柏甫榮

(揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 2 2 5 1 2 7)

數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床橫梁的模態(tài)分析與實驗研究

柏甫榮

(揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 2 2 5 1 2 7)

本文采用有限元分析軟件A N S Y S對數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的關(guān)鍵部位橫梁進(jìn)行有限元模態(tài)分析，并進(jìn)行了振動測試實驗研究。通過有限元分析結(jié)果與實驗測試結(jié)果的比較，判斷橫梁結(jié)構(gòu)模型是否最優(yōu)，能否準(zhǔn)確模擬實際結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性，為數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床橫梁機(jī)構(gòu)的設(shè)計提供科學(xué)的依據(jù)。

數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床；橫梁；有限元分析；模態(tài)分析

數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床是金屬板材沖壓加工的關(guān)鍵設(shè)備，具有高效率、高自動化、生產(chǎn)成本低、能夠自動換模、柔性化高等特點，在板材加工行業(yè)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。由于數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床公稱壓力大、沖壓頻率高，且進(jìn)給速度快，在設(shè)備運行過程中，往往會引起運動部件的抖動，甚至造成關(guān)鍵部位的變形，影響數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的可靠性、穩(wěn)定性和加工精度，因此對數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床橫梁的模態(tài)分析與振動測試實驗研究具有重大意義。

1 數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床橫梁的模態(tài)分析

模態(tài)分析用于確定機(jī)器部件或機(jī)械機(jī)構(gòu)的振動特性，即部件或結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，它們是動態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計中十分重要的參數(shù)，為振動特性的分析、振動故障的診斷以及結(jié)構(gòu)動力特性的優(yōu)化設(shè)計提供科學(xué)的依據(jù)；與此同時，模態(tài)分析也可以作為其它動力學(xué)問題分析的起點。

圖1 數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床橫梁模型

橫梁系統(tǒng)是數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的主體部件，主要部分包括橫梁、傳動系統(tǒng)和其它附屬機(jī)構(gòu)，如圖1所示。橫梁是由鋼板焊接而成的箱型結(jié)構(gòu)，橫梁內(nèi)固定有橫置的加強(qiáng)筋板和縱置的內(nèi)部隔板。整個橫梁由4個滑塊支承，并通過滑動導(dǎo)軌與機(jī)床床身相連接。數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的橫梁在進(jìn)行模態(tài)分析時，首先在S o l i d w o r d s中建立三位模型，然后將其導(dǎo)入A NS Y S中進(jìn)行有限元分析。分析時對數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床橫梁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化處理，略去橫梁附屬機(jī)構(gòu)和傳動系統(tǒng)（拖鏈、滾珠絲杠等）；橫梁主體、內(nèi)部加強(qiáng)筋和縱置隔板采用S o l i d 4 5單元，橫梁與床身間的導(dǎo)軌結(jié)合部采用彈簧—阻尼單元c o mb i n e 1 4。

表1 數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床橫梁固有頻率和振型

由于數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床橫梁高階模態(tài)對橫梁動態(tài)性能影響較小，因此本文主要進(jìn)行低階模態(tài)的分析，選取橫梁的前五階固有頻率來進(jìn)行分析，這樣一來既能得出對橫梁結(jié)構(gòu)影響較大的固有頻率跟振型，也能提升求解速度。由A NS Y S S o f t w a r e計算出的橫梁結(jié)構(gòu)前五階固有頻率，如表1所示。

從數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床橫梁的固有頻率和振型云圖可以看出：第四階振型為X方向振動；第一、二、三階振型為Y方向彎曲振動；第五階振型為Z方向振動。數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床橫梁的低階振型都集中在Y方0向，而Y方向的振動對數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床加工精度的影響較小；橫梁高階振型都集中在X方向，而高階振型對橫梁的動態(tài)性能影響較小，因此，原數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床橫梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計在頻率布局上基本符合設(shè)計要求。

2 橫梁的振動測試實驗研究

振動測試原理是通過傳感器、傳感器配套的放大器以及顯示或記錄儀器儀表，測量運動的工程結(jié)構(gòu)或機(jī)械結(jié)構(gòu)在外界激勵（包括環(huán)境激勵等）或運行工作狀況中的重要零部件的位移、速度、加速度等運動量參數(shù)，從而了解機(jī)械結(jié)構(gòu)或工程結(jié)構(gòu)的工作狀況。從廣義地來說，通過對運動量的測量，我們可以了解機(jī)械結(jié)構(gòu)或工程結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性，如固有頻率、振型、阻尼系數(shù)以及剛度等特性參數(shù)。

