某立式加工中心的動力學測試和結構分析研究

朱鐵軍 吳玉亮

摘要：機床切削能力的高低在很大程度上受動態性能的影響。本文對某立式加工中心進行了一系列的動力學測試，獲得其共振頻率、阻尼比、模態振型、動剛度的動態特性，并對動態特性進行了分析研究以定位機床在動態性能上的薄弱環節。

關鍵詞：立式加工中心；動力學測試；結構分析；動態性能

前言

機床的動態性能指的主要是機床的振動特性，或者說機床抵抗振動的能力，其主要參數包括振動速度、動剛度、固有頻率、阻尼比、模態振型等。對動態性能的優化就是對機床抗振性和切削穩定性的提升[1]。本文以某立式加工中心為例，綜合運用多種動力學測試方式對其進行分析試驗，在測試的結果上找出機床的薄弱環節并指出改進方向。

1.機床的動力學測試

1.1測試方案

首先對機床作空轉振動測試，檢測并排除可能存在的主軸動平衡問題，獲取機床當前的振動數據；接下來作部件和整機的模態測試，獲取機床的共振頻率、阻尼比、模態振型，初步掌握機床的動態特性，為機床的結構優化與調整提供基礎數據和參考信息；最后作動剛度測試，獲取機床各部件的動剛度值，了解其抗振性。

1.2主軸空轉振動測試

“振動”可以理解為測試點的絕對位置改變的“快慢”或“劇烈”的程度[2]。振動對應的物理量有位移、速度、加速度三種。通常低頻時，注重的是振動位移帶來的破壞，即疲勞強度的破壞，主要與位移成正比；中頻注重的是振動部件的疲勞，主要與速度成正比；高頻時注重的是能量的沖擊及共振的影響，主要與加速度成正比。因此這里采用振動速度的有效值來衡量機床的振動量。進行測試的目的主要是為了排除可能存在的動平衡問題，并對機床當前的振動情況有個初步的了解。

該機床的設計標準為轉速不大于20000rpm時，主軸振動不大于1.5mm/s。從結果來看，在整個轉速范圍內振動值并未超標，僅在大約10000rpm和14000rpm的時候振動偏大，這是典型的結構共振現象；進一步觀察振動曲線，發現也不存在主軸某個方向振動過大的問題，且6000rpm和12000rpm時振動量也不大，初步可判斷主軸系統并不存在動平衡/不對心/組件松動等問題。

1.3模態測試和動剛度測試

物體的振動方式通常是用頻率、阻尼比和模態振型等參數來描述的，而模態分析就是用來識別出這些參數的手段。動剛度指的是機床結構在受到一定的動態載荷時的動態位移，與被加工工件的表面形狀和抗顫振特性密切相關。模態測試和動剛度測試通常用來為結構動力特性的優化設計提供依據。

測試采用錘擊法，單點輸入多點輸出、錘擊點固定、傳感器移動。機床分五部分分別建模：床身、滑鞍、工作臺、立柱和主軸箱。按照能表征出結構的大致形狀特征以及所有感興趣的模態的規則布置了共99個測點。測試時分別測試了工作臺自由模態、主軸箱自由模態、立柱自由模態和整機模態，測試自由模態時需將被測鑄件用彈性繩懸吊。測試現場、模型及測點如圖2。

整機的模態測試結果如表1。

根據模態振型對測試結果進行分析：300hz以下時，主軸箱為主要振動部件；300hz到500hz時，工作臺為主要振動部件；500hz以上時，床身開始振動。

在床身、工作臺、立柱、主軸箱上分別取點，將對應點的頻響曲線積分兩次，得到動柔度曲線，觀察動柔度曲線，可發現工作臺的動柔度最高，達到了0.14e-6m/N，遠高于床身的0.06e-6m/N，也就是說工作臺的動剛度有些低。

2.測試結果分析和結構弱點定位

主軸空轉振動時測得機床的共振主要出現在主軸轉速10000轉和14000轉的時候，其對應的自激頻率為166.6hz和233.3hz；模態測試指出，主軸箱的固有頻率包含158hz（主軸箱繞y軸旋轉帶有扭轉）及241.03hz（主軸箱繞X軸旋轉）；工作臺的固有頻率包含327hz（工作臺左側繞X軸扭轉）；動剛度測試指出工作臺的動剛度偏低。可以看出，主軸10000轉時的共振受主軸箱和工作臺雙方面的影響，14000轉時的共振則主要受工作臺的影響。結構改進的主要方向為避開10000轉和14000轉的共振、增加工作臺動剛度，以及減小主軸箱、工作臺的振動。

3.結論

本文以某立式加工中心為對象，進行了綜合的動力學測試與分析研究，主要包括：

1）明確并設計了對機床進行綜合動力學測試的流程和方法。

2）以該機床為對象，進行了綜合的動力學測試，獲取了其各動力學參數。

3）對測試結果進行分析，定位機床的薄弱環節并指出對機床進行結構優化的方向。

參考文獻

[1] 黃志堅，高立新，廖一凡 機械設備振動故障檢測與診斷[M]. 北京：化學工業出版社，2010.

[2] 李有堂. 機械振動理論與應用[M] . 北京：科學出版社，2012.

[3] 應申舜，林綠高，計時鳴. 基于模態參數驗證的機床結構件優化設計[J]. 浙江大學學報（工學版），2018，52（10）：1880-1887.

作者簡介：朱鐵軍（1983-），男，遼寧沈陽，哈爾濱工業大學碩士研究生，沈陽機床設計研究院實驗室工程師，主要研究方向數控機床動力學測試與研究、數控機床熱誤差測試與補償、數控機床測試軟件研發等。

（作者單位：沈陽機床（集團）有限責任公司）