焊接結構立式加工中心試驗模態分析

王 林， 董應明， 韓玉穩， 趙彥鵬

（云南省機電一體化應用技術重點實驗室/云南省機械研究設計院， 云南 昆明 650031）

0 引言

數控機床做為制造業的母機，對其加工精度、動靜態穩定性等方面都提出了越來越高的要求，床身、立柱及主軸箱等基礎件性能的好壞直接影響機床的加工精度和零件的表面質量，機床床身等基礎件材料主要有鑄鐵、鋼板和型鋼焊接結構、普通混凝土、預應力鋼筋混凝土、天然花崗巖和人造花崗巖等， 本文試驗的機床為焊接結構立式加工中心。使用力錘通過瞬態錘擊法對主軸進行激振，采用最小二乘復指數法識別模態參數， 得出準確的固有頻率、阻尼比和模態振型。 分析得出機床的動態特性，確定薄弱環節所在，并提出相應的改進意見，為同類機床的結構動力學優化設計提供試驗數據支持。

1 模態試驗運用簡述

模態試驗對于研究機械結構的動態特性、 了解結構的薄弱環節及結構優化設計具有重要的指導意義， 是結構動態設計及設備故障診斷的重要方法。 模態分析最終目標是識別出系統的模態參數， 為結構系統的振動特性分析、 振動故障診斷和預報以及結構動力特性的優化設計提供依據。

模態分析技術的應用可歸結為： ①評價現有結構系統的動態特性； ②在新產品設計中進行結構動態特性的預估和優化設計；③診斷及預報結構系統的故障；④控制結構的輻射噪聲；⑤識別結構系統的載荷。

2 焊接結構立式加工中心模態試驗

2.1 試驗內容及目的

對某型號焊接結構立式加工中心進行模態， 提出可以提升立式加工中心結構動力特性及動態穩定性的模態識別參數， 為生產廠家對立式加工中心的結構優化提供理論與數據支持。

2.2 試驗對象

試驗對象為某型號焊接結構立式加工中心， 主要大件分別由底座、滑鞍、工作臺、立柱和主軸箱。 其中底座、滑鞍和立柱由鋼板焊接而成， 工作臺由HT250 灰鐵鑄造而成，主軸箱由球鐵鑄造而成，各零件均經過時效處理。

立柱與底座通過螺栓固定連接， 滑鞍通過直線導軌副與底座相連做Y 向運動， 工作臺通過直線導軌副與滑鞍連接做X 向運動， 主軸箱通過直線導軌副與立柱連接做Z 向運動。主軸最高轉速為6000r/min。機床按照規范安裝在測試平臺上， 機床水平及幾何精度均按照相關標準要求調試完成，見圖1。

圖1 焊接結構立式加工中心

2.3 試驗設備

通過B&K8207 力錘進行激振，B&K4506B 三向加速度傳感器獲得響應信號， 使用B&K3660C 數據采集前端采集數據，PULSE 分析軟件完成整個分析過程。

2.4 試驗方案

（1）技術路線。 焊接結構立式加工中心試驗模態分析技術路線見圖2。

圖2 試驗模態分析技術路線圖

（2）試驗方案。首先建立焊接結構立式加工中心的幾何模型，對機床進行均勻布點，雖然均勻布點試驗會增加試驗成本和試驗時間，降低試驗效率，但是采取均勻布點具有不易漏掉關鍵模態，模態振型可辨識性強等優點。 對焊接結構式加工中心采取均勻布點可以很方便地獲得結構的前三階模態，特別獲得較好的低階模態振型。

整個數控機床共布置1032 個測點， 測量自由度為1032×3=3096。 激勵點選擇在主軸上，數量為1 個，激勵自由度為2 個正交方向（圖3），總FRF=3096×2=6192（圖4）。

圖3 激勵自由度（主軸的2 個正交方向）

圖4 響應測量自由度（響應測點總數1032 個，測量自由度3096 個）

2.5 激勵及數據采集

采用錘擊法對加工中心進行激振，力錘錘頭越硬（如金屬錘頭）越易激起高頻響應，力錘錘頭越軟（如塑料錘頭）越易激起低頻響應。本次試驗針對加工中心的特性選用硬質尼龍錘頭，可以兼顧中、低頻響應。

在激勵自由度位置使用力錘激勵時，每個激勵自由度錘擊5 次，并采用5 次平均的方式，同時觀察每個激勵自由度第2、3、4、5 次激勵時，較前幾次激勵的相干函數，相干函數值越接近1，表明每次激勵的位置和力量越趨于一致；相干函數值遠離1，則需刪掉此次激勵數據，從新激勵，以確保測試數據的準確性。 試驗儀器連接框圖見圖5。

圖5 試驗儀器連接框圖

2.6 數據分析

模態試驗數據處理關注全部模態，任何一階模態都可能對機床的精度、 動態特性等產生影響。 采用有理分式多項式-Z法， 結合復指數模態函數（CMIF）和穩態圖來識別模態參數。

