基于实验模态分析的机床动态性能测试-.pdf

第 1 2卷第 4期 2 0 1 4年 8月 中国工程机械学报 C H I NE S E J OU R N A L O F C O N S T R U C T I O N MA C HI NE R Y VoI l 1 2 No． 4 Au g ．2 01 4 基 于实验模态分析 的机床动态性能测试 周 莉， 李爱平， 古志勇， 刘雪梅 ， 张正旺 同济大学 现代制造技术 研究所 ， 上海 2 0 0 0 9 2 摘要根据实验模态分析理论， 构建了实验模态分析系统． 利用压电传感器和加速度传感器作为前端信号采集 装置， 通过 7 7 0 0 P u l s e软件采集激励信号和响应信号， 然后应用 ME’ s c o p e软件进行机床实验模态分析． 以 H MC 6 3 0 r p卧式加工中心整机及其立柱为研究对象开展模态试验， 分析结果显示立柱是机床动态性能的薄弱部 件， 原因在于导轨一 滑块结合面动态性能较差． 关键词实验模态分析； 动态特性 ； 数控机床立柱 中图分 类号 T H 1 6 4 文献标 志码 A 文章编号 1 6 7 25 5 8 1 2 0 1 4 0 4 0 3 6 00 4 Dyna m i c pe r f ．。 I r m anc e t e s t i ng 0n m a c hi ne t o ol s v i a e xpe r i m e nt al m oc I al anaI ySl S ● 』 1 1 l 1 ● Z HOU Li ，LI Ai ． p i n g，GU Z h i y o ng，L I UXu e me i ，Z HANG Z h e n g - wa n g I n s t i t u t e o f A d v a n c e d Ma n u f a c t u r i n g T e c h n o l o g y ， T o n g j i U n i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ， C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e e x p e r i me n t a l mo d a l a n a l y s i s t h e o r y ，r e l e v a n t s y s t e m i s e s t a b l i s h e d ．B y e m p l o y i ng t h e p i e z o el e c t r i c a n d a c c el e r a t i o n s e n s o r s a s f r o nt e nd s i g na l s a mp l i ng d e vi c e， t he e x pe r i me nt a l mo d a l a n a l y s i s o n ma c h i n e t o o l s i s c o n d u c t e d u s i n g t h e ME’ s c o p e T M s o f t wa r e wi t h 7 7 0 0 P u l s e s o f t wa r e f o r e x c i t a t i o n a n d r e s p o n s e s i g n a l s a mp l i n g ． A c c o r d i n g l y ， t h e e n t i r e ma c h i n e a n d c o l u mn s o f HMC 6 3 0 r p h o r i z o n t a l ma c h i n i n g c e n t e r a r e u s e d a s a c a s e， i t i S d e t e c t e d f r o m r e s u l t s t h a t ， d u e t o t h e p o o r d y n a mi c p e r f o r ma n c e o f g u i d e wa y s l i d e r t a p i n g s u r f a c e， t h e c o l u mn i s t r e a t e d a s a we a k c o mp o n e n t r e g a r d i n g d y n a mi c p e r f o r ma n c e s ． Ke y wo r d s e x p e r i me n t a l mo d a l a n a l y s i s ；d y n a mi c p r o p e r t y；NC ma c h i n e c o l u mn 高精度加工技术是现代制造业的重要发展方 向， 高性 能 的机 床 是 实 现 高 精 度 加 工 的 重要 条 件 1 ] ． 