基于錘擊法的木工雙擺角銑頭模態分析

王雙永

（中國林業科學研究院 木材工業研究所，北京 100091）

基于錘擊法的木工雙擺角銑頭模態分析

王雙永

（中國林業科學研究院 木材工業研究所，北京 100091）

根據多體系統理論與模態分析原理，綜合考慮木工雙擺角銑頭的結構特點，確定采用試驗模態分析方法，研究木工雙擺角銑頭的振動特性；提出運用PULSE多分析儀系統，采用錘擊法對木工雙擺角銑頭整體結構進行試驗測試分析；得出木工雙擺角銑頭前六階模態對應的固有頻率、阻尼比和結構模態振型，結果表明該木工雙擺角銑頭抗振性能滿足木材加工要求。

木工雙擺角銑頭；試驗模態；錘擊法；振動特性

0　引言

木工雙擺角銑頭是木材高速加工中心的核心功能部件，其動力學性能直接影響加工精度，研究木工雙擺角銑頭的動力學特性對提高加工質量具有重要意義。通常采用模態分析法獲得關鍵結構的固有頻率和模態振型，結構的動剛度及抗振性能很大程度上取決于固有頻率，薄弱結構可以通過模態振型反映出來。相比理論分析和虛擬模態，試驗模態具有操作簡單、分析結果可信度高等優點，應用越來越廣泛[1,2]。本文主要采用試驗模態分析方法，對木工雙擺角銑頭進行振動特性分析，得到相關結構動力學參數及可視化的整機模態振型，為進一步的結構改進與性能優化提供參考。

1　模態分析概述

模態分析主要包括虛擬模態和試驗模態兩種方法。虛擬模態是利用ANSYS、ADAMS等有限元分析軟件進行一定的簡化分析得到機械結構的理論固有頻率與振型，主要用于單一零件或結構不太復雜的關鍵部件的動態分析。試驗模態則是通過試驗激振設備對機械結構進行激振，動態測量系統通過加速度傳感器接收激勵和振動響應信號，再通過模/數轉換和快速傅里葉變換（FFT）處理相關數據，計算出各種函數，得出各階固有頻率、阻尼比和振型等參數，根據結果分析系統結構的動力特征，錘擊法是模態試驗中較簡單的一種方法[3]。

錘擊法是運用力錘敲打系統結構的被測點，力錘上的測力傳感器拾取激勵信號，拾振點的加速度傳感器拾取響應信號，然后通過現代測試技術手段，借助脈沖實驗原理、FFT和莫泰理論等，解出被測結構的傳遞函數，進而獲得相應模態參數。這種方法快速、準確、簡單、有效，能夠反映出被測結構的振動屬性。

對系統結構輸入一個脈沖信號，被測結構將會產生微幅振動，即產生位移、速度和加速度等響應信號[4,5]。通過計算脈沖信號自功率譜響應信號自功率譜SXX(f)以及脈沖響應信號互功率譜SYX(f)，可獲得結構頻響函數H(f)和相干函數具體公式如下：

假設單位理想脈沖的持續時間為無窮小，則可用狄拉克函數表示為：

其傅里葉變換為：

2　銑頭模態試驗

2.1試驗工具

本試驗采用B&K公司的PULSE多分析儀系統，包括的工具型號及參數如表1所示。分析軟件具有Model分析和FFT分析等功能，主要用于采集分析激勵信號及加速度響應信號等。

表1　試驗工具型號及參數

測試對象為木工雙擺角銑頭，由PULSE多分析儀系統和被測木工雙擺角銑頭組成的試驗平臺如圖1所示。

圖1　模態試驗平臺

測試原理如圖2所示。安裝在沖擊力錘前端的測力傳感器通過錘擊木工雙擺角銑頭的測點，產生激勵信號，固定在木工雙擺角銑頭上的加速度傳感器拾取加速度響應信號，所有信號通過數據采集分析儀的采集、濾波、放大等處理，傳輸給計算機，通過模態測試分析軟件得出試驗模態結果。

圖2　模態測試原理

2.2試驗過程

試驗所測的木工雙擺角銑頭屬于輕載型單臂懸掛式結構，主要包含兩個擺軸及主殼體支撐，為模擬實際工況采用固定支撐方式[6]。為盡可能完整的獲取模態信息，并遵循拾振簡化的原則，結合該木工雙擺角銑頭的結構特點，設置31個拾振點，測點分布及相應編號如圖3所示。

圖3　測試點分布及編號

本試驗采用固定響應參考點的方式，用蜂蠟將加速度傳感器固定在高速電主軸前端外側，符合右手笛卡爾坐標系。根據模態分析原理，結合木工雙擺角銑頭結構特點進行參數設置，每個拾振點重復試驗5次。

通過多分析儀系統對沖擊力和響應加速度數據進行采集，內部進行FFT變換處理及綜合分析，然后由Measurement得出某一測點的加速度頻響函數曲線和相干函數曲線，分別如圖4和圖5所示。

圖4　某一測點加速度頻響曲線

圖5　某一測點相干函數曲線

由圖4可知，該木工雙擺角銑頭的振動加速度頻率響應曲線的波峰主要集中在0～200Hz范圍內，最大峰值對應的頻率在170Hz～190Hz之間。結合圖5，該測點的相干函數曲線波動較小，基本上趨于穩定，表明該測點的振動加速度頻率響應信號有效。

