(jī)床主軸箱是個結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多自由度振動系統(tǒng)，進(jìn)行試驗?zāi)B(tài)分析時，可假設(shè)其為具有n個自由度的彈性物理運動模型，即將振動系統(tǒng)離散化，離散成若干個質(zhì)量集中的子結(jié)構(gòu)，子結(jié)構(gòu)之間由等效彈簧和等效阻尼器連接起來，表示子結(jié)構(gòu)之間的連接剛度和阻尼構(gòu)成動力學(xué)模型，再由動力學(xué)模型建立數(shù)學(xué)模型.多自由度系統(tǒng)采用矩陣分析方法［3-4］，n自由度線性定常系統(tǒng)的運動微分方程為：

式中，［M］、［C］、［K］分別表示系統(tǒng)的質(zhì)量、阻尼和剛度矩陣（均為N×N階矩陣），一般情況下，質(zhì)量、剛度和阻尼矩陣是耦合的.x，f分別表示系統(tǒng)各點位置上的位移響應(yīng)和激勵力向量.

本文采用移動錘擊法，即逐點敲擊多點測量的脈沖激勵測試技術(shù).測試的具體方法是：在數(shù)控機(jī)床主軸箱上按照建立的動力學(xué)模型的激勵點和拾振點布置圖確定激勵點和拾振點的位置，在激振點上以多次平均方式施加激振力（每點激振5次），同時測量各拾振點的振動響應(yīng)，激勵信號和響應(yīng)信號分別依靠輸入數(shù)據(jù)和分析系統(tǒng)進(jìn)行分析處理，得到反映激振力和振動響應(yīng)關(guān)系的傳遞函數(shù).激勵點和拾振點布置如圖1所示.

圖1 激勵點和拾振點布置圖Fig.1 The layout of exciting point and detecting point

2 振動模態(tài)測試系統(tǒng)組成

振動模態(tài)測試系統(tǒng)主要由激振系統(tǒng)、拾振系統(tǒng)和分析系統(tǒng)組成.系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 The structure of system

測試使用產(chǎn)生脈沖信號的激振錘作為激振器.脈沖錘由錘頭、力傳感器、錘柄、附加質(zhì)量等組成，錘頭由鋼、鋁、尼龍、氟四種不同材料組成.使用不同的錘頭激勵，可得到不同的激勵頻率范圍.

試驗采用申克的8207型脈沖響應(yīng)力錘，其本身具有SA-011型壓電式加速度傳感器，特點是體積小、質(zhì)量輕、固有頻率高，可測頻率范圍寬.

拾振傳感器選用了B＆K公司生產(chǎn)的4514-001型集成電路式壓電加速度傳感器.該加速度傳感器的靈敏度為10mV／g，主要特性是內(nèi)置低噪聲電路、質(zhì)量相對低（8.6g）、具有電絕緣基座、10kHz（±10%）頻率范圍，這些特性使得該傳感器有著極強(qiáng)的通用性，適合眾多的測量應(yīng)用.

分析系統(tǒng)由丹麥B＆K公司的7700-Pulse便攜式多通道動態(tài)分析系統(tǒng)與美國著名軟件公司的Me’scope模態(tài)分析軟件構(gòu)成.

3 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計

分析系統(tǒng)的作用是測量與分析激勵傳感器的激勵信號和拾振傳感器的振動響應(yīng)信號，這一系列測試與分析裝置的總和即是模態(tài)測試中的拾振與分析系統(tǒng).

3.1 采樣參數(shù)的設(shè)置

采樣參數(shù)的設(shè)置是通過7700-Pulse分析系統(tǒng)的“Analyse Setup（分析設(shè)置）”功能完成的，根據(jù)選取的數(shù)控機(jī)床的轉(zhuǎn)速條件和所關(guān)心的模態(tài)固有頻率特性，選取最高分析頻率為fc＝200Hz，儀器自動根據(jù)采樣定理，確定采樣頻率fs，根據(jù)fs＝2.56fc，確定fs為512Hz.選取分析結(jié)果為200線，儀器自動確定采樣點數(shù)N.其7700-Pulse分析系統(tǒng)的部分分析設(shè)置界面如圖3所示.

