立式加工中心整機(jī)動(dòng)態(tài)特性分析

范季錚， 于慎波， 王田， 梁贏東

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng)110870）

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品的加工對(duì)數(shù)控機(jī)床的加工精度，加工效率都提出了更高的要求，加工中心因其高效率、高精度、高穩(wěn)定性等特點(diǎn)，在機(jī)械裝備制造業(yè)得到了廣泛應(yīng)用[1]。加工中心的動(dòng)態(tài)特性直接關(guān)系到加工性能、精度和可靠性，其整機(jī)性能對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的幾何精度和表面加工質(zhì)量有著重要影響[2]。因此，獲取整機(jī)動(dòng)態(tài)特性的參數(shù)對(duì)于提高加工中心的加工精度有指導(dǎo)意義,并為加工中心后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供可靠依據(jù)。

本文對(duì)某企業(yè)自主研發(fā)的G7龍門立式加工中心整機(jī)進(jìn)行了有限元建模，完成了模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析工作。通過(guò)試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，驗(yàn)證了有限元模型的準(zhǔn)確性。

1 有限元建模

由于整機(jī)模型過(guò)于復(fù)雜，直接計(jì)算求解模態(tài)分析不但費(fèi)時(shí)而且準(zhǔn)確性也會(huì)降低，因此首先在SolidWorks軟件中對(duì)整機(jī)進(jìn)行建模，同時(shí)對(duì)影響網(wǎng)格質(zhì)量的特征進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圓角圓孔等，忽略對(duì)整機(jī)影響小的零件，然后將簡(jiǎn)化好的模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench前處理模塊中進(jìn)行材料屬性添加及網(wǎng)格劃分。添加的材料如表1所示。

表1 整機(jī)關(guān)鍵零部件材料物理性能

整機(jī)的實(shí)體部分采用單元Solid45劃分，絲杠采用梁?jiǎn)卧狟eam118模擬。模型采用自由劃分網(wǎng)格方法，總共劃分了130 034個(gè)Solid45單元，402個(gè)Beam118單元，其有限元模型如圖1所示。機(jī)床的結(jié)合部位為了模擬工作狀態(tài)，在所有滑移部件接合面處采用No Separation模擬，如滑鞍和滑枕、滑鞍和橫梁、工作臺(tái)和床身、絲杠與套筒等。在所有固定部件接合面處采用Bonded模擬。由于模態(tài)實(shí)驗(yàn)時(shí)立式加工中心是直接放置于地面上的，因此約束床身底面的全部自由度作為邊界條件

2 整機(jī)模態(tài)分析

在模態(tài)分析中，結(jié)構(gòu)的無(wú)阻尼動(dòng)力學(xué)方程為

設(shè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的自由振動(dòng)為簡(jiǎn)諧振動(dòng)，則位移為正弦函數(shù)：

將式（2）代入式（1）得

由式（3）可知，模態(tài)分析問(wèn)題轉(zhuǎn)化為特征值提取問(wèn)題，式中ωi2為方程的特征值，將ωi2開方得到ωi為結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率，與特征值相對(duì)應(yīng)的特征向量即為模態(tài)振型此方法也成為模態(tài)提取法。

圖1 整機(jī)有限元模型圖

在ANSYS Workbench的模態(tài)分析模塊中采用BlockLanczos模態(tài)提取法對(duì)整機(jī)有限元模型進(jìn)行求解，前6階模態(tài)頻率結(jié)果如表2所示，前6階振型云圖如圖2所示。由振型圖及表中振型描述可知，在立式加工中心的關(guān)鍵零部件中，主軸箱和橫梁為參與振動(dòng)的主要敏感部位。

表2 前6階模態(tài)頻率

圖2 整機(jī)前6階振型云圖

3 諧響應(yīng)分析

諧響應(yīng)分析主要目的是預(yù)測(cè)整機(jī)在外部激勵(lì)下的頻響,并與振動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)照[4]。為了能與試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，模擬試驗(yàn)條件，將外部激振力設(shè)為1 N，方向如圖3所示。由于加工中心主要工作頻率為低頻，因此設(shè)定激振力頻率范圍為0～600 Hz，采用模態(tài)疊加法分100步進(jìn)行該頻率段內(nèi)的無(wú)阻尼動(dòng)態(tài)諧響應(yīng)求解，分別得到了主軸頭部X、Y方向的加速度頻響函數(shù)，如圖4所示。由圖4可知，X方 向的主要峰值頻率為480 Hz，y軸方向的主要峰值頻率 為 440 Hz。

