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        基于ANSYS的立式加工中心動態(tài)分析

        2021-10-08 08:21:26趙天義周俊榮呂超超王瑞超李會軍
        工程與試驗 2021年3期
        關(guān)鍵詞:模態(tài)分析

        趙天義,周俊榮,呂超超,王瑞超,李會軍

        (五邑大學 智能制造學部,廣東 江門 529020)

        1 引 言

        T-V1165S立式加工中心具有高速、高效率等優(yōu)點,適用于加工各種精度高、工序多、形狀復(fù)雜的零件,廣泛應(yīng)用于精密零件、5G產(chǎn)品、五金、汽配、醫(yī)療器械等行業(yè)。該機床的設(shè)計難點主要在于需要保證機床對工件的加工精度,而機床的動態(tài)特性會對機床加工質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。使用有限元分析方法分析機床的動態(tài)特性,研究機床的性能,同時對樣機進行模態(tài)試驗,使用模態(tài)試驗數(shù)據(jù)對有限元分析結(jié)果的可靠性進行驗證[1-3],進而獲取準確的機床動態(tài)性能結(jié)果,這對機床的后續(xù)設(shè)計與優(yōu)化具有重要意義。

        2 立式加工中心動態(tài)分析

        使用ANSYS Workbench進行立式加工中心的動態(tài)分析,設(shè)置零部件的材料屬性。固有頻率是結(jié)構(gòu)的自身屬性,所以忽略各種載荷。對模型的地腳螺栓處施加固定約束,對機床與地面接觸施加無摩擦約束。在現(xiàn)實情況的應(yīng)用中,機械結(jié)構(gòu)的高階固有頻率計算精度偏低,而低階固有頻率更容易被激發(fā)出來產(chǎn)生共振。因此,本文將分析立式加工中心的前6階固有頻率,分析結(jié)果見表1。

        表1 T-V1165S立式加工中心的前6階固有頻率與振型描述

        3 模態(tài)試驗

        3.1 模態(tài)測試

        立式加工中心的模態(tài)測試試驗選擇單點激勵、多點響應(yīng)試驗法,激振方式選擇測試周期短、精度較高的單點脈沖激振。模態(tài)試驗設(shè)備連接示意圖如圖1所示。

        圖1 模態(tài)試驗設(shè)備連接示意圖

        利用ME′scope模態(tài)分析軟件, 按照機床實際結(jié)構(gòu)尺寸建立機床幾何模型,根據(jù)模型采取均勻布點試驗法布置測點與響應(yīng)點[4]。本文對加工中心共布置310個響應(yīng)測點,依據(jù)實際工程應(yīng)用選擇在主軸箱前端位置作為激勵點(圖2中測點309點位置),進行X向(徑向)激勵。模態(tài)測試模型如圖2所示,試驗現(xiàn)場圖如圖3所示。

        圖2 模態(tài)測試模型

        (a)力錘脈沖激勵位置與主軸箱傳感器布置位置

        為了驗證模態(tài)試驗分析結(jié)果的可靠性,通常使用每一組激勵測試產(chǎn)生的相干函數(shù)進行檢驗。圖4是立式加工中心模態(tài)試驗測點的相干函數(shù),從不同點的相干函數(shù)曲線上可以看出,相干函數(shù)值基本都接近1,說明模態(tài)試驗每組試驗測試結(jié)果滿足要求。

        圖4 測點相干函數(shù)均值曲線

        試驗數(shù)據(jù)經(jīng)模態(tài)分析軟件分析處理之后,即可獲得T-V1165S立式加工中心的頻率響應(yīng)曲線(如圖5所示),T-V1165S立式加工中心的前6階固有頻率如表2所示。

        圖5 立式加工中心頻響曲線

        表2 T-V1165S立式加工中心前6階固有頻率

        3.2 試驗?zāi)B(tài)結(jié)果驗證

        在模態(tài)測試試驗中,通常使用模態(tài)置信準則驗證試驗的準確度。模態(tài)置信準則主要用來分析被測系統(tǒng)各個振型之間的相關(guān)性,其為振型向量的點積,簡稱MAC(Modal Assurance Criterion)[5]。MAC矩陣直方圖是由立式加工中心整機的低階試驗?zāi)B(tài)參數(shù)所得,如圖6所示。

        圖6 模態(tài)判定準則MAC

        從圖6可以清楚地看出,只有對角線同向量之間的MAC值是1,其它各模態(tài)向量之間的MAC值均不超過0.1,這表明各模態(tài)向量之間是線性獨立的,說明本次試驗得到的模態(tài)參數(shù)結(jié)果誤差較小,試驗精度較高。

        將立式加工中心仿真分析的結(jié)果與模態(tài)測試的數(shù)據(jù)進行對比,檢驗仿真結(jié)果的準確性,對比結(jié)果如表3所示。

        表3 加工中心試驗數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果對比

        仿真分析與試驗結(jié)果的對比表明,立式加工中心有限元仿真分析與模態(tài)試驗結(jié)果誤差在4.0%~12.7%之間,在工程所允許的范圍內(nèi),驗證了機床有限元模型的可靠性。

        4 諧響應(yīng)分析

        機床在工作情況下,由于機床主軸自轉(zhuǎn),會給予機床自身結(jié)構(gòu)持續(xù)穩(wěn)定的周期載荷,而諧響應(yīng)分析就是分析機床自身結(jié)構(gòu)在周期載荷激勵下的響應(yīng)情況[6,7]。在立式加工中心主軸3個方向上施加大小為2000N、頻率0~250Hz的簡諧力,分析機床的振動響應(yīng)情況,分析結(jié)果如圖7所示。

        圖7 T-V1165S立式加工中心幅頻響應(yīng)曲線

        從圖7可以看出,在機床前6階固有頻率附近均有振幅,引發(fā)共振。在頻率為50Hz、100Hz時,振動響應(yīng)幅值分別為6.9μm、7.3μm,分別處于整機模態(tài)的前2階固有頻率附近,產(chǎn)生共振時,對加工影響較大。參照整機的模態(tài)分析振型,整機的前2階模態(tài)的主振型為主軸箱,確定機床的關(guān)鍵部件為主軸箱。

        5 結(jié) 論

        本文對機床進行了模態(tài)分析,獲取了機床的前6階固有頻率及相應(yīng)振型,并根據(jù)試驗結(jié)果驗證了有限元仿真分析結(jié)果的準確性。同時對機床進行了諧響應(yīng)分析,根據(jù)諧響應(yīng)與模態(tài)分析的結(jié)果確定了機床的關(guān)鍵部件為主軸箱,這為后續(xù)機床二次設(shè)計及優(yōu)化提供了重要依據(jù)與方向。

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