基于錘擊法的木工雙擺角銑頭模態(tài)分析

王雙永

（中國林業(yè)科學(xué)研究院 木材工業(yè)研究所，北京 100091）

基于錘擊法的木工雙擺角銑頭模態(tài)分析

王雙永

（中國林業(yè)科學(xué)研究院 木材工業(yè)研究所，北京 100091）

根據(jù)多體系統(tǒng)理論與模態(tài)分析原理，綜合考慮木工雙擺角銑頭的結(jié)構(gòu)特點，確定采用試驗?zāi)B(tài)分析方法，研究木工雙擺角銑頭的振動特性；提出運用PULSE多分析儀系統(tǒng)，采用錘擊法對木工雙擺角銑頭整體結(jié)構(gòu)進行試驗測試分析；得出木工雙擺角銑頭前六階模態(tài)對應(yīng)的固有頻率、阻尼比和結(jié)構(gòu)模態(tài)振型，結(jié)果表明該木工雙擺角銑頭抗振性能滿足木材加工要求。

木工雙擺角銑頭；試驗?zāi)B(tài)；錘擊法；振動特性

0　引言

木工雙擺角銑頭是木材高速加工中心的核心功能部件，其動力學(xué)性能直接影響加工精度，研究木工雙擺角銑頭的動力學(xué)特性對提高加工質(zhì)量具有重要意義。通常采用模態(tài)分析法獲得關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的固有頻率和模態(tài)振型，結(jié)構(gòu)的動剛度及抗振性能很大程度上取決于固有頻率，薄弱結(jié)構(gòu)可以通過模態(tài)振型反映出來。相比理論分析和虛擬模態(tài)，試驗?zāi)B(tài)具有操作簡單、分析結(jié)果可信度高等優(yōu)點，應(yīng)用越來越廣泛[1,2]。本文主要采用試驗?zāi)B(tài)分析方法，對木工雙擺角銑頭進行振動特性分析，得到相關(guān)結(jié)構(gòu)動力學(xué)參數(shù)及可視化的整機模態(tài)振型，為進一步的結(jié)構(gòu)改進與性能優(yōu)化提供參考。

1　模態(tài)分析概述

模態(tài)分析主要包括虛擬模態(tài)和試驗?zāi)B(tài)兩種方法。虛擬模態(tài)是利用ANSYS、ADAMS等有限元分析軟件進行一定的簡化分析得到機械結(jié)構(gòu)的理論固有頻率與振型，主要用于單一零件或結(jié)構(gòu)不太復(fù)雜的關(guān)鍵部件的動態(tài)分析。試驗?zāi)B(tài)則是通過試驗激振設(shè)備對機械結(jié)構(gòu)進行激振，動態(tài)測量系統(tǒng)通過加速度傳感器接收激勵和振動響應(yīng)信號，再通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換和快速傅里葉變換（FFT）處理相關(guān)數(shù)據(jù)，計算出各種函數(shù)，得出各階固有頻率、阻尼比和振型等參數(shù)，根據(jù)結(jié)果分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的動力特征，錘擊法是模態(tài)試驗中較簡單的一種方法[3]。

錘擊法是運用力錘敲打系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的被測點，力錘上的測力傳感器拾取激勵信號，拾振點的加速度傳感器拾取響應(yīng)信號，然后通過現(xiàn)代測試技術(shù)手段，借助脈沖實驗原理、FFT和莫泰理論等，解出被測結(jié)構(gòu)的傳遞函數(shù)，進而獲得相應(yīng)模態(tài)參數(shù)。這種方法快速、準(zhǔn)確、簡單、有效，能夠反映出被測結(jié)構(gòu)的振動屬性。

對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)輸入一個脈沖信號，被測結(jié)構(gòu)將會產(chǎn)生微幅振動，即產(chǎn)生位移、速度和加速度等響應(yīng)信號[4,5]。通過計算脈沖信號自功率譜響應(yīng)信號自功率譜SXX(f)以及脈沖響應(yīng)信號互功率譜SYX(f)，可獲得結(jié)構(gòu)頻響函數(shù)H(f)和相干函數(shù)具體公式如下：

