五軸聯動雕銑機床電主軸模態分析*

□ 李 林 □ 馬 平

1.廣東白云學院機電工程學院 廣州 510450

2.廣東工業大學機電工程學院 廣州 510006

1 研究背景

主軸系統是高速機床的關鍵部件，對機床的加工精度和穩定性起決定性作用。筆者研究的五軸聯動雕銑機床，采用內裝式主軸電機一體化的主軸單元，即內裝式電機主軸，簡稱電主軸［1］。該機床主要應用于小刀具精密加工領域，主軸轉速可達24 000 r/min。當主軸以超高速運轉進行實際切削加工時，容易引發整個系統共振，加劇刀具磨損或破損，增大機床導軌的動態載荷，從而降低整機壽命，且無法保持機床的精度［2］。同時，動態切削力也會引起機床的受迫振動，從而影響工件的加工精度和表面質量。因此，對電主軸結構進行動力學分析是非常必要的，模態分析法就是一種非常有效的動力學分析方法。

筆者利用模態參數識別的新技術——多參考點最小二乘復頻域（PolyMAX）法對五軸聯動雕銑機床電主軸進行模態試驗與分析，研究其動力學特征，將試驗結果和有限元模態分析結果進行比較，驗證有限元模型的有效性，為結構優化設計提供依據。

2 試驗模型和測點配置

模態試驗與分析時，通過激勵設備對機械結構進行激振，測量系統的激勵和振動響應信號，處理相關數據，擬合曲線，識別參數，計算出決定結構動力學特征的模態參數，包括模態頻率、模態阻尼比、模態振型、模態參與因子、模態質量、模態剛度和模態阻尼矩陣［3］。模態參數能夠直觀、準確地反映系統的動態特性，具有簡明、直觀和物理概念清晰等優點，因此常用于結構動態特性分析。

筆者在所測電主軸上布置了20個測點，主要根據電主軸系統振型圖中的振動方向和振動薄弱環節來確定測點位置［4］。測點分布如圖1所示。

3 電主軸模態試驗與分析

▲圖1 電主軸測點分布

采用LMS振動、噪聲、模態測試系統，傳感器采用PCB三向加速度傳感器，力錘采用與之配套的PCB力錘。試驗時采用錘擊法單點激振，利用多個頻響函數作整體曲線擬合。支承方式為采用布帶將主軸懸掛起來，使主軸處于自由狀態，這可近似作為一種最佳支承方式，避免環境振動和支承剛度對測試的影響，重復性好。分析軟件采用LMS Test.Lab中的Modal Analysis與Modal Impact模塊。

在建立好試驗裝置后，進行數據采集，并完成數據處理工作。考慮到隨機誤差，對每個測試點分別敲擊五次，對測量數據作線性平均處理，盡量減小誤差，以得到更為準確的頻響函數。

用PolyMAX法分析得到的一階～三階模態振型如圖2所示，試驗模態一階～三階頻率與振型描述見表1。

表1 試驗模態頻率與振型

考慮到所研究的高速雕銑機的轉速范圍及工作頻率段，筆者在0～3 200 Hz頻段內用PloyMAX法進行模態參數估計［5-8］，得到的穩態圖如圖3所示，在202 Hz附近有明顯的峰值。

▲圖2 試驗模態振型

▲圖3 PolyMAX法穩態圖

對比計算模態與試驗模態分析得到的振型［9-11］，發現一階試驗模態與ANSYS分析的一階模態振型基本相同，可認定二者為同一模態。計算模態與試驗模態分析得到的模態頻率對比見表2。

表2 模態頻率對比

由于筆者研究的雕銑機床最高轉速為24 000 r/min，因此只考慮頻率為400 Hz以內的影響。由表2可以看出，一階頻率誤差為4.26%。出現誤差的原因主要是約束條件存在誤差，模型的結構作了一些簡化，計算時將轉子和主軸假定為一個材料均勻的整體，而實際工藝中，可能出現彈性模量等特性差異，不可避免會產生一些誤差。

4 結論

采用PolyMAX法對電主軸進行了模態試驗與分析，得到了0～3 200 Hz頻段內的固有頻率及振型，并與對應的ANSYS模態分析結果進行誤差比較，得出理論和試驗模態分析結果基本吻合，驗證了有限元模型的正確性。

通過對電主軸進行模態分析，發現主軸一階固有頻率約為211 Hz，即在該頻率附近會引發主軸系統共振，對應的工作轉速為12 680 r/min，機床工作時應盡量避免涉及該轉速。

從模態振型圖來看，共振時最大響應出現在主軸后端，容易引起結構磨損。這說明電主軸系統的結構還不太合理，進行需要改進。