基于试验测试的数控机床动态性能仿真研究

2013-09-29张金涛魏显奎

制造技术与机床 2013年4期

张金涛魏显奎

（上海三一精机有限公司，上海201200）

机床的动态性能对机床的加工精度和加工效率都有直接的影响。特别是对于高转速、高效率的高档数控机床，在一定条件下，由于其回转部件的不平衡、切削力变化时，会产生激振力，引起振动。当振幅超出了允许的范围时，将导致加工表面的恶化，加速刀具的磨损，影响加工精度，降低生产效率。因此，对机床动态性能的研究尤为重要。

随着计算机技术的发展，有限元分析方法常用于预测数控机床的动态性能，通过对理论模型的结构力学分析，在样机制作之前得到机械结构的动力特性，并可以进行动力修改及动态优化设计，具有良好的经济性。然而，要获得可靠的仿真结果，需要可靠的动力学模型。动力学模型的好坏直接关系到最终预测结果的准确性。

在建立机械结构动力学模型的过程中，往往对实际结构做必要简化或近似处理，如单元、子结构之间的连接及边界约束等，模型常常无阻尼或凭经验数据引入;由于计算机容量及计算机时的限制，建模方法本身的近似等，造成所建的动力学模型只能满足一定计算精度的要求。为了提高结构动力学模型模拟实际结构的精度，最直接的方法是通过动态试验数据修改理论模型，使得修改后的动力学模型能更好地反映实际结构的动力特性。通过仿真和试验来修改机床的动力特性，优化机床性能的过程如图1所示。

从图1可以看出，机床的动力学优化过程可以分为模态分析、模态测试、有限元模型修改、灵敏度分析以及结构动力特性修改5个阶段。模态分析、模态测试、有限元模型修改和灵敏度分析相对简单，在这里重点说明结构动力特性修改的相关内容。在结构动力修改的过程中，往往需要确定哪些结构参数对需修改的动态特性最为敏感。通过灵敏度分析，可为结构动力修改指明方向，还可以确定修改动态特性最为敏感的部位和结构参数。从工程意义上讲，结构动力修改包括正反两方面的问题，即正问题和逆问题。正问题是指对已有结构（或模型），当结构做了局部改动后，在原结构参数已知情况下，通过分析获得结构修改后的动态特性参数，这个过程称为结构动力特性预测或结构重分析。逆问题包括两方面的问题，一是已建立起结构的动力学模型，利用动态试验数据修改理论模型，以获得精度较好的模拟模型，实现计算机仿真及静、动态优化设计;另一方面是为使结构的动力特性（固有频率、振型、响应、响应谱等）达到预先给定的要求，对结构进行修改。修改后的结果，与设计目标相比较，若达到目标则修改结束，否则重新修改。

1 一台立式加工中心的动态特性优化

1.1 模态分析

首先，为了满足计算机容量和计算机时的要求，在三维建模软件Pro/E中对样机的模型进行了简化处理，去掉整机的外观防护、排屑器、液压站等对整机动力特性无甚影响的零部件，对机床结构大件上的螺钉孔、小凸台、小孔等结构也需删掉。对导轨、螺钉等结构也要进行一定的简化处理。将简化后的模型在Pro/E中装配成整机。

然后，将整机的三维模型导入 AnsysWorkbench中，指定各部件的的材料属性，设定网格划分的参数，利用Workbench的网格自动划分功能，建立整机的有限元模型。

上述两个过程统称为有限元分析的前处理，可用图2所示过程来描述。

再将在Workbench中划分完网格的模型保存成.inp格式，并将.inp格式的文件在ANSYS经典界面中打开，采用命令流在各结合面上选取相应的节点，在节点之间建立combin14单元，输入刚度和阻尼值来模拟结合面的刚度阻尼特性。图3为加入了弹簧阻尼单元的整机模型。

最后，对样机施加约束和边界条件，进行模态分析。分析完毕后，提取机床前四阶的频率和振型，以便和试验结果对比，如图4所示。

由于该结果中所设置的参数与机床的实际参数吻合性无法确定，结果的真实性也无法证实，需要通过试验进行验证。

1.2 模态测试

模态测试用北京东方振动噪声研究所提供的专业数采设备INV3020C和DASP软件。该系统的主要构成见表1，示意图如图5所示。

表1 主要测试仪器

INV3020C共有24输入通道，分别接入3轴传感器3个、单轴传感器14个以及力锤的力传感器1个。

测试时，根据测试部位的不同，采用了不同的传感器。对立柱等面积较大的平面，采用了单轴加速度传感器，如图6所示。对于主轴箱等面积较小，同一点上需要采集多个方向数据的测点，采用了三轴加速度传感器，如图7所示。在设定好各传感器的灵敏度、触发方式、采样频率和采样时间后即可进测试。整个测试共布置测点97个，测试时间持续了8 h。

测试中采集到的激振力信号和响应信号如图8、图9所示。

激振力信号和测点的响应信号采集完毕后，即可进行模态分析环节。分析前，需要根据样机上传感器的布点位置，建立其三维线框模型，如图10所示。

因为采用传感器测量时，并不能采集到各测点X、Y、Z这3个方向上的数据，因此需要将传感器的方向与测点方向相匹配。一般在进行单输入多输出（SIMO，Signal Input Multiply Output）时，所得结果的方向性很强，有的模态和振型并不能分析出来，导致模态丢失。为了获得更准确的结果，可以采用多输入多输出（MIMO，Multiply Input Multiply Output）方法，先分别求出从X、Y、Z方向输入激振力F时各传感器上所获得的加速度a之间的传递函数f（x），再将传递函数导入MIMO分析程序中进行分析，所得结果如图11所示。

点击“振型动画”，即可显示VMC56的各固有频率下的模态振型，如图12所示。

1.3 有限元模型修改

从初步分析的结果和实际测试的结果的差别来看，二者的差别很大。相同振型下的频率差别很大并且仿真中没有出现工作台扭转这一振型。主要原因是原始的有限元模型的结合面的刚度和阻尼值与实际值有较大的差别。因此，根据测试结果，识别出机床各结合面的刚度和阻尼值，并将其代入新的有限元模型中进行重分析。分析结果如图13所示。

表2为测试结果、有结合面以及无结合面的整机仿真结果对比。

分析结果表明，加入结合面后，仿真与试验的误差变小，处于可以接受的范围，可以把该参数代入有限元模型对整机进行结构动力修改。

表2 样机测试和仿真结果对比

1.4 灵敏度分析

当结构设计需要修改的时候，通常有多种修改方案可供选择，也有很多设计参数可供调整。结构动态特性的灵敏度分析是指分析各个结构参数或设计变量的改变对结构动态特性边和的敏感程度（或变化率），从而确定何种修改方案最为有效。

样机的模态分析结果中，首先分析了一阶模态中各测点的质量和刚度对频率的灵敏度的影响。将所得结果按影响大小进行排列后结果如表3所示。

表3 各测点的质量和刚度对频率的灵敏度

从灵敏度分析的结果来看，主轴箱处的质量对整机频率的影响最大，其次为立柱，减小这些部分的重量，可以提高整机的频率。而立柱的刚度对整机的频率影响也比较大，增加立柱的刚度，可以提高整机的频率。通常，主轴箱的结构可做的调整较少，因此，应将立柱作为优化的重点对象。进一步分析可以发现，立柱底部的点的质量对频率的敏感度要小于立柱中部和上部的测点对质量的敏感度，而立柱底部的点对刚度的敏感度却大于立柱中上部的点对刚度的敏感度，因此应该将立柱下端作为优化的对象，这样可以以较小的质量变化来获得较大的性能改善和提高。