假設(shè)單位理想脈沖的持續(xù)時間為無窮小，則可用狄拉克函數(shù)表示為：

其傅里葉變換為：

2　銑頭模態(tài)試驗

2.1試驗工具

本試驗采用B&K公司的PULSE多分析儀系統(tǒng)，包括的工具型號及參數(shù)如表1所示。分析軟件具有Model分析和FFT分析等功能，主要用于采集分析激勵信號及加速度響應(yīng)信號等。

表1　試驗工具型號及參數(shù)

測試對象為木工雙擺角銑頭，由PULSE多分析儀系統(tǒng)和被測木工雙擺角銑頭組成的試驗平臺如圖1所示。

圖1　模態(tài)試驗平臺

測試原理如圖2所示。安裝在沖擊力錘前端的測力傳感器通過錘擊木工雙擺角銑頭的測點，產(chǎn)生激勵信號，固定在木工雙擺角銑頭上的加速度傳感器拾取加速度響應(yīng)信號，所有信號通過數(shù)據(jù)采集分析儀的采集、濾波、放大等處理，傳輸給計算機，通過模態(tài)測試分析軟件得出試驗?zāi)B(tài)結(jié)果。

圖2　模態(tài)測試原理

2.2試驗過程

試驗所測的木工雙擺角銑頭屬于輕載型單臂懸掛式結(jié)構(gòu)，主要包含兩個擺軸及主殼體支撐，為模擬實際工況采用固定支撐方式[6]。為盡可能完整的獲取模態(tài)信息，并遵循拾振簡化的原則，結(jié)合該木工雙擺角銑頭的結(jié)構(gòu)特點，設(shè)置31個拾振點，測點分布及相應(yīng)編號如圖3所示。

圖3　測試點分布及編號

本試驗采用固定響應(yīng)參考點的方式，用蜂蠟將加速度傳感器固定在高速電主軸前端外側(cè)，符合右手笛卡爾坐標(biāo)系。根據(jù)模態(tài)分析原理，結(jié)合木工雙擺角銑頭結(jié)構(gòu)特點進行參數(shù)設(shè)置，每個拾振點重復(fù)試驗5次。

通過多分析儀系統(tǒng)對沖擊力和響應(yīng)加速度數(shù)據(jù)進行采集，內(nèi)部進行FFT變換處理及綜合分析，然后由Measurement得出某一測點的加速度頻響函數(shù)曲線和相干函數(shù)曲線，分別如圖4和圖5所示。

圖4　某一測點加速度頻響曲線

圖5　某一測點相干函數(shù)曲線

由圖4可知，該木工雙擺角銑頭的振動加速度頻率響應(yīng)曲線的波峰主要集中在0～200Hz范圍內(nèi)，最大峰值對應(yīng)的頻率在170Hz～190Hz之間。結(jié)合圖5，該測點的相干函數(shù)曲線波動較小，基本上趨于穩(wěn)定，表明該測點的振動加速度頻率響應(yīng)信號有效。

綜合考慮實際加工工況和可能引起共振的頻率范圍，選擇提取測試結(jié)果的前六階模態(tài)進行分析。

2.3試驗結(jié)果處理與分析

由于實際試驗環(huán)境條件較為復(fù)雜，存在一定不可預(yù)知的干擾，實測曲線存在一些小波動，通過模態(tài)辨識對其擬合，消除不必要的干擾[7]。

將實際測得木工雙擺角銑頭結(jié)構(gòu)頻響函數(shù)曲線與軟件擬合曲線進行對比，如圖6所示，其中黑色曲線代表實測結(jié)果，紅色曲線代表擬合結(jié)果。所得擬合曲線能夠反映實測結(jié)果的變化趨勢，由圖可以看出前六階固有頻率相對比較集中，第七階固有頻率大于800Hz。

圖6　結(jié)構(gòu)頻響函數(shù)曲線擬合結(jié)果比較

通過MEScope軟件的模態(tài)振型分析功能，結(jié)合試驗數(shù)據(jù)可得木工雙擺角銑頭整機結(jié)構(gòu)各階模態(tài)對應(yīng)的模態(tài)振型，如圖7所示。

圖7　木工雙擺角銑頭模態(tài)振型

通過結(jié)構(gòu)模態(tài)辨識的參數(shù)計算，可得木工雙擺角銑頭各階模態(tài)對應(yīng)的固有頻率和阻尼比，表2為整機結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)及相應(yīng)的振型描述。

