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        焊接結(jié)構(gòu)立式加工中心試驗?zāi)B(tài)分析

        2021-10-26 07:19:46董應(yīng)明韓玉穩(wěn)趙彥鵬
        關(guān)鍵詞:工作臺底座振型

        王 林, 董應(yīng)明, 韓玉穩(wěn), 趙彥鵬

        (云南省機電一體化應(yīng)用技術(shù)重點實驗室/云南省機械研究設(shè)計院, 云南 昆明 650031)

        0 引言

        數(shù)控機床做為制造業(yè)的母機,對其加工精度、動靜態(tài)穩(wěn)定性等方面都提出了越來越高的要求,床身、立柱及主軸箱等基礎(chǔ)件性能的好壞直接影響機床的加工精度和零件的表面質(zhì)量,機床床身等基礎(chǔ)件材料主要有鑄鐵、鋼板和型鋼焊接結(jié)構(gòu)、普通混凝土、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土、天然花崗巖和人造花崗巖等, 本文試驗的機床為焊接結(jié)構(gòu)立式加工中心。使用力錘通過瞬態(tài)錘擊法對主軸進(jìn)行激振,采用最小二乘復(fù)指數(shù)法識別模態(tài)參數(shù), 得出準(zhǔn)確的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。 分析得出機床的動態(tài)特性,確定薄弱環(huán)節(jié)所在,并提出相應(yīng)的改進(jìn)意見,為同類機床的結(jié)構(gòu)動力學(xué)優(yōu)化設(shè)計提供試驗數(shù)據(jù)支持。

        1 模態(tài)試驗運用簡述

        模態(tài)試驗對于研究機械結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性、 了解結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義, 是結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計及設(shè)備故障診斷的重要方法。 模態(tài)分析最終目標(biāo)是識別出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù), 為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動特性分析、 振動故障診斷和預(yù)報以及結(jié)構(gòu)動力特性的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

        模態(tài)分析技術(shù)的應(yīng)用可歸結(jié)為: ①評價現(xiàn)有結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動態(tài)特性; ②在新產(chǎn)品設(shè)計中進(jìn)行結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的預(yù)估和優(yōu)化設(shè)計;③診斷及預(yù)報結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的故障;④控制結(jié)構(gòu)的輻射噪聲;⑤識別結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的載荷。

        2 焊接結(jié)構(gòu)立式加工中心模態(tài)試驗

        2.1 試驗內(nèi)容及目的

        對某型號焊接結(jié)構(gòu)立式加工中心進(jìn)行模態(tài), 提出可以提升立式加工中心結(jié)構(gòu)動力特性及動態(tài)穩(wěn)定性的模態(tài)識別參數(shù), 為生產(chǎn)廠家對立式加工中心的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論與數(shù)據(jù)支持。

        2.2 試驗對象

        試驗對象為某型號焊接結(jié)構(gòu)立式加工中心, 主要大件分別由底座、滑鞍、工作臺、立柱和主軸箱。 其中底座、滑鞍和立柱由鋼板焊接而成, 工作臺由HT250 灰鐵鑄造而成,主軸箱由球鐵鑄造而成,各零件均經(jīng)過時效處理。

        立柱與底座通過螺栓固定連接, 滑鞍通過直線導(dǎo)軌副與底座相連做Y 向運動, 工作臺通過直線導(dǎo)軌副與滑鞍連接做X 向運動, 主軸箱通過直線導(dǎo)軌副與立柱連接做Z 向運動。主軸最高轉(zhuǎn)速為6000r/min。機床按照規(guī)范安裝在測試平臺上, 機床水平及幾何精度均按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求調(diào)試完成,見圖1。

        圖1 焊接結(jié)構(gòu)立式加工中心

        2.3 試驗設(shè)備

        通過B&K8207 力錘進(jìn)行激振,B&K4506B 三向加速度傳感器獲得響應(yīng)信號, 使用B&K3660C 數(shù)據(jù)采集前端采集數(shù)據(jù),PULSE 分析軟件完成整個分析過程。

