基于動(dòng)態(tài)性能測試與分析的輕量化機(jī)床設(shè)計(jì)

劉妍

[摘? ? 要]在傳統(tǒng)機(jī)床的設(shè)計(jì)當(dāng)中，普遍存在機(jī)床的材料利用率較低，設(shè)計(jì)剛度不足等問題，文章以實(shí)現(xiàn)輕量化的機(jī)床為設(shè)計(jì)對(duì)象，以機(jī)床設(shè)計(jì)的靜力學(xué)性能分析、模態(tài)分析以及諧響應(yīng)分析為測試方法，以提高數(shù)控機(jī)床的加工精度和效率為目的，利用相關(guān)技術(shù)手段對(duì)主要部件進(jìn)行三維建模，然后進(jìn)行模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析、靈敏度分析等，進(jìn)行輕量化機(jī)床的性能測試，達(dá)到提高機(jī)床的加工精度和效率的目的。

[關(guān)鍵詞]動(dòng)態(tài)性能;輕量化;機(jī)床

[中圖分類號(hào)]TH134 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]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(shù)控機(jī)床的加工精度及加工效率是直接體現(xiàn)機(jī)床結(jié)構(gòu)和機(jī)床性能的重要參數(shù)，為了深入探究機(jī)床的應(yīng)用形式和特點(diǎn)，本文基于原有機(jī)床的固有頻率和振型進(jìn)行相關(guān)的探究，進(jìn)而對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最大限度地保證機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能，進(jìn)而有效提升機(jī)床的設(shè)計(jì)精度和效率。

1 立式加工中心動(dòng)態(tài)性能測試與分析方法

機(jī)床動(dòng)態(tài)特性分析主要依據(jù)的參數(shù)包括各階固有頻率、阻尼比和振型等模態(tài)參數(shù)。試驗(yàn)?zāi)B(tài)是用試驗(yàn)方法辨識(shí)工程動(dòng)力學(xué)特性的一種有效手段，同樣也適用于立式加工中心的動(dòng)態(tài)特性分析。要確定機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性，就需要對(duì)其進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)，辨識(shí)其結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性，這些特性包括激振點(diǎn)與各響應(yīng)點(diǎn)之間頻響函數(shù)，工作臺(tái)、主軸箱的各階固有頻率、阻尼比、模態(tài)振型等，為進(jìn)一步進(jìn)行理論分析及結(jié)構(gòu)修改設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1.1 機(jī)床動(dòng)態(tài)特性主要指標(biāo)有

（1）固有頻率。數(shù)控機(jī)床是由若干零部件所組成的多自由度系統(tǒng)，每一個(gè)自由度對(duì)應(yīng)系統(tǒng)一個(gè)固有頻率。通常，在數(shù)控機(jī)床的振動(dòng)分析中，只關(guān)心低階固有頻率（5階以下），因此，振動(dòng)測試只需要測定低階固有頻率即可。當(dāng)機(jī)床的激振頻率在固有頻率附近時(shí)，機(jī)床會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)，即共振。因此，測定固有頻率對(duì)于預(yù)防共振有著重要意義。

（2）阻尼比。數(shù)控機(jī)床各部件間的阻尼比大小是代表機(jī)床抗振性的一個(gè)重要指標(biāo)。因此，需要在振動(dòng)測試中測定機(jī)床的阻尼比，以評(píng)價(jià)機(jī)床阻尼減振的能力。增加機(jī)床的阻尼可提高機(jī)床的動(dòng)剛度和自激振動(dòng)的穩(wěn)定性。

（3）模態(tài)振型。數(shù)控機(jī)床的模態(tài)振型是與其固有頻率相對(duì)應(yīng)

的，通常只需要測得低階固有頻率對(duì)應(yīng)的模態(tài)振型。模態(tài)振型反映了機(jī)床在某個(gè)共振頻率（固有頻率）下整機(jī)的振動(dòng)形態(tài)，通過振型圖可以發(fā)現(xiàn)機(jī)床振動(dòng)幅度較大的零部件，即薄弱環(huán)節(jié)。

