基于動態性能測試與分析的輕量化機床設計

劉妍

[摘? ? 要]在傳統機床的設計當中，普遍存在機床的材料利用率較低，設計剛度不足等問題，文章以實現輕量化的機床為設計對象，以機床設計的靜力學性能分析、模態分析以及諧響應分析為測試方法，以提高數控機床的加工精度和效率為目的，利用相關技術手段對主要部件進行三維建模，然后進行模態分析、諧響應分析、靈敏度分析等，進行輕量化機床的性能測試，達到提高機床的加工精度和效率的目的。

[關鍵詞]動態性能;輕量化;機床

[中圖分類號]TH134 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）05–00–02

Lightweight Machine Tool Design Based on Dynamic Performance Test and Analysis

Liu Yan

[Abstract]In the design of traditional machine tools， there are common problems such as low material utilization rate and insufficient design stiffness of the machine tool. The article takes the lightweight machine tool as the design object， and analyzes the statics performance， modal analysis and harmonics of the machine design. Response analysis is a testing method. The article aims to improve the machining accuracy and efficiency of CNC machine tools. It uses relevant technical means to perform three-dimensional modeling of main components， and then conducts modal analysis， harmonic response analysis， sensitivity analysis， etc.， to carry out lightweight machine tools The performance test achieves the purpose of improving the machining accuracy and efficiency of the machine tool.

[Keywords]dynamic performance; lightweight; machine tool

數控機床的加工精度及加工效率是直接體現機床結構和機床性能的重要參數，為了深入探究機床的應用形式和特點，本文基于原有機床的固有頻率和振型進行相關的探究，進而對結構進行優化設計，最大限度地保證機床的動態性能，進而有效提升機床的設計精度和效率。

1 立式加工中心動態性能測試與分析方法

機床動態特性分析主要依據的參數包括各階固有頻率、阻尼比和振型等模態參數。試驗模態是用試驗方法辨識工程動力學特性的一種有效手段，同樣也適用于立式加工中心的動態特性分析。要確定機床的動態特性，就需要對其進行模態試驗，辨識其結構動力學特性，這些特性包括激振點與各響應點之間頻響函數，工作臺、主軸箱的各階固有頻率、阻尼比、模態振型等，為進一步進行理論分析及結構修改設計提供指導。

1.1 機床動態特性主要指標有

（1）固有頻率。數控機床是由若干零部件所組成的多自由度系統，每一個自由度對應系統一個固有頻率。通常，在數控機床的振動分析中，只關心低階固有頻率（5階以下），因此，振動測試只需要測定低階固有頻率即可。當機床的激振頻率在固有頻率附近時，機床會發生強烈振動，即共振。因此，測定固有頻率對于預防共振有著重要意義。

（2）阻尼比。數控機床各部件間的阻尼比大小是代表機床抗振性的一個重要指標。因此，需要在振動測試中測定機床的阻尼比，以評價機床阻尼減振的能力。增加機床的阻尼可提高機床的動剛度和自激振動的穩定性。

（3）模態振型。數控機床的模態振型是與其固有頻率相對應

的，通常只需要測得低階固有頻率對應的模態振型。模態振型反映了機床在某個共振頻率（固有頻率）下整機的振動形態，通過振型圖可以發現機床振動幅度較大的零部件，即薄弱環節。

1.2 主要研究方法和思路

（1）采用隨機振動運行模態法獲得立式加工中心關鍵零部件和整機的固有頻率、振型、阻尼等關鍵力學特性。

（2）對加工運行狀態進行分析，得到立式加工中心在不同參數下、不同關鍵部位在加工過程中的動力學特性。

對比立式加工中心的固有頻率和加工過程中的動力學特性得到加工中改進設計方案。

2 測試方案

采用運行模態來進行加工中心動態性能測試，該方法是將模態識別看作一個概率推斷問題，使用概率來衡量結果的相關可行性。由于這種方法嚴格地滿足了假定模型的物理意義，模式識別過程中不需要嘗試加權量或者重要因子，不需要人工激勵，不影響結構的正常使用，

用分析軟件繪制出各通道頻響函數曲線，最后通過分析頻響函數獲得固有頻率、阻尼比和模態振型等重要數據。考慮到低階固有頻率相對比較容易與外部條件耦合，且結構的低階振型造成的影響較高階振型更嚴重，因此本項研究所有模態識別范圍皆取至500 Hz附近。由三組試驗整合得到的固有頻率和阻尼比的結果見表1。

將測試采集到的時程數據進行坐標變換等一系列處理后載入到模式識別軟件中進行快速傅里葉變換，得到工作臺在非工作狀態環境下加工中心工作臺分別在x、y方向在不同切削工藝參數下切削時受影響情況。表2、3中，f代表進給速度，s代表主軸電機轉速。

結果表明，加工中心工作臺在加工時主要受影響頻率為第一階36.27 Hz，第四階149.26 Hz，第五階235.58 Hz和第七階327.32 Hz。同時電機的轉速在10 000 r/min時，自激頻率166.66 Hz和其倍頻333.33 Hz與工作臺固有頻率149.26 Hz和327.32 Hz接近，這時會引起較明顯的共振現象，這時的頻率性能不適用于加工臺的工作。當進給提高后，第一階固有頻率36.27 Hz影響也會隨之增加。

同時根據表3的數據結果可以驗證，x方向加工優于y方向加工性能，加工中心主軸箱在加工時主要受影響頻率為第一階37.84 Hz，第六階158.20 Hz，第七階175.66 Hz，第十階240.89 Hz和第十一階289.49 Hz。電機的轉速在10 000 r/min時，自激頻率166.66 Hz和其倍頻333.33 Hz與主軸箱固有頻率158.20 Hz和175.66 Hz接近，會引起較明顯的共振現象。電機轉速在

14 000 r/min時，自激頻率233.33 Hz和主軸箱固有頻率240.89 Hz接近，會引起較明顯的共振現象。當進給提高后，第一階固有頻率36.27 Hz影響也會隨之增加。

3 結論

本文在進行具體的分析研究前，通過研究某型號機床的裝配結構并進行測繪，對機床加工精度影響具有代表性的零部件（機床主軸和導軌）單獨提取出來進行進一步的模型簡化和參數化設置，最后以機床零部件的設計尺寸為目標進行優化，使得機床零部件的固有頻率有所提升，從而達到提高輕量化機床動態性能的目的。

參考文獻

[1] 張偉華，賽云祥，李佳，黃漢輝.某型精密數控機床床身的優化設計及性能分析[J].機械設計，2020，37（S2）：162-167.