1.1试验方案
模态试验是研究结构动态特性的有效手段之一[1],合理的试验方案有助于模态试验的开展。因此,对 KVC800立式加工中心进行模态试验时,首先需要确定出较为合适试验方案。该加工中心结构主要由工作 台、床身、立柱、主轴箱等组成,工作台作纵向进给,床鞍作横向进给,主轴箱作垂向进给运动,三个进 给方向导轨均为矩形导轨,电机带动滚珠丝杠通过导轨实现三个方向的运动。试验过程中采用采用单点激 励多点响应开展模态测试,根据KVC800立式加工中心的结构特点,通过Ansys有限元模态分析,获取加 工中心的主要振型,以此为依据,确定激振点与响应点的布置方案。
工作台激励点布置在其振型较大的四个角点中任一角点附近;床身激励点则布置在其振型变化大的上 半部分右侧面;立柱部分激励点施加在其振型变化明显的上右侧面;主轴箱部分由于其结构特点,将激励 点布置在有较明显振动的底部主轴的圆柱面上。
以有限元分析结果为指导,并考虑加速度传感器以及数据采集通道的数量来布置响应点,避免大量试 验的盲目性。工作台响应点主要布置在其上表面的四个顶点处;基于响应点不布置在对称面的原则,床身 响应点则分布在其右侧面的四个顶点以及前面上端的两顶点处;立柱响应点主要分布在右侧面四角点和顶 部两点;考虑到主轴箱属于薄壁结构,它的响应点则布置在下端主轴的两个圆柱面上,空间呈90°夹角来 布置两测点。
1.2测试系统
采用丹麦B&K测试系统开展模态测试。整个模态测试分析系统如图1所示,主要由激励系统、数据 采集系统、数据处理系统三部分组成。
试验中的激励系统通过8206-002型脉冲力锤(图2a)施加激励,该型号的力锤承受的压力范围为 0?2200N。根据测试需求,力锤可选用不同的锤头,力锤锤头匹配数据表如表1所示。由于KVC800立式 加工中心主轴的工作转频范围为10~6000r/min,试验过程中关注100Hz以内的固有频率,因而选用橡胶锤 头,并且安装配重,以产生比较大的冲击力从而激发出更多模态,使能量分散在比较宽频率范围内[2]。
表1力锤锤头匹配数据表
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为了获得各个方向的完整模态信息,每个响应点布置三个方向的加速度传感器,由自制底座将3个单 向传感器组合而成(如图2b)。试验中由力传感器和加速度传感器测得信号经过丹麦BK数据采集器(如图2c) 和MTC Hammer模态测试软件采集和储存,再由Reflex模态分析软件进行模态分析。
1.3参数设置
测试过程中,首先设置好采集通道中的力锤激励力信号以及加速度响应信号,在软件中按比例建立好 加工中心各部件的简化模型,完成激励点、响应点位置和方向的选择。还需确定以下各参数来完成试验, 并确保试验质量。
1) 分析频率
许多文献指出,机床的前几阶模态主要集中在低频阶段,且基本上决定了整机的动态特性[4-5]。影响加 工中心性能的频率范围主要是低频段,本文主要关注100Hz以内的频段,故设定的分析频段为0?100Hz。
2) 米样频率
根据采样定理,采样频率必须大于信号的最高分析频率的两倍,方可保证离散信号能惟一恢复到原连 续信号而不失真[6],实际测试中常常将采样频率略为放大。本次测试采样频率为2048Hz。
3) 平均次数
为了减少噪声干扰,提高频谱分析的精度,试验采用多次敲击,对采样数据进行平均化处理来计算频 响函数,试验中平均次数设置为5次。
4) 力锤触发设置
设置合理的触发方式对于瞬态信号的捕获有很大的作用。根据表1所提供的力锤匹配数据,对应的添 加附加质量的橡胶锤头,激励力应设置在100?700N之间,结合操作者力度的大小,以及试验中多次的试 敲,将120N设置为其激励力阈值,当力锤敲击力大小超过120N时产生激励力。
5) 窗函数选取
分析处理响应信号时需要截断信号,往往易带来截断误差,截取的有限长信号不能完全反应出原信号 的频率特性,所以需要添加窗函数来减小误差[7]。由于力的持续时间短,在其后的剩余时间,任何噪声都 是不希望的,所以激励信号加力窗以减小噪声的影响,响应信号加指数窗以减小泄漏误差。
1.4结果分析
采用频域总体曲线拟合法对模态参数进行自动识别[8-9],加工中心工作台、床身、立柱以及主轴箱四个 部分的模态分析结果见图3。
2 基于升速过程瀑布图的动态特性分析及对比验证
手动开启数控加工中心至最高转速,试验过程中主轴最高转速设置为5500r/min,利用B&K测试系统的 Labshop数据采集与分析模块对整个升速过程的振动信号予以记录,并进行了瀑布图分析,瀑布图中的突变点反映了加工中心的各阶固有频率[10]。在加工中心工作台、床身、立柱以及主轴箱分别测得的振动信号分析所得瀑布图,如图4所示。
从模态图与瀑布图中筛选相互对应的模态频率并加以对比,如表2所示。
表2模态试验与升速瀑布图所得模态频率对比(单位:Hz)
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由表2可知,50Hz和64Hz为整机的固有模态,在实际加工工件过程中,应尽量避免50Hz及64Hz 的工作转频,即3000r/min和3840r/min的主轴工作转速。
1) 利用丹麦B&K测试系统,采用单点激励多点响应,对KVC800立式加工中心主要部件工作台、床 身、立柱和主轴箱开展了模态测试,从试验方案、测试系统、参数设置和结果分析几方面探讨了试验过程的开展,获取了各主要部件的模态参数。
2) 利用B&K测试系统对加工中心整个升速过程的振动信号予以记录,并进行了瀑布图分析,并从中 获取模态信息,与试验模态测试结果进行了对比验证。
3) 通过模态测试分析与升速过程瀑布图分析,获知50Hz和64Hz为加工中心整机固有频率,实际使 用过程中应避开3000r/min和3840r/min的主轴工作转速,为加工中心的优化运行提供了可靠依据。
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