        2.4 試驗方案

        (1)技術(shù)路線。 焊接結(jié)構(gòu)立式加工中心試驗?zāi)B(tài)分析技術(shù)路線見圖2。

        圖2 試驗?zāi)B(tài)分析技術(shù)路線圖

        (2)試驗方案。首先建立焊接結(jié)構(gòu)立式加工中心的幾何模型,對機床進(jìn)行均勻布點,雖然均勻布點試驗會增加試驗成本和試驗時間,降低試驗效率,但是采取均勻布點具有不易漏掉關(guān)鍵模態(tài),模態(tài)振型可辨識性強等優(yōu)點。 對焊接結(jié)構(gòu)式加工中心采取均勻布點可以很方便地獲得結(jié)構(gòu)的前三階模態(tài),特別獲得較好的低階模態(tài)振型。

        整個數(shù)控機床共布置1032 個測點, 測量自由度為1032×3=3096。 激勵點選擇在主軸上,數(shù)量為1 個,激勵自由度為2 個正交方向(圖3),總FRF=3096×2=6192(圖4)。

        圖3 激勵自由度(主軸的2 個正交方向)

        圖4 響應(yīng)測量自由度(響應(yīng)測點總數(shù)1032 個,測量自由度3096 個)

        2.5 激勵及數(shù)據(jù)采集

        采用錘擊法對加工中心進(jìn)行激振,力錘錘頭越硬(如金屬錘頭)越易激起高頻響應(yīng),力錘錘頭越軟(如塑料錘頭)越易激起低頻響應(yīng)。本次試驗針對加工中心的特性選用硬質(zhì)尼龍錘頭,可以兼顧中、低頻響應(yīng)。

        在激勵自由度位置使用力錘激勵時,每個激勵自由度錘擊5 次,并采用5 次平均的方式,同時觀察每個激勵自由度第2、3、4、5 次激勵時,較前幾次激勵的相干函數(shù),相干函數(shù)值越接近1,表明每次激勵的位置和力量越趨于一致;相干函數(shù)值遠(yuǎn)離1,則需刪掉此次激勵數(shù)據(jù),從新激勵,以確保測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。 試驗儀器連接框圖見圖5。

        圖5 試驗儀器連接框圖

        2.6 數(shù)據(jù)分析

        模態(tài)試驗數(shù)據(jù)處理關(guān)注全部模態(tài),任何一階模態(tài)都可能對機床的精度、 動態(tài)特性等產(chǎn)生影響。 采用有理分式多項式-Z法, 結(jié)合復(fù)指數(shù)模態(tài)函數(shù)(CMIF)和穩(wěn)態(tài)圖來識別模態(tài)參數(shù)。

        表1 列出了各階模態(tài)的頻率、阻尼比、復(fù)雜性、識別方法和識別結(jié)果。

        表1 頻率、阻尼比、復(fù)雜性和識別方法

        模態(tài)振型計算結(jié)果是否穩(wěn)定可用穩(wěn)態(tài)圖進(jìn)行判斷。圖6 中◇▽×* 符號分別表示頻響函數(shù)在整體、 振型、頻率、阻尼處保持穩(wěn)定狀態(tài)。

        圖6 穩(wěn)態(tài)圖

        圖7 可以看出,MAC 主對角線值為1(100%),說明這兩個頻率模態(tài)振型向量的正交性很好, 能夠很好的識別出結(jié)構(gòu)模態(tài)振型。

        圖7 MAC(模態(tài)置信準(zhǔn)則)值和3D 圖

        模態(tài)振型描述:

        (1)1 階振型:56.75Hz,左右擺動,滑鞍兩端產(chǎn)生局部變形,為整機剛體模態(tài),見圖8。

        圖8 1 階模態(tài)振型軸測圖

        (2)2 階振型:80.03Hz, 整機各部件同向繞Z 軸方向左右擺動,其中底座、立柱、主軸箱與滑鞍、工作臺做反向擺動,見圖9。

        圖9 2 階模態(tài)振型軸測圖

        (3)3 階振型:109.87Hz,底座、滑鞍、立柱和主軸箱繞Z軸方向做左右擺動,其中,主軸箱與底座、滑鞍、立柱左右反向擺動;工作臺在滑鞍上沿X 軸方向做左右平動,見圖10。

        圖10 3 階模態(tài)振型軸測圖

        (4)4 階振型:148.93Hz,底座、立柱、滑鞍、工作臺做前后擺動,其中底座、滑鞍、工作臺做同向擺動,立柱與底座、滑鞍、工作臺做反向擺動;主軸箱沿立柱導(dǎo)軌做上下平動,見圖11。

