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1基于模態(tài)試驗(yàn)的動(dòng)態(tài)特性分析

1.1試驗(yàn)方案

模態(tài)試驗(yàn)是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的有效手段之一^[1]，合理的試驗(yàn)方案有助于模態(tài)試驗(yàn)的開展。因此，對(duì) KVC800立式加工中心進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)時(shí)，首先需要確定出較為合適試驗(yàn)方案。該加工中心結(jié)構(gòu)主要由工作 臺(tái)、床身、立柱、主軸箱等組成，工作臺(tái)作縱向進(jìn)給，床鞍作橫向進(jìn)給，主軸箱作垂向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，三個(gè)進(jìn) 給方向?qū)к壘鶠榫匦螌?dǎo)軌，電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠通過導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)過程中采用采用單點(diǎn)激 勵(lì)多點(diǎn)響應(yīng)開展模態(tài)測(cè)試，根據(jù)KVC800立式加工中心的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，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(jù)，確定激振點(diǎn)與響應(yīng)點(diǎn)的布置方案。

工作臺(tái)激勵(lì)點(diǎn)布置在其振型較大的四個(gè)角點(diǎn)中任一角點(diǎn)附近；床身激勵(lì)點(diǎn)則布置在其振型變化大的上 半部分右側(cè)面；立柱部分激勵(lì)點(diǎn)施加在其振型變化明顯的上右側(cè)面；主軸箱部分由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將激勵(lì) 點(diǎn)布置在有較明顯振動(dòng)的底部主軸的圓柱面上。

以有限元分析結(jié)果為指導(dǎo)，并考慮加速度傳感器以及數(shù)據(jù)采集通道的數(shù)量來布置響應(yīng)點(diǎn)，避免大量試 驗(yàn)的盲目性。工作臺(tái)響應(yīng)點(diǎn)主要布置在其上表面的四個(gè)頂點(diǎn)處；基于響應(yīng)點(diǎn)不布置在對(duì)稱面的原則，床身 響應(yīng)點(diǎn)則分布在其右側(cè)面的四個(gè)頂點(diǎn)以及前面上端的兩頂點(diǎn)處；立柱響應(yīng)點(diǎn)主要分布在右側(cè)面四角點(diǎn)和頂 部兩點(diǎn)；考慮到主軸箱屬于薄壁結(jié)構(gòu)，它的響應(yīng)點(diǎn)則布置在下端主軸的兩個(gè)圓柱面上，空間呈90°夾角來 布置兩測(cè)點(diǎn)。

1.2測(cè)試系統(tǒng)

采用丹麥B&K測(cè)試系統(tǒng)開展模態(tài)測(cè)試。整個(gè)模態(tài)測(cè)試分析系統(tǒng)如圖1所示，主要由激勵(lì)系統(tǒng)、數(shù)據(jù) 采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)三部分組成。

圖1模態(tài)測(cè)試分析系統(tǒng)

試驗(yàn)中的激勵(lì)系統(tǒng)通過8206-002型脈沖力錘(圖2a)施加激勵(lì)，該型號(hào)的力錘承受的壓力范圍為 0?2200N。根據(jù)測(cè)試需求，力錘可選用不同的錘頭，力錘錘頭匹配數(shù)據(jù)表如表1所示。由于KVC800立式 加工中心主軸的工作轉(zhuǎn)頻范圍為10~6000r/min，試驗(yàn)過程中關(guān)注100Hz以內(nèi)的固有頻率，因而選用橡膠錘 頭，并且安裝配重，以產(chǎn)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(nèi)^[2]。

為了獲得各個(gè)方向的完整模態(tài)信息，每個(gè)響應(yīng)點(diǎn)布置三個(gè)方向的加速度傳感器，由自制底座將3個(gè)單 向傳感器組合而成(如圖2b)。試驗(yàn)中由力傳感器和加速度傳感器測(cè)得信號(hào)經(jīng)過丹麥BK數(shù)據(jù)采集器(如圖2c) 和MTC Hammer模態(tài)測(cè)試軟件采集和儲(chǔ)存，再由Reflex模態(tài)分析軟件進(jìn)行模態(tài)分析。

1.3參數(shù)設(shè)置

測(cè)試過程中，首先設(shè)置好采集通道中的力錘激勵(lì)力信號(hào)以及加速度響應(yīng)信號(hào)，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(lì)點(diǎn)、響應(yīng)點(diǎn)位置和方向的選擇。還需確定以下各參數(shù)來完成試驗(yàn)， 并確保試驗(yàn)質(zhì)量。

1) 分析頻率

許多文獻(xiàn)指出，機(jī)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(jī)的動(dòng)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(guān)注100Hz以內(nèi)的頻段，故設(shè)定的分析頻段為0?100Hz。

2) 米樣頻率

根據(jù)采樣定理，采樣頻率必須大于信號(hào)的高分析頻率的兩倍，方可保證離散信號(hào)能惟一恢復(fù)到原連 續(xù)信號(hào)而不失真^[6]，實(shí)際測(cè)試中常常將采樣頻率略為放大。本次測(cè)試采樣頻率為2048Hz。

3) 平均次數(shù)

為了減少噪聲干擾，提高頻譜分析的精度，試驗(yàn)采用多次敲擊，對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行平均化處理來計(jì)算頻 響函數(shù)，試驗(yàn)中平均次數(shù)設(shè)置為5次。

4) 力錘觸發(fā)設(shè)置

設(shè)置合理的觸發(fā)方式對(duì)于瞬態(tài)信號(hào)的捕獲有很大的作用。根據(jù)表1所提供的力錘匹配數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)的添 加附加質(zhì)量的橡膠錘頭，激勵(lì)力應(yīng)設(shè)置在100?700N之間，結(jié)合操作者力度的大小，以及試驗(yàn)中多次的試 敲，將120N設(shè)置為其激勵(lì)力閾值，當(dāng)力錘敲擊力大小超過120N時(shí)產(chǎn)生激勵(lì)力。

5) 窗函數(shù)選取

分析處理響應(yīng)信號(hào)時(shí)需要截?cái)嘈盘?hào)，往往易帶來截?cái)嗾`差，截取的有限長信號(hào)不能*反應(yīng)出原信號(hào) 的頻率特性，所以需要添加窗函數(shù)來減小誤差^[7]。由于力的持續(xù)時(shí)間短，在其后的剩余時(shí)間，任何噪聲都 是不希望的，所以激勵(lì)信號(hào)加力窗以減小噪聲的影響，響應(yīng)信號(hào)加指數(shù)窗以減小泄漏誤差。

1.4結(jié)果分析

采用頻域總體曲線擬合法對(duì)模態(tài)參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別^[8-9]，加工中心工作臺(tái)、床身、立柱以及主軸箱四個(gè) 部分的模態(tài)分析結(jié)果見圖3。

2 基于升速過程瀑布圖的動(dòng)態(tài)特性分析及對(duì)比驗(yàn)證

手動(dòng)開啟數(shù)控加工中心至高轉(zhuǎn)速，試驗(yàn)過程中主軸高轉(zhuǎn)速設(shè)置為5500r/min，利用B&K測(cè)試系統(tǒng)的 Labshop數(shù)據(jù)采集與分析模塊對(duì)整個(gè)升速過程的振動(dòng)信號(hào)予以記錄，并進(jìn)行了瀑布圖分析，瀑布圖中的突變點(diǎn)反映了加工中心的各階固有頻率[10]。在加工中心工作臺(tái)、床身、立柱以及主軸箱分別測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)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(duì)應(yīng)的模態(tài)頻率并加以對(duì)比，如表2所示。

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