机床本身 的刚度 、 抗 振性等动态特性直接影 响机床的整体 性能， 因此改进机床的动态性能 ， 避 免共振和提高刚度成为机床设计 过程 中的必要考 虑因素 ] ． 尽管计算模态分析技术在机床模态分析 领域得到广泛应用 ， 但 由于机床零件较多、 结构 复 杂， 部件结合面形式多样 ， 如果仅仅依靠理论模 态 分析方法研究机床的动态性能 ， 很难得到较为准确 的研 究结 论_ 3 随着信号测试与分析技术的发展 ， 实验模态分 析技术在机床动态特性研究领域得到国内外专家 学者的广泛关注． G i u s e p p e等[ 4 ] 将实验模态分析技 术用于磨床颤振预测研究 ；R i m等[ 5 ] 应用实验模态 分析技术改善电火花机床的动态性能； 魏要强等 ] 以数控机床 自身运动产 生的振动 为激励 源开展模 态实验 ， 综合应用模态参数识别结果预处理方法与 模态稳定性原理 ， 去除识别结果 中的伪模态 ； 杨毅 青E 7 - 8 ] 等把实验模 态分析技术引入 到集 中参数 法 建模领域 ， 还应用实验模态技术对数控机床整机进 行结构动力学测试与分析， 从颤振的角度分析数控 机床结构设 计 上 的缺 陷， 并提 出改进 措 施 ； 刘 军 等_ 9 ] 应用测量点响应矢量概念改进锤击法 实验模 态分析技术． 基金项 目 国家高档数控机床与基础制造装备科技重大专项 2 0 1 3 Z X 0 4 0 1 20 7 1 作者简介 周莉 1 9 8 1 一 ， 女 ， 博士生 ． E ． ma i l z h o u l i 一2 0 0 6 1 2 6 ． c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 周莉 ， 等 基于实验模态分析的机床动态性能测试 本文根据实验模态分析理论 ， 构建 了实验模态 分析系统 ． 利用压 电传感器 和加速度传感器作 为前 端信号采集装置 ， 通过 7 7 0 0 P u l s e软件采集激励信 号和响应信号 ， 然后应用 ME’ s c o p e软件进行机床 实验模态分析． 以 H MC 6 3 0 r p卧式加工 中心整机及 其立柱为研究对象开展模态试验 ， 拟合频率响应函 数 ， 并计算模态参数及振 型， 最后确定机床结 构的 薄弱部件， 为机床结构优化设计提供参考． 机床 实验模态 分析基础 振动系统受到外界动态作用力持续作用时， 将 产生受迫振动 ， 受迫振动就是系统对外力 的响应 ． 对于受到简谐激振力 的系统 ， 振动系统的运动微分 方程 l_ 1 0 _ 为 ， 一 Fc O s 1 式 中 m， c 和 k分别为 系统 的质量矩 阵、 阻尼矩阵 和刚度矩 阵 ； Fc o s t 为简谐 激振 力 ； X为 系统 响应 ． 式 1 的复数形式为 ， k x Fe i 2 实际的机械系统是连续的非均匀 的弹性系统 ， 很难 进行分析 ． 通常在一定的精度约束下将其近似为有 限 自由度系统 ， 再将其离散化为 多 自由度系统． 系 统的运动方程为 ， 似 C X ， t 3 式中 f t 为 系统 激励 ． 系统 的频 率 响应 函数 矩 阵为 H H1 1 H2 1 U H 1 ∞ H1 ／ - ／ 2 ● H 式 中 H 为第 m 点 的激励与第 “点的响应之 间的频率响应函数 ． 2 机床 实验模态分析 方法 2 ． 1 实验模态分析系统 实验模态分析 的前提条件 是准确测量机床结 构所受的激励和振动响应的时域信号， 因此可靠的 振动测试系统是实验模态分析的核心 ． 机床振动测 试系统通常由激振装置 、 i 贝 0 量系统及模态分析系统 三部分组 成． 图 1为实 验模 态 分析 系统 图， 选 用 H MC 6 3 0 r p卧式加 工 中心机床 系统作 为振动测试 对 象 ． 图 1实验模 态分析系统 Fi g ． 1 Ex p e r i m e n t a l m o d a l a n a l y s i s s y s t e m 1 激振装置 模态实验过程 中的激励 分为 自然激励和人工 激励两 种． 由于 自然激励 可控制性与可测 量性较 差 ， 本文采用 人工激励作 为机床振动激励 方法． 典 型的人工激励装置有激励器 系统 、 阶跃激励装置 、 冲击力锤等 ． 激励器系统本身质量较大， 直接影 响 机床结构的动态特性 ； 阶跃激励通过突加或突卸力 载荷实现对结构 的瞬态激励 ， 输 出阶跃力 ， 该 阶跃 力测量难度较大 ， 计算得到的频率响应 函数精度较 低 ； 冲击力锤作为激振装置 ， 结 构简单 ， 价格低廉 ， 便于操作 ． 