如果僅對數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床橫梁進(jìn)行有限元模態(tài)分析，不能確定分析結(jié)果的正確性，需要與振動測試實驗相結(jié)合，以獲得能夠準(zhǔn)確反映橫梁結(jié)構(gòu)實際運行時候的動態(tài)特性分析模型。數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床橫梁結(jié)構(gòu)是屬于由多種環(huán)節(jié)結(jié)合的復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，使用振動測試的分析方法研究橫梁的動態(tài)特性，必須先分析橫梁結(jié)構(gòu)的特點，使其可以滿足線性、定常、空間離散化等假設(shè)的條件。

本文數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床橫梁結(jié)構(gòu)的跨度為2 m，屬于中型的結(jié)構(gòu)，采用力錘敲擊激勵的方法可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的完全激振，獲得各測量點上的響應(yīng)信號，使用傅里葉變換得到橫梁的各階固有頻率。進(jìn)行模態(tài)實驗測試時，將測試用的加速度傳感器放置在橫梁結(jié)構(gòu)的有效測試點，然后通過Y E 5 8 5 0型電荷放大器與A Z 2 1 6 R數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將加速度信號傳遞到電腦上；最后通過A d C r a s和S s C r a s進(jìn)行分析，獲得信號的頻率。為了保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確，在試驗前需對各個加速度傳感器、對應(yīng)的傳感器放大器進(jìn)行標(biāo)定作業(yè)。由于橫梁結(jié)構(gòu)及振動過程的復(fù)雜性，以及加速度傳感器本身的結(jié)構(gòu)限制，使得測點布置變得相對復(fù)雜。一般情況下，測點的布置應(yīng)該能夠很好地反映結(jié)構(gòu)的振動特性，避免與結(jié)構(gòu)的節(jié)點有重合情況；還需要考慮便于傳感器的安裝等限制條件。在進(jìn)行錘擊測試時，錘擊時間要盡量短，每一次錘擊的方向要盡量與測試表面垂直，并且要掌握好錘擊力度，防止信號出現(xiàn)過載的情況。

經(jīng)過實驗研究，數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床橫梁的加速度信號和頻譜通過頻譜分析所得橫梁固有頻率。

3 有限元分析結(jié)果與實驗結(jié)果比較

采用有限元分析和振動測試實驗分析兩種方法來分析數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床橫梁結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性，結(jié)果雖然有一定的差異，但是，測試結(jié)果相互補(bǔ)充的作用還是比較明顯的。比如振動測試方案的設(shè)計、傳感器的位置分配、采樣頻率設(shè)置以及其它參數(shù)的設(shè)置等均需要參考有限元分析的結(jié)果；與此同時，振動測試實驗分析結(jié)果對有限元分析方法的修正作用更是比較明顯的。因此，只有把有限元分析測試方法和振動測試實驗測試方法有機(jī)地結(jié)合起來，才能夠得到更加、精確合理的測試結(jié)果。

通過比較數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床橫梁有限元分析結(jié)果和振動測試實驗結(jié)果，得到橫梁固有頻率的有限元分析計算值和振動測試實驗值的誤差基本保持在1 0%之內(nèi)，測試結(jié)果表明有限元分析結(jié)果可以基本反映數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床橫梁結(jié)構(gòu)的動力特性，所建立的有限元模型與實際情況相符合，計算結(jié)果可信。

4 結(jié)語

本文以有限元分析軟件A NS Y S為工具平臺，對數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床橫梁進(jìn)行了模態(tài)分析，并通過振動測試實驗，得到數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床橫梁的固有頻率，將橫梁的有限元分析結(jié)果與振動測試實驗結(jié)果進(jìn)行比較分析，通過振動測試實驗結(jié)果論證橫梁有限元建模的合理性，最終確定正確的橫梁有限元模型。本文通過對數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床橫梁的模態(tài)分析和實驗研究，為數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床橫梁系統(tǒng)的設(shè)計提供了科學(xué)的計算依據(jù)和研究方法。

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