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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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?qū)к壘鶠榫匦螌к墸姍C帶動滾珠絲杠通過導軌實現(xiàn)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(jù)KVC800立式加工中心的結(jié)構(gòu)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(jù)，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(cè)面；立柱部分激勵點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，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(jié)果為指導，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(cè)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(cè)面四角點和頂 部兩點；考慮到主軸箱屬于薄壁結(jié)構(gòu)，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(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(jù)測試需求，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，試驗過程中關注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(jīng)過丹麥BK數(shù)據(jù)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(shù)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(shù)來完成試驗， 并確保試驗質(zhì)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(nèi)的頻段，故設定的分析頻段為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(shù)

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(shù)據(jù)進行平均化處理來計算頻 響函數(shù)，試驗中平均次數(shù)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(jù)表1所提供的力錘匹配數(shù)據(jù)，對應的添 加附加質(zhì)量的橡膠錘頭，激勵力應設置在100?700N之間，結(jié)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(chǎn)生激勵力。

5) 窗函數(shù)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(shù)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(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模態(tài)參數(shù)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(jié)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(shù)控加工中心至高轉(zhuǎn)速，試驗過程中主軸高轉(zhuǎn)速設置為5500r/min，利用B&K測試系統(tǒng)的 Labshop數(shù)據(jù)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。

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