本文选用 B K公 司的弹性 聚能力锤作 为模态激励装 置 ， 锤头主体为钢材料 ， 加上 配重后 最大 冲击力可达到 2 0 0 k N． 该力锤可以满足机床模 态实验的激振要求[ 1 ． 2 测量系统 测量系统用 于采集机床结构模 态激振信号和 模态 响应信号． 选用压 电式力传感器采集激振力信 号 ． 选用 B K 4 5 2 5 一B三向加速度传感器测量测点 的模态响应信号 ． B K 4 5 2 5一B的加速度测量范 围 为 5 0 0 g ， 灵敏度为 1 0 mV9 ～， 体积小 、 重量轻 5 g 、 稳定性高 、 线性度好 、 信 噪比高 ， 可用于机床 振动信号测量 ． 该传感器上安装有磁力座 ， 可采用 磁力吸附的方式固定在机床振动响应测点处 ， 与机 床结构刚性连接． 采用 B K 2 6 3 5电荷放大器和 A ／ D转换卡将激 振信号和响应信号转换为数字信号 ， 然后应用 B K 公司的 7 7 0 0 P u l s e软件采集数字信号 ， 从而构成机 床模态测量系统 ． 3 模态分析系统 应用 V i b r a n t T e c h n o l o g y公司的 ME’ s c o p e软 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中国工程机械学报 第 1 2卷 件进行机床模态分析 ， 拟合频率响应 函数 ， 并计算 模态参数及振型． 2 ． 2 实 验模态 分 析方 案 模态测量数据决定 了模态分析的精确度 ， 为了 获得较为准确的模态激励和响应数据 ， 合理布置模 态激励点及振动响应点是至关重要 的． 本文选用单点激励多点响应 的方法开展机床 模态实验 ． 机床切削加工过程 中， 刀具 与工件之间 的相互作用是机床系统 中的主要振源之一 ， 刀具振 动直接作用在机床主轴上． 选择主轴上的点 P作为 模态激励点 ， 如 图 2所示． 本文 以不遗漏模 态为前 提尽可能压缩模态响应测点数量 ， 选取图 2所示的 1 0 4个测点． 每个测点均从 X， y， Z三个方 向测量 模态响应信号． 1 一底座；2一立柱；3一主轴 ；4一工作 台 图 2 模态激励点和 响应点 Fi g ． 2 M o d al e x c i t a t i o n a n d r e s p o ns e 激励信号在时域上呈现脉冲形式 ， 需要采用高 频率采样方式 ， 才能实 现精确采样 ， 然而工程应用 所关注的模态振型处在低频段． 本文选用变时基采 样方式解决上述矛盾 以高频率采集激励 信号 ， 以 低频率采集振动响应信号． 3 机床 实验模态分 析结果 3 ． 1 整机实验模态分析结果 用力锤沿 y方 向对 主轴 上的点 P进行 激励 ， 连续敲击五次作为一组激励 ， 并记 录激励信号 ； 同 时应用三个加速度传感器分别从 X， y， Z三个方 向取得测点的响应信号 ， 测点位置见 图 2所示． 对 五次测量得到的激励信号和响应信号求 均值 ． 应用 ME’ s c o p e软件分析测量数据 ， 计算 得到表 1所示 的机床系统前 6阶模态频率、 阻尼 比． 表 1 整 机模 态参数及振型描述 Ta b． 1 M o d a l p a r a me t e r s a n d v i b r a t i o n t y p e d e s c r i p t i o n 如表 1所述 ， 机床系统第 1阶模态 固有频率 为 2 0 ． 2 Hz ， 阻尼 比为 2 ． 9 9 0 ％， 机床整体摇晃 ； 第 2阶 和第 3阶模态振型主要呈现立柱 、 主轴及工作台振 动 ； 第 4阶至第 6阶模态振型主要呈现立柱振动 ． 由前 6阶振 型来看 ， 以立柱和主轴振动最为显著 ， 立柱作为主轴的支撑部件 ， 立柱本身的振动直接造 成主轴振动 ． 因此可 以认为立柱是该 机床结构动态 性能的薄弱部位 ， 值得进一步分析研究 ． 3 ． 2 立柱 实验 模态 分析 结 果 根据整机实验模态分析结果 ， 立柱是机床动态 性能的薄弱部位 ， 因此单独对立柱 、 支撑 导轨以及 底座开展进一步 的实验模态测试． 改变激励点 的位 置到立柱上 ， 确保激励能量在立柱上更加充 足． 同 样选用 冲击力锤对立柱进行激励 ， 连续敲击五次作 为一组 ， 并记录激励信号 ； 同时应用 三个 加速度传 感器分别从 X， y， Z三个方 向取得测 点的响应信 号[ 1 ． 根据测量得 到的激励信号和响应信号 ， 应用 ME’ s c o p e软件拟合频 响函数 ， 计算得 到如表 2所 示的前 1 0阶模态参数和图 3所示 的前 6阶模态振 型 图． 表 2 立柱模 态参数 Tab． 2 M od al par am e t e r s of c ol um n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m