1.2 主要研究方法和思路

（1）采用隨機(jī)振動(dòng)運(yùn)行模態(tài)法獲得立式加工中心關(guān)鍵零部件和整機(jī)的固有頻率、振型、阻尼等關(guān)鍵力學(xué)特性。

（2）對(duì)加工運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，得到立式加工中心在不同參數(shù)下、不同關(guān)鍵部位在加工過程中的動(dòng)力學(xué)特性。

對(duì)比立式加工中心的固有頻率和加工過程中的動(dòng)力學(xué)特性得到加工中改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。

2 測試方案

采用運(yùn)行模態(tài)來進(jìn)行加工中心動(dòng)態(tài)性能測試，該方法是將模態(tài)識(shí)別看作一個(gè)概率推斷問題，使用概率來衡量結(jié)果的相關(guān)可行性。由于這種方法嚴(yán)格地滿足了假定模型的物理意義，模式識(shí)別過程中不需要嘗試加權(quán)量或者重要因子，不需要人工激勵(lì)，不影響結(jié)構(gòu)的正常使用，

用分析軟件繪制出各通道頻響函數(shù)曲線，最后通過分析頻響函數(shù)獲得固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型等重要數(shù)據(jù)?？紤]到低階固有頻率相對(duì)比較容易與外部條件耦合，且結(jié)構(gòu)的低階振型造成的影響較高階振型更嚴(yán)重，因此本項(xiàng)研究所有模態(tài)識(shí)別范圍皆取至500 Hz附近。由三組試驗(yàn)整合得到的固有頻率和阻尼比的結(jié)果見表1。

將測試采集到的時(shí)程數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)變換等一系列處理后載入到模式識(shí)別軟件中進(jìn)行快速傅里葉變換，得到工作臺(tái)在非工作狀態(tài)環(huán)境下加工中心工作臺(tái)分別在x、y方向在不同切削工藝參數(shù)下切削時(shí)受影響情況。表2、3中，f代表進(jìn)給速度，s代表主軸電機(jī)轉(zhuǎn)速。

結(jié)果表明，加工中心工作臺(tái)在加工時(shí)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(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速在10 000 r/min時(shí)，自激頻率166.66 Hz和其倍頻333.33 Hz與工作臺(tái)固有頻率149.26 Hz和327.32 Hz接近，這時(shí)會(huì)引起較明顯的共振現(xiàn)象，這時(shí)的頻率性能不適用于加工臺(tái)的工作。當(dāng)進(jìn)給提高后，第一階固有頻率36.27 Hz影響也會(huì)隨之增加。

同時(shí)根據(jù)表3的數(shù)據(jù)結(jié)果可以驗(yàn)證，x方向加工優(yōu)于y方向加工性能，加工中心主軸箱在加工時(shí)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(jī)的轉(zhuǎn)速在10 000 r/min時(shí)，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(huì)引起較明顯的共振現(xiàn)象。電機(jī)轉(zhuǎn)速在

14 000 r/min時(shí)，自激頻率233.33 Hz和主軸箱固有頻率240.89 Hz接近，會(huì)引起較明顯的共振現(xiàn)象。當(dāng)進(jìn)給提高后，第一階固有頻率36.27 Hz影響也會(huì)隨之增加。

3 結(jié)論

本文在進(jìn)行具體的分析研究前，通過研究某型號(hào)機(jī)床的裝配結(jié)構(gòu)并進(jìn)行測繪，對(duì)機(jī)床加工精度影響具有代表性的零部件（機(jī)床主軸和導(dǎo)軌）單獨(dú)提取出來進(jìn)行進(jìn)一步的模型簡化和參數(shù)化設(shè)置，最后以機(jī)床零部件的設(shè)計(jì)尺寸為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，使得機(jī)床零部件的固有頻率有所提升，從而達(dá)到提高輕量化機(jī)床動(dòng)態(tài)性能的目的。

參考文獻(xiàn)

[1] 張偉華，賽云祥，李佳，黃漢輝.某型精密數(shù)控機(jī)床床身的優(yōu)化設(shè)計(jì)及性能分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2020，37（S2）：162-167.