綜合考慮實際加工工況和可能引起共振的頻率范圍，選擇提取測試結果的前六階模態進行分析。

2.3試驗結果處理與分析

由于實際試驗環境條件較為復雜，存在一定不可預知的干擾，實測曲線存在一些小波動，通過模態辨識對其擬合，消除不必要的干擾[7]。

將實際測得木工雙擺角銑頭結構頻響函數曲線與軟件擬合曲線進行對比，如圖6所示，其中黑色曲線代表實測結果，紅色曲線代表擬合結果。所得擬合曲線能夠反映實測結果的變化趨勢，由圖可以看出前六階固有頻率相對比較集中，第七階固有頻率大于800Hz。

圖6　結構頻響函數曲線擬合結果比較

通過MEScope軟件的模態振型分析功能，結合試驗數據可得木工雙擺角銑頭整機結構各階模態對應的模態振型，如圖7所示。

圖7　木工雙擺角銑頭模態振型

通過結構模態辨識的參數計算，可得木工雙擺角銑頭各階模態對應的固有頻率和阻尼比，表2為整機結構的模態參數及相應的振型描述。

2.4試驗結論

通過以上試驗模態結果分析，木工雙擺角銑頭前六階模態對應的固有頻率在30Hz～200Hz范圍內，阻尼比2%～9%，該結構可以有效避免共振。由結構模態振型結果分析可知，該木工雙擺角銑頭整體結構繞Z軸扭轉的振型形態最為顯著，因此，要重點優化木工雙擺角銑頭主殼體支撐結構，以提高該結構繞Z軸的扭轉剛度。

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表2　結構模態參數及振型描述

第一階（31.2Hz）和第四階（74.6Hz）模態時的振型，主要是木工雙擺角銑頭結構整體繞Z軸扭轉和繞X軸擺動的耦合，即工作過程中對A軸位置精度的影響較大，對C軸位置精度的影響較小；因此，在A軸驅動工作時，應盡量避免第一階和第四階固有頻率。

第二階（40.3Hz）和第三階（48.5Hz）模態時的振型，主要是木工雙擺角銑頭結構整體繞Z軸扭轉和繞Y軸擺動的耦合，即工作過程中對C軸和A軸位置精度的影響均較大；因此，只要所有工作狀態下都應盡量避免第二階和第三階固有頻率。

第五階（83.8Hz）和第六階（187Hz）模態時的振型，包括木工雙擺角銑頭結構整體繞Z軸扭轉和繞Z軸振動的耦合、主殼體支撐繞Z軸扭轉和電主軸繞X軸擺動，主要影響對C軸傳動位置精度，而且在第六階模態時出現電主軸繞X軸擺動的趨勢；因此，應提高木工雙擺角銑頭部件的裝配精度及可靠性，保證高速電主軸的裝配剛度。

總體來說，該木工雙擺角銑頭的阻尼比相對較大，可以有效減小整體結構的共振振幅，共振頻率相對集中，可以有效避開該范圍。另外，木工雙擺角銑頭的主軸工作轉速范圍18000～24000r/min，其自激振動頻率遠大于以上六階固有頻率，且遠小于第七階固有頻率。因此，如果不考慮擺軸驅動電機和實際切削異常產生振動的影響，該木工雙擺角銑頭工作時不會發生共振現象。

3　結束語

綜合考慮木工雙擺角銑頭的結構特點，提出運用PULSE多分析儀系統，采用錘擊法對木工雙擺角銑頭整體結構進行試驗模態分析。根據錘擊法和振動測試原理，介紹了試驗步驟及注意事項，通過試驗得出木工雙擺角銑頭前六階模態對應的固有頻率、阻尼比和結構模態振型，最后對試驗結果進行了分析，結果表明該木工雙擺角銑頭抗振性能滿足木材加工要求。本文采用的試驗原理與分析方法可為木工雙擺角銑頭及木材高速加工裝備的結構改進與性能優化提供參考依據，對完善木材高速精深加工、提高木材加工質量和利用率、節能環保等具有重要意義。

[1] Wang SY, Zhang W, Zhang QW, et al. Reliability Analysis about A/C-axis of Woodworking Five-axis Milling Head[J].Applied Mechanics and Materials.2014:407-410.

[2] 蔡力鋼,馬仕明,趙永勝,等.重載擺角銑頭模態分析與實驗研究[J].振動與沖擊, 2011(7):250-255.

[3] 傅志方,華宏星.模態分析理論與應用[M].上海:上海交通大學出版社,2000.

[4] 陳艷,張松,趙濱,等.高速龍門加工中心擺角銑頭動態特性分析[J].制造技術與機床, 2014(7):68-73.

[5] 黃禮彬,趙波.試驗模態分析中的錘擊法[J].洛陽工程院學報, 1990,11(2):35-42.

[6] 王雙永,張偉,張鵬飛.木工雙擺角銑頭C軸回轉精度測試與分析[J].制造技術與機床,2015(6):139-142.

[7] 陳甜甜.龍門銑床雙擺頭動力學特性實驗研究[J].機床與液壓, 2013(19):7-11.

Modal analysis of woodworking swing milling head based on hammering method

WANG Shuang-yong

TH161

A

1009-0134(2016)02-0089-04

2015-10-13

王雙永（1988 -），男，山東滕州人，研究實習員，碩士，主要從事木材加工及檢測技術裝備研究與開發工作。