龍門立式加工中心模態分析

林鵬， 張希芳， 吳迪

（1.中捷機床有限公司，沈陽110142；2.沈陽機床股份有限公司 數控刀架分公司，沈陽110142）

0 引言

立式加工中心的主軸與工作臺面互相垂直，多采用固定立柱的結構形式，工作臺多為長方形結構，無分度回轉功能，是盤、套、板類零件的理想加工設備，具有3個正交直線運動坐標軸，在工作臺上安裝1個沿水平軸旋轉的回轉臺，可構成四軸加工中心，再安裝1個沿豎直軸旋轉的回轉臺，則可構成五軸加工中心。

龍門銑床是具有門式框架和臥式床身結構的銑床。定梁式龍門加工中心橫梁固定，工作臺移動或轉動；動梁式龍門加工中心橫梁上下移動，工作臺前后移動；動柱式龍門加工中心工作臺固定，龍門架移動；天車式龍門加工中心工作臺固定，橫梁移動。不同類型的龍門加工中心的加工的特性、加工能力、加工用途不盡相同。

模態分析是研究結構動力特性的方法，是系統辨別方法在工程振動領域中的應用。模態是機械結構的固有振動特性，每一個模態具有特定的固有頻率、阻尼比和模態振型。這些模態參數可以由計算或試驗分析取得，這樣一個計算或試驗分析過程稱為模態分析。這個分析過程如果是由有限元計算的方法取得的，則稱為計算模態分析；如果通過試驗將采集的系統輸入與輸出信號經過參數識別獲得模態參數，稱為試驗模態分析[1-3]。

1 龍門立式加工中心的結構

1.1 三軸加工中心

如圖1為龍門立式加工中心，該加工中心為三軸立式加工中心，采用龍門動梁框架結構，與傳統立加相比，具有更強剛性，Y軸采用雙軸驅動，運行更加平穩，抗振能力更強。適合模具、3C產品及汽車零部件的加工。

其中，床身及立柱固定不動，床身和立柱采用分體設計，便于鑄造和加工。Y軸采用雙驅設計、安裝在立柱上，結構更加緊湊，具有更好的動態性能，統一的安裝平臺，具有很好的擴展性。橫梁模塊采用了X軸方向的標準化的驅動單元，具有更好的替換性和擴展性，優化的橫梁結構使其具有更高的彎曲剛度和扭轉剛度。滑板采用了優化的結構形式，更小的質量、更大的跨距保證其足夠的剛性、更小的滑枕截面尺寸，使機床結構更加緊湊，并在滑枕端面增加大流量工件冷卻。滑板上安裝有Z軸驅動系統，驅動主軸箱上下移動。主要技術參數如表1所示。

圖1 三軸龍門立式加工中心

表1 加工中心主要技術參數

1.2 四軸和五軸加工中心

在如圖1所示的三軸龍門立式加工中心的基礎上，龍門動梁結構搭配水平單軸轉臺，實現零件三面的集成加工，構成3+1軸龍門立式加工中心，可適合液壓閥體、泵體、汽車缸體的加工。

在三軸龍門立式加工中心的基礎上，龍門動梁結構搭配搖籃式AC軸轉臺，形成龍門立式五軸加工中心，實現五軸五面的定位加工，3+2軸龍門立式加工中心，適合汽車底盤復雜零件，多面體箱體及殼體的加工。龍門四軸立式加工中心和龍門五軸立式加工中心的結構如圖2所示。

圖2 龍門四軸及五軸立式加工中心

2 有限元模態分析

圖3 有限元分析各階振型

模態分析用于計算機床整機結構和部件的振動特征，其方程式如下[4-7]：

其中：K為剛度矩陣；M為質量矩陣；ω為固有頻率；φ為振動模態。

通過對公式的求解可得到各階固有頻率和振型。

利用有限元的方法，采用ANSYS軟件進行模態分析。床身、立柱、橫梁為鑄鐵材料，在支撐地腳處施加約束，按六面體單元劃分網格。計算各階固有頻率見表2，振型如圖3所示。

其中，1階、6階、8階模態主要為立柱X向擺動，而其他階次都為主軸擺動，其中2、3、7階主要為主軸俯仰，4、5階為主軸X向擺動。除6階外其他各階振型都表明機床振動對主軸軸頭部位都有一定影響，主軸滑臺與橫梁承重部位是薄弱環節。

3 試驗模態分析

3.1 試驗方法

按GB/T 16768-1997金屬切削機床振動測量方法，在未安裝防護的條件下進行機床振動測量。檢測儀器為B&K振動測試分析儀，檢測方法為加速度傳感器測振動烈度。采用力錘對本臺機床部件進行了模態試驗，測得各階固有頻率、阻尼比和振型等模態參數[8-9]。

圖4 振動測量試驗

本測量采用單點激勵多點響應的方法，首先把機床調整到正常加工狀態，采用磁鐵吸附方式固定加速度傳感器，采用力錘敲擊，使用2個三方向加速度傳感器在模型的x、y、z等3個方向進行響應測量，經過分析軟件通過多種方法反復識別，最后得出整機的模態試驗結果。圖4為實驗現場。

表2 模態分析結果

3.2 結果分析

測量的各階頻率見表2，圖5為試驗模擬的各階模態振型。

綜合對比該機床模態振型，有限元分析的固有頻率和實驗測量的固有頻率比較一致，模擬的基本振型也大致相同，床身及兩個立柱均比較穩定，薄弱環節在主軸箱與X軸滑板之間的連接上。

4 結 論

對比ANSYS模擬模態分析結果和實際模態測試結果，有限元分析的固有頻率和實驗測量的固有頻率比較一致，模擬的基本振型也大致相同。

床身及2個立柱均比較穩定，主要薄弱點在于X軸滑板剛度相對較低，后續工作可通過更換導軌絲杠型號改進結構。

由于龍門的2個立柱位置比較靠后導致床身前后振動不一致，使工作臺的振動偏大。由于主軸箱直接安裝在Z軸上，這樣工作臺和主軸這兩個工作部件都成為了加大振動的薄弱環節，這可能會導致機床加工精度受影響，后續設計可將工作臺位置進行改進。