TK6113 機床數控轉臺試驗模態分析

王 丹 1, 2 ,廖廣宇 2, 3

(1 云南省機電一體化應用技術重點實驗室,昆明 650031;

2 云南省機械研究設計院,昆明 650031;

3 云南省先進制造技術研究中心,昆明 650031)

        摘 要：數控回轉工作臺是數控機床的重要部件之一,其進給運動均勻性、抗振性能和運行的穩定性,是影響數控機床性能的重要因素。依據實驗模態分析理論,利用B&K Pulse 軟件和B&K3660C數據采集系統完成隨機掃描和數據采集,利用 B&K Reflex Mode模態分析后處理軟件,對機床數控轉臺進行模態試驗。

        關鍵詞:機床, 數控轉臺, B&k pulse 軟件,試驗模態分析

        模態分析是研究結構動力特性一種近代方法,是系統辨別方法在工程振動領域中的應用。模態是機械結構的固有振動特性,每一個模態具有特定的固有頻率、阻尼比和模態振型。這些模態參數可以由計算或試驗分析取得,這樣一個計算或試驗分析過程稱為模態分析。這個分析過程如果通過試驗將采集的系統輸入與輸出信號經過參數識別獲得模態參數, 稱為試驗模態分析。

        目前,國內外用于試驗模態測試分析的軟件和數據采集系統有很多,其中B&K Pulse 軟件和 B&K3660C 數據采集前端就是試驗模態測試和分析的一種, 當然 B&K Pulse 軟件和 B&K3660C還有很多其它的測試和分析功能,我們不在這里作進一步的討論。本文僅利用其試驗模態測試和分析功能對數控工作臺進行試驗模態分析。

1 試驗模態分析

1. 1 試驗對象

        數控轉臺是數控機床實現圓周進給運動和分度運動的重要功能部件之一, 數控轉臺作為承載部件常應用于數控銑鏜床和數控銑床上。數控轉臺不僅可以擴大數控機床的加工范圍, 還能提高加工效率。數控轉臺的精度、剛度、動態特性和穩定性很大程度上影響數控機床的整體性能。數控轉臺見圖 1。

1. 2 試驗設備和儀器框圖

        本試驗采用B&K公司生產的硬件設備, 主要采用了B&K4809絕對激振器(2 臺) 、B&K2706功率放大器 (2臺)對數控回轉工作臺進行隨機激振,B&K 8200力傳感器經 B&K2035 前置放大器獲取力信號、B&K4506B 三軸向傳感器 (5個)獲得響應信號,使用B&K 3660C型多分析儀數據采集系統完成隨機掃描和數據。使用BK Pulse軟件和 Pulse Reflex Mode 模態分析后處理軟件進行模態測試和后處理分析。即完成FFT分析、傳遞函數、 曲線擬合、參數識別、振型顯示。

圖 1  試驗模態用數控轉臺

        下面是試驗模態分析儀器連接框圖 (見圖2):

圖 2  試驗儀器連接框圖

1. 3 測點和激勵點的布置

        本實驗采用多點激勵多點拾振的隨機掃描法對數控轉臺進行測試,首先建立數控回轉工作臺的幾何模型, 依靠工程經驗對該轉臺進行均勻布點。雖然均勻布點實驗會增加實驗成本和試驗時間, 降低實驗效率,但是采取均勻布點具有不容易漏掉關心模態, 模態振型可辨識性強等優點。對數控回轉工作臺采取均勻布點可以很方便的獲得結構的各自由度模態,特別獲得較好的低階模振型。

        整個數控回轉工作臺共布置 132 個測點,測量自由度為132×3=396。(測點布置見圖 3)。激勵點依據工程經驗選擇在工作臺上,數量為2 個,激勵自由度為1個正交方向 (激勵點布置見圖4)?？?nbsp;FRF=398×2=792。

圖 3  測點布置圖

圖 4 激勵點布置圖

1. 4 試驗方法

        本實驗采用多點激勵多點拾振的隨機掃描法對數控轉臺進行測試,  對每一個幾何測點均測量三向動態響應, 以獲得三維模態振型。將測量得到的激勵點與各響應點的頻響函數 (FRF) 數據導入BK Reflex后處理軟件中進行模態參數識別。

2 試驗結果及分析

        圖6為模態分析結果進行驗證的常用方法是模態判定準則 (MAC),用于比較振型的一致性。

1 低頻剛體運動為主的模態識別結果

頻響函數:

圖 5 個測點的頻響函數

圖 6   MAC 圖

        如圖 7 所示:模態振型計算結果是否穩定可用穩態圖進行判斷。圖中橫坐標為頻率,左縱坐標為模態指示 函數幅值軸, 右縱坐標為假定的極點數目即對應的模態計算階次,圖中的◇▽ ×*符號分別表示假定多項式階次增加時在給定精度內頻響函數分別在整體、振型、頻率阻尼處保持穩定狀態 [1]。

圖 7 穩態圖

各階振型如下:

圖 9  沿 Y 軸晃動@10.807Hz&3.258%

圖 10 沿 X 軸晃動@18.950Hz&7.584%

圖 11 整體同步扭轉@39.222Hz&2.172%

圖 12 繞 Y 軸整體轉動為主@76.832Hz&2.711%

圖 13  沿 Z 軸平動為主@90.355Hz&3.452%

圖 14  轉動底座同向扭轉 129.243Hz&1.484%

圖 15  臺面主要 X 軸方向的平動耦合底座運動 153.855Hz&1.370%

圖 16  臺面相對于底座的扭轉振動為主耦合底座平 195.181Hz&1.181%

圖 17  臺面相對于底座的繞 X 軸的轉動為主耦合底座平動 213.054Hz&2.793%

圖 18  臺面相對于底座的近似繞對角線的轉動為主耦合底座平動 227.480Hz&2.852%

圖 19  臺面相對于底座的近似繞另一對角線的轉動為主及臺面轉動為輔且耦合底座平動231.880Hz&3.234%

2.2 高階彈性體模態

圖 20  穩態圖

圖 21 MAC  (模態置信準則) 值圖 

各階振型如下:

圖 22  臺面的 1 階扭轉模態 377.844Hz&0.466%

圖 23  臺面沿 X 軸彎曲模態耦合底座沿 X 軸反向彎曲 423.026Hz&1.734%

圖 24  臺面沿 X 軸彎曲模態耦合底座沿 X 軸二階彎曲 472.005Hz&0.86%

圖 25  臺面沿 X 軸彎曲模態耦合底座沿 X 軸同向彎曲 548.791Hz&1.685%

圖 26  臺面沿 X 軸二階彎曲模態為主 648.918Hz&0.789%

圖 27  臺面沿 Y 軸彎曲模態為主 715.408Hz&1.113%

3 試驗小結

        BK Pulse 軟件及 BK3660C 數采前端能很好地完成機械結構的模態試驗,其中 BK2706 功率放大器、BK4809 絕對激勵器、BK8200力傳感器為上世紀80年代購買的設備, 至今已30多年了,其功能和精度保持在出廠時的狀態,可見 BK 產品品質優良。

參考文獻

[1]  褚志剛,  夏金鳳. 機床整機試驗模態分析[J]. 機床設計與研究. 2014, 30(6).