        圖11 4 階模態(tài)振型軸測圖

        (5)5 階振型:197.09Hz,立柱、和主軸箱繞Z 軸做反向擺動,見圖12。

        圖12 5 階模態(tài)振型軸測圖

        (6)6 階振型:205.40Hz, 整機沿Y 軸方向做前后平動;滑鞍和工作臺沿Y 軸方向做前后平動(同向)且同時做前后擺動(同向);立柱中間部位在X 軸方向做向內(nèi)收縮~向外鼓出運動;主軸箱沿立柱導(dǎo)軌做上下平動,同時主軸箱做上下擺動且與平動方向相反,見圖13。

        圖13 6 階模態(tài)振型軸測圖

        (7)7 階振型:226.66Hz,主軸箱和立柱沿Y 軸方向做同向振動;工作臺隨滑鞍做扭擺振動,見圖14。

        圖14 7 階模態(tài)振型軸測圖

        (8)8 階振型:258.02Hz,底座繞Z 軸做左右轉(zhuǎn)動,主軸箱隨立柱做同向左右擺動, 工作臺隨滑鞍做扭擺振動,見圖15。

        圖15 8 階模態(tài)振型軸測圖

        (9)9 階振型:283.91Hz,立柱做左右擺動;主軸箱繞Y 軸轉(zhuǎn)動,與立柱擺動方向相反;滑鞍做扭擺振動;工作臺做上下擺動,見圖16。

        圖16 9 階模態(tài)振型軸測圖

        (10)10 階振型:300.69Hz, 立柱中間部位做收縮~鼓出振動;主軸箱繞Y 軸方向做轉(zhuǎn)動;滑鞍與工作臺做前后擺動,同時工作臺做彎曲擺動,見圖17。

        圖17 10 階模態(tài)振型軸測圖

        3 模態(tài)試驗結(jié)果分析及改進(jìn)建議

        3.1 對各階模態(tài)參數(shù)及振型進(jìn)行分析

        (1)主軸箱前端懸伸較長,距離立柱約束端較遠(yuǎn),體現(xiàn)出剛性較差, 在左右和上下均存在彎曲振動并伴隨著扭振,且振動劇烈。

        (2)由于立柱采用平行四邊形結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)特點存在不穩(wěn)定,在左右和前后均存在彎曲振動并伴隨著扭振,立柱左右側(cè)板及后板存在收縮和鼓出振動,且振動劇烈。

        (3)滑鞍也采用平行四邊形結(jié)構(gòu),存在彎曲和扭振,但振幅較小。

        (4)底座總體剛性較好,與立柱結(jié)合部分存在局部變形。

        3.2 改進(jìn)建議

        (1)底座部分:在于立柱結(jié)合部分增加其兩條筋板形成封閉,增加抗扭轉(zhuǎn)能力,四條導(dǎo)軌處增加筋板加強導(dǎo)軌支撐面的抗扭轉(zhuǎn)能力。

        (2)滑鞍部分:滑鞍未安裝電機的端部可焊接一加筋板,使其形成封閉狀態(tài),滑鞍中間部分的三角形加強筋可改變形狀,變?yōu)閁 型結(jié)構(gòu),讓開絲桿螺母座就行。

        (3) 立柱部分: 在立柱內(nèi)部四角部分加焊三角形筋板,增加抗扭轉(zhuǎn)能力,若內(nèi)部結(jié)構(gòu)允許,可增加2 到3 條筋板十字筋與對應(yīng)側(cè)板連接,增加抗彎曲能力。

        (4)主軸箱部分:主軸箱由于懸伸較長,主要增加前端四方體部分的抗彎曲和扭轉(zhuǎn)能力,左右尺寸盡量縮小,四周壁厚可適當(dāng)增加,中間隔板若位置允許可加以筋條,外部筋條高度可適當(dāng)加高。

        4 結(jié)束語

        本試驗介紹了某型號焊接結(jié)構(gòu)立式加工中心的模態(tài)試驗方法,其它類型加工中心同樣適用此試驗方法。通過焊接結(jié)構(gòu)立式加工中心的模態(tài)試驗, 了解掌握焊接結(jié)構(gòu)立式加工中心的振動特性, 為焊接結(jié)構(gòu)立式加工中心及其他類型加工中心的振動故障診斷及結(jié)構(gòu)動態(tài)特性優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。

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