3.2 激振力觸發(fā)大小的設(shè)定

在錘擊脈沖激振試驗中，敲擊力脈沖信號的質(zhì)量是測試的關(guān)鍵，它直接影響著振動模態(tài)測試的精度.振動模態(tài)測試中所選的數(shù)控機(jī)床屬于小型機(jī)床，對于錘擊激振這種方式的錘擊力要控制在適當(dāng)?shù)妮d荷范圍內(nèi).當(dāng)敲擊力過小時，高頻模態(tài)不易被激出來，信噪比小，可能引起二次錘擊（連擊）；當(dāng)敲擊力過大時，容易使結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性或非線性范圍等［5］.因此，系統(tǒng)采用信號5次平均的方法，該方法可以明顯提高信號的信噪比.經(jīng)過多次試敲測試，本文選定黑色硬塑料錘頭，同時在分析系統(tǒng)中對錘擊觸發(fā)力的大小進(jìn)行了設(shè)定.

圖3 系統(tǒng)分析配置界面圖Fig.3 The configuration of analysis system

3.3 測試結(jié)果

對某機(jī)床廠使用多年的一臺CKS6116型數(shù)控機(jī)床主軸箱進(jìn)行振動測試，得到各階頻率響應(yīng)函數(shù)曲線，并應(yīng)用Me’scope軟件進(jìn)行參數(shù)擬合，結(jié)果如圖4所示.

圖4 Me’scope軟件進(jìn)行參數(shù)擬合的頻響函數(shù)曲線Fig.4 The response function curve of parameters by Me’scope software

從振動模態(tài)測試結(jié)果分析可知，各階振動都有主軸箱前面板的參與，特別在高階模態(tài)時，主軸箱前面板振動劇烈，發(fā)生了彈性變形.由于主軸箱結(jié)構(gòu)的剛度也是機(jī)床設(shè)計中的一項重要工作，通常需要通過控制結(jié)構(gòu)的剛度以防止發(fā)生振動、降低加工的精度.因此，建議該機(jī)床在進(jìn)行結(jié)構(gòu)修改時增加主軸箱前面板的剛度.

4 結(jié) 論

本文采用脈沖激勵方式，應(yīng)用B＆K公司PULSE分析系統(tǒng)和Me’scope軟件搭建了數(shù)控機(jī)床主軸箱的振動模態(tài)測試系統(tǒng).該系統(tǒng)可以測試數(shù)控機(jī)床主軸箱的結(jié)構(gòu)動態(tài)參數(shù)，擬合頻響函數(shù)曲線和主軸箱各階測點相對于參考點的振動幅值.這些數(shù)據(jù)可以為主軸箱的故障診斷和預(yù)報，以及動力學(xué)特性的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)，對改善數(shù)控機(jī)床的加工性能和抗振性能，提高經(jīng)濟(jì)效益等具有很高的價值.

［1］ 盧艷軍.數(shù)控機(jī)床狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的研究［J］.制造業(yè)自動化，2008，30（8）：34-35.（Lu Yanjun.Study on CNC Machine Tool Condition Monitoring System［J］.Manufacturing Automation，2008，30（8）：34-35.）

［2］ 程志強(qiáng).基于虛擬儀器技術(shù)的振動測試與模態(tài)分析平臺的設(shè)計［D］.北京：北方工業(yè)大學(xué)，2007.（Cheng Zhiqiang. Vibration Measurement and Model Analysis System Based on Virtual Instruments Technology［D ］. Beijing： North China University of Technology，2007.）

［3］ 李德葆，陸秋海.工程振動試驗分析［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004：243-246.（Li Debao，Lu Qiuhai.Test Analysis of Engineering Vibration［M］.Beijing：Tsinghua University Press，2004：243-246.）

［4］ 張良，楊為.CK6310型數(shù)控機(jī)床主軸箱動態(tài)特性研究［J］.機(jī)床與液壓，2008，36（2）：22-25.（Zhang Liang，Yang Wei.Research on Inherence Properties of CK 6310NC Headstock ［J］. Machine Tool ＆Hydraulics，2008，36（2）：22-25.）

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