1基于模態(tài)試驗的動態(tài)特性分析
1.1試驗方案
模態(tài)試驗是研究結構動態(tài)特性的有效手段之一[1]，合理的試驗方案有助于模態(tài)試驗的開展。因此，對 kvc800立式加工中心進行模態(tài)試驗時，首先需要確定出較為合適試驗方案。該加工中心結構主要由工作 臺、床身、立柱、主軸箱等組成，工作臺作縱向進給，床鞍作橫向進給，主軸箱作垂向進給運動，三個進 給方向導軌均為矩形導軌，電機帶動滾珠絲杠通過導軌實現三個方向的運動。試驗過程中采用采用單點激 勵多點響應開展模態(tài)測試，根據kvc800立式加工中心的結構特點，通過ansys有限元模態(tài)分析，獲取加 工中心的主要振型，以此為依據，確定激振點與響應點的布置方案。
工作臺激勵點布置在其振型較大的四個角點中任一角點附近；床身激勵點則布置在其振型變化大的上 半部分右側面；立柱部分激勵點施加在其振型變化明顯的上右側面；主軸箱部分由于其結構特點，將激勵 點布置在有較明顯振動的底部主軸的圓柱面上。
以有限元分析結果為指導，并考慮加速度傳感器以及數據采集通道的數量來布置響應點，避免大量試 驗的盲目性。工作臺響應點主要布置在其上表面的四個頂點處；基于響應點不布置在對稱面的原則，床身 響應點則分布在其右側面的四個頂點以及前面上端的兩頂點處；立柱響應點主要分布在右側面四角點和頂 部兩點；考慮到主軸箱屬于薄壁結構，它的響應點則布置在下端主軸的兩個圓柱面上，空間呈90°夾角來 布置兩測點。
1.2測試系統(tǒng)
采用丹麥b&k測試系統(tǒng)開展模態(tài)測試。整個模態(tài)測試分析系統(tǒng)如圖1所示，主要由激勵系統(tǒng)、數據 采集系統(tǒng)、數據處理系統(tǒng)三部分組成。
圖1模態(tài)測試分析系統(tǒng)
試驗中的激勵系統(tǒng)通過8206-002型脈沖力錘(圖2a)施加激勵，該型號的力錘承受的壓力范圍為 0?2200n。根據測試需求，力錘可選用不同的錘頭，力錘錘頭匹配數據表如表1所示。由于kvc800立式 加工中心主軸的工作轉頻范圍為10~6000r/min，試驗過程中關注100hz以內的固有頻率，因而選用橡膠錘 頭，并且安裝配重，以產生比較大的沖擊力從而激發(fā)出更多模態(tài)，使能量分散在比較寬頻率范圍內[2]。
表1力錘錘頭匹配數據表
錘頭材質
頻率范圍
脈沖時間
壓力范圍
鐵
0?7khz
0.20ms
500~5000n
塑料
0?2khz
0.57ms
300~1000n
橡膠
0?500hz
2.7ms
100~700n
為了獲得各個方向的完整模態(tài)信息，每個響應點布置三個方向的加速度傳感器，由自制底座將3個單 向傳感器組合而成(如圖2b)。試驗中由力傳感器和加速度傳感器測得信號經過丹麥bk數據采集器(如圖2c) 和mtc hammer模態(tài)測試軟件采集和儲存，再由reflex模態(tài)分析軟件進行模態(tài)分析。
1.3參數設置
測試過程中，首先設置好采集通道中的力錘激勵力信號以及加速度響應信號，在軟件中按比例建立好 加工中心各部件的簡化模型，完成激勵點、響應點位置和方向的選擇。還需確定以下各參數來完成試驗， 并確保試驗質量。
1) 分析頻率
許多文獻指出，機床的前幾階模態(tài)主要集中在低頻階段，且基本上決定了整機的動態(tài)特性[4-5]。影響加 工中心性能的頻率范圍主要是低頻段，本文主要關注100hz以內的頻段，故設定的分析頻段為0?100hz。
2) 米樣頻率
根據采樣定理，采樣頻率必須大于信號的高分析頻率的兩倍，方可保證離散信號能惟一恢復到原連 續(xù)信號而不失真[6]，實際測試中常常將采樣頻率略為放大。本次測試采樣頻率為2048hz。
3) 平均次數
為了減少噪聲干擾，提高頻譜分析的精度，試驗采用多次敲擊，對采樣數據進行平均化處理來計算頻 響函數，試驗中平均次數設置為5次。
4) 力錘觸發(fā)設置
設置合理的觸發(fā)方式對于瞬態(tài)信號的捕獲有很大的作用。根據表1所提供的力錘匹配數據，對應的添 加附加質量的橡膠錘頭，激勵力應設置在100?700n之間，結合操作者力度的大小，以及試驗中多次的試 敲，將120n設置為其激勵力閾值，當力錘敲擊力大小超過120n時產生激勵力。
5) 窗函數選取
分析處理響應信號時需要截斷信號，往往易帶來截斷誤差，截取的有限長信號不能*反應出原信號 的頻率特性，所以需要添加窗函數來減小誤差[7]。由于力的持續(xù)時間短，在其后的剩余時間，任何噪聲都 是不希望的，所以激勵信號加力窗以減小噪聲的影響，響應信號加指數窗以減小泄漏誤差。
1.4結果分析
采用頻域總體曲線擬合法對模態(tài)參數進行自動識別[8-9]，加工中心工作臺、床身、立柱以及主軸箱四個 部分的模態(tài)分析結果見圖3。
2 基于升速過程瀑布圖的動態(tài)特性分析及對比驗證
手動開啟數控加工中心至高轉速，試驗過程中主軸高轉速設置為5500r/min，利用b&k測試系統(tǒng)的 labshop數據采集與分析模塊對整個升速過程的振動信號予以記錄，并進行了瀑布圖分析，瀑布圖中的突變點反映了加工中心的各階固有頻率[10]。在加工中心工作臺、床身、立柱以及主軸箱分別測得的振動信號分析所得瀑布圖，如圖4所示。
從模態(tài)圖與瀑布圖中篩選相互對應的模態(tài)頻率并加以對比，如表2所示。
表2模態(tài)試驗與升速瀑布圖所得模態(tài)頻率對比(單位：hz)
模態(tài)試驗
升速瀑布圖
誤差率/°%
46.43
50
7.14
丄坐口 _
67.25
64
5.08
52.62
50
5.24
床身
60.88
64
4.88
48.80
50
2.4
立仕 ■
67.36
64
5.25
47.69
50
4.42
土軸相
62.92
64
1.69
由表2可知，50hz和64hz為整機的固有模態(tài)，在實際加工工件過程中，應盡量避免50hz及64hz 的工作轉頻，即3000r/min和3840r/min的主軸工作轉速。
3結論
1) 利用丹麥b&k測試系統(tǒng)，采用單點激勵多點響應，對kvc800立式加工中心主要部件工作臺、床 身、立柱和主軸箱開展了模態(tài)測試，從試驗方案、測試系統(tǒng)、參數設置和結果分析幾方面探討了試驗過程的開展，獲取了各主要部件的模態(tài)參數。
2) 利用b&k測試系統(tǒng)對加工中心整個升速過程的振動信號予以記錄，并進行了瀑布圖分析，并從中 獲取模態(tài)信息，與試驗模態(tài)測試結果進行了對比驗證。
3) 通過模態(tài)測試分析與升速過程瀑布圖分析，獲知50hz和64hz為加工中心整機固有頻率，實際使 用過程中應避開3000r/min和3840r/min的主軸工作轉速，為加工中心的優(yōu)化運行提供了可靠依據。
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