2.4試驗結(jié)論

通過以上試驗?zāi)B(tài)結(jié)果分析，木工雙擺角銑頭前六階模態(tài)對應(yīng)的固有頻率在30Hz～200Hz范圍內(nèi)，阻尼比2%～9%，該結(jié)構(gòu)可以有效避免共振。由結(jié)構(gòu)模態(tài)振型結(jié)果分析可知，該木工雙擺角銑頭整體結(jié)構(gòu)繞Z軸扭轉(zhuǎn)的振型形態(tài)最為顯著，因此，要重點優(yōu)化木工雙擺角銑頭主殼體支撐結(jié)構(gòu)，以提高該結(jié)構(gòu)繞Z軸的扭轉(zhuǎn)剛度。

【】【】

表2　結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)及振型描述

第一階（31.2Hz）和第四階（74.6Hz）模態(tài)時的振型，主要是木工雙擺角銑頭結(jié)構(gòu)整體繞Z軸扭轉(zhuǎn)和繞X軸擺動的耦合，即工作過程中對A軸位置精度的影響較大，對C軸位置精度的影響較??；因此，在A軸驅(qū)動工作時，應(yīng)盡量避免第一階和第四階固有頻率。

第二階（40.3Hz）和第三階（48.5Hz）模態(tài)時的振型，主要是木工雙擺角銑頭結(jié)構(gòu)整體繞Z軸扭轉(zhuǎn)和繞Y軸擺動的耦合，即工作過程中對C軸和A軸位置精度的影響均較大；因此，只要所有工作狀態(tài)下都應(yīng)盡量避免第二階和第三階固有頻率。

第五階（83.8Hz）和第六階（187Hz）模態(tài)時的振型，包括木工雙擺角銑頭結(jié)構(gòu)整體繞Z軸扭轉(zhuǎn)和繞Z軸振動的耦合、主殼體支撐繞Z軸扭轉(zhuǎn)和電主軸繞X軸擺動，主要影響對C軸傳動位置精度，而且在第六階模態(tài)時出現(xiàn)電主軸繞X軸擺動的趨勢；因此，應(yīng)提高木工雙擺角銑頭部件的裝配精度及可靠性，保證高速電主軸的裝配剛度。

總體來說，該木工雙擺角銑頭的阻尼比相對較大，可以有效減小整體結(jié)構(gòu)的共振振幅，共振頻率相對集中，可以有效避開該范圍。另外，木工雙擺角銑頭的主軸工作轉(zhuǎn)速范圍18000～24000r/min，其自激振動頻率遠大于以上六階固有頻率，且遠小于第七階固有頻率。因此，如果不考慮擺軸驅(qū)動電機和實際切削異常產(chǎn)生振動的影響，該木工雙擺角銑頭工作時不會發(fā)生共振現(xiàn)象。

3　結(jié)束語

綜合考慮木工雙擺角銑頭的結(jié)構(gòu)特點，提出運用PULSE多分析儀系統(tǒng)，采用錘擊法對木工雙擺角銑頭整體結(jié)構(gòu)進行試驗?zāi)B(tài)分析。根據(jù)錘擊法和振動測試原理，介紹了試驗步驟及注意事項，通過試驗得出木工雙擺角銑頭前六階模態(tài)對應(yīng)的固有頻率、阻尼比和結(jié)構(gòu)模態(tài)振型，最后對試驗結(jié)果進行了分析，結(jié)果表明該木工雙擺角銑頭抗振性能滿足木材加工要求。本文采用的試驗原理與分析方法可為木工雙擺角銑頭及木材高速加工裝備的結(jié)構(gòu)改進與性能優(yōu)化提供參考依據(jù)，對完善木材高速精深加工、提高木材加工質(zhì)量和利用率、節(jié)能環(huán)保等具有重要意義。

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Modal analysis of woodworking swing milling head based on hammering method

WANG Shuang-yong

TH161

A

1009-0134(2016)02-0089-04

2015-10-13

王雙永（1988 -），男，山東滕州人，研究實習(xí)員，碩士，主要從事木材加工及檢測技術(shù)裝備研究與開發(fā)工作。