表1 列出了各階模態的頻率、阻尼比、復雜性、識別方法和識別結果。

表1 頻率、阻尼比、復雜性和識別方法

模態振型計算結果是否穩定可用穩態圖進行判斷。圖6 中◇▽×* 符號分別表示頻響函數在整體、 振型、頻率、阻尼處保持穩定狀態。

圖6 穩態圖

圖7 可以看出，MAC 主對角線值為1（100%），說明這兩個頻率模態振型向量的正交性很好， 能夠很好的識別出結構模態振型。

圖7 MAC（模態置信準則）值和3D 圖

模態振型描述：

（1）1 階振型：56.75Hz，左右擺動，滑鞍兩端產生局部變形，為整機剛體模態，見圖8。

圖8 1 階模態振型軸測圖

（2）2 階振型：80.03Hz， 整機各部件同向繞Z 軸方向左右擺動，其中底座、立柱、主軸箱與滑鞍、工作臺做反向擺動，見圖9。

圖9 2 階模態振型軸測圖

（3）3 階振型：109.87Hz，底座、滑鞍、立柱和主軸箱繞Z軸方向做左右擺動，其中，主軸箱與底座、滑鞍、立柱左右反向擺動；工作臺在滑鞍上沿X 軸方向做左右平動，見圖10。

圖10 3 階模態振型軸測圖

（4）4 階振型：148.93Hz，底座、立柱、滑鞍、工作臺做前后擺動，其中底座、滑鞍、工作臺做同向擺動，立柱與底座、滑鞍、工作臺做反向擺動；主軸箱沿立柱導軌做上下平動，見圖11。

圖11 4 階模態振型軸測圖

（5）5 階振型：197.09Hz，立柱、和主軸箱繞Z 軸做反向擺動，見圖12。

圖12 5 階模態振型軸測圖

（6）6 階振型：205.40Hz， 整機沿Y 軸方向做前后平動；滑鞍和工作臺沿Y 軸方向做前后平動（同向）且同時做前后擺動（同向）；立柱中間部位在X 軸方向做向內收縮～向外鼓出運動；主軸箱沿立柱導軌做上下平動，同時主軸箱做上下擺動且與平動方向相反，見圖13。

圖13 6 階模態振型軸測圖

（7）7 階振型：226.66Hz，主軸箱和立柱沿Y 軸方向做同向振動；工作臺隨滑鞍做扭擺振動，見圖14。

圖14 7 階模態振型軸測圖

（8）8 階振型：258.02Hz，底座繞Z 軸做左右轉動，主軸箱隨立柱做同向左右擺動， 工作臺隨滑鞍做扭擺振動，見圖15。

圖15 8 階模態振型軸測圖

（9）9 階振型：283.91Hz，立柱做左右擺動；主軸箱繞Y 軸轉動，與立柱擺動方向相反；滑鞍做扭擺振動；工作臺做上下擺動，見圖16。

圖16 9 階模態振型軸測圖

（10）10 階振型：300.69Hz， 立柱中間部位做收縮～鼓出振動；主軸箱繞Y 軸方向做轉動；滑鞍與工作臺做前后擺動，同時工作臺做彎曲擺動，見圖17。

圖17 10 階模態振型軸測圖

3 模態試驗結果分析及改進建議

3.1 對各階模態參數及振型進行分析

（1）主軸箱前端懸伸較長，距離立柱約束端較遠，體現出剛性較差， 在左右和上下均存在彎曲振動并伴隨著扭振，且振動劇烈。

（2）由于立柱采用平行四邊形結構，其結構特點存在不穩定，在左右和前后均存在彎曲振動并伴隨著扭振，立柱左右側板及后板存在收縮和鼓出振動，且振動劇烈。

（3）滑鞍也采用平行四邊形結構，存在彎曲和扭振，但振幅較小。

（4）底座總體剛性較好，與立柱結合部分存在局部變形。

3.2 改進建議

（1）底座部分：在于立柱結合部分增加其兩條筋板形成封閉，增加抗扭轉能力，四條導軌處增加筋板加強導軌支撐面的抗扭轉能力。

（2）滑鞍部分：滑鞍未安裝電機的端部可焊接一加筋板，使其形成封閉狀態，滑鞍中間部分的三角形加強筋可改變形狀，變為U 型結構，讓開絲桿螺母座就行。

（3） 立柱部分： 在立柱內部四角部分加焊三角形筋板，增加抗扭轉能力，若內部結構允許，可增加2 到3 條筋板十字筋與對應側板連接，增加抗彎曲能力。

（4）主軸箱部分：主軸箱由于懸伸較長，主要增加前端四方體部分的抗彎曲和扭轉能力，左右尺寸盡量縮小，四周壁厚可適當增加，中間隔板若位置允許可加以筋條，外部筋條高度可適當加高。

4 結束語

本試驗介紹了某型號焊接結構立式加工中心的模態試驗方法，其它類型加工中心同樣適用此試驗方法。通過焊接結構立式加工中心的模態試驗， 了解掌握焊接結構立式加工中心的振動特性， 為焊接結構立式加工中心及其他類型加工中心的振動故障診斷及結構動態特性優化設計提供理論依據。