圖3 仿真激振力方向

圖4 主軸頭的仿真頻響函數(shù)

4 整機(jī)模態(tài)測(cè)試

模態(tài)試驗(yàn)采用的是移動(dòng)力錘法進(jìn)行測(cè)試，利用丹麥B&K模態(tài)試驗(yàn)分析系統(tǒng)進(jìn)行分析。測(cè)試設(shè)備包括4508B型單項(xiàng)加速度傳感器、8207型力錘、3050A型數(shù)據(jù)采集器、筆記本電腦等。測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。由于立式加工中心整機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試條件限制等原因，我們選擇了幾個(gè)具有代表性的點(diǎn)，對(duì)加工中心的主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試。

在試驗(yàn)中，外部激勵(lì)力由移動(dòng)的力錘激勵(lì)立式加工中心的不同部位。3個(gè)加速度傳感器安裝在主軸頭上，目的是得到這3個(gè)方向的響應(yīng)信號(hào)，力錘及加速度傳感器布局如圖6所示。

考慮到立式加工中心整機(jī)的質(zhì)量較重，以及通常在低轉(zhuǎn)速下運(yùn)作的工作條件，我們著重研究立式加工中心整機(jī)的低頻段動(dòng)態(tài)特性。在丹麥B&K模態(tài)測(cè)試軟件PULSE中選定主要分析頻段為0～600 Hz。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中為了避免敲擊力度不均以及敲擊點(diǎn)偏移等問(wèn)題，我們將每點(diǎn)敲擊次數(shù)設(shè)置為3次，并在敲擊過(guò)程中觀察頻響函數(shù)及相干性函數(shù)來(lái)確認(rèn)敲擊是否準(zhǔn)確，最大程度上保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

圖5 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

圖6 力錘及加速度傳感器布局圖

主軸頭上測(cè)得的頻響函數(shù)如圖7所示，由圖7可知,x軸、y軸方向主要峰值頻率均為444 Hz。圖8為實(shí)測(cè)與仿真頻響函數(shù)對(duì)比圖，由圖8可知，所測(cè)曲線與模擬仿真曲線在同一方向上主要峰值對(duì)應(yīng)頻率相近。表3列出了實(shí)測(cè)固有頻率和仿真固有頻率及其相對(duì)誤差。誤差基本在10%以內(nèi)。因此我們認(rèn)為整個(gè)加工中心的有限元模型是比較準(zhǔn)確的，可以用該有限元模型來(lái)預(yù)測(cè)整個(gè)立式加工中心的特性[5]。

表3 實(shí)測(cè)固有頻率與仿真固有頻率對(duì)比

圖7 主軸頭頻響函數(shù)

圖8 實(shí)測(cè)與仿真頻響函數(shù)對(duì)比圖

通過(guò)對(duì)整機(jī)的動(dòng)態(tài)特性分析可知，整機(jī)的1階固有頻率為29.94 Hz，隨著模態(tài)階數(shù)的增大，固有頻率不斷升高。此立式加工中心通常工作轉(zhuǎn)速為400 r/min，齒頻基波頻率為40 Hz，該齒頻與整機(jī)2階模態(tài)頻率相近，齒頻的4倍頻與整機(jī)6階模態(tài)頻率接近，后續(xù)優(yōu)化過(guò)程需要將第2階和第6階固有頻率盡量避免齒頻的基頻及其倍頻為優(yōu)化目標(biāo)。由整機(jī)的前6階模態(tài)振型圖可知，2階模態(tài)和6階模態(tài)振型分別為立柱、橫梁、主軸箱、刀庫(kù)沿X方向左右擺動(dòng)和立柱、橫梁、主軸箱、刀庫(kù)前后和左右復(fù)合扭擺動(dòng)，其中主軸箱和橫梁為參與振動(dòng)的主要敏感部位，這兩階振型在實(shí)際加工過(guò)程中對(duì)工件的加工精度影響均較大，所以在后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程中，應(yīng)將主軸箱和橫梁作為主要的優(yōu)化對(duì)象。

5 結(jié) 論

本文建立了立式加工中心的整機(jī)有限元模型，進(jìn)行了整機(jī)模態(tài)分析和主軸頭部的諧響應(yīng)分析。通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，模態(tài)頻率基本吻合，主軸頭部頻響函數(shù)主要峰值頻率相近，驗(yàn)證了整機(jī)有限元模型的準(zhǔn)確性。通過(guò)對(duì)整機(jī)的模態(tài)分析，確定了主軸箱和橫梁為立式加工中心的敏感部位，為后續(xù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化做鋪墊。