机床动态性能测试方法的研究

孙孟琴，王洪臣

(1.长春工程学院机电工程学院，长春 130012； 2.长春工程学院工程训练中心，长春 130012)



机床动态性能测试方法的研究

孙孟琴1，王洪臣2

(1.长春工程学院机电工程学院，长春 130012； 2.长春工程学院工程训练中心，长春 130012)

主要研究机械制造及其自动化。

摘要：从工程的实际需要出发，对数控机床的振动测试的流程进行了探索，并以杭州机床某数控铣床为例，围绕机床整机振动测试实验，进行了详细的阐述与说明，并对实验数据进行了分析。

关键词：数控机床；模态测试；数据分析；应用

0前言

随着21世纪的到来，机床向着高转速、高切削效率、高精度与高生产质量发展，缩短生产周期，提高生产稳定性，以提高市场竞争力。数控机床整机动态性能测试是机床抗振性及加工性能稳定性研究的基础，也是衡量机床性能好坏的重要标准。

本文从工程的实际需要出发，对杭州机床某数控铣床为例，围绕机床整机振动测试实验，对实验的内容、方法、数据分析研究等方面进行了探索[1-4]。

1机床振动产生的原因

1)外界因素。有产生振动源的外在设备等因素，使机床产生受迫振动。

2) 机床自身因素。设计的薄弱环节，机床的自激振动、受迫振动和自由振动，使机床各接触面(工作台、底座、主轴箱、床鞍等)产生振动。

3) 加工工艺因素。加工中切削三要素(切削速度、进给量与切削深度)选择不当、工件装夹不当、刀具选择不当等。

4)工件材料因素。工作材质(材质不同材料的属性则会不同，如局部缺陷或硬度的变化等)所用加工工艺不适合。

2动态性能测试原理

动态性能测试主要解决两大类问题，一是对机床建立合理有效的模型，进行动态特性分析，达到优化设计的目的。二是以模型为基础，如实反应机床的真实工况，分析机床加工的稳定性，对生产实践具有指导意义，并提高经济效益。

2.1机床的动力学模型

根据振动理论，对线性不变系统，系统的响应可表示为各阶模态响应的线组合，傅立叶变换后的动力学模型[5]可表示为

(1)

当系统只存在一点激励时，L点处的响应可表示为

(2)

式中：M为质量；K为刚度；C为阻尼系数；[φ]t为系统的第r阶振型，[φ]=[{φ1}{φ2}…{φn}]。

则测量点L与激励点P间的频响函数可表示为

(3)

系统的传递函数矩阵为

(4)

则由试验模态分析可知传递函数矩阵的某一行或一列，即可知系统的全部模态信息。

2.2机床的加工稳定性模型

(5)

式中：Wcr为临界的切削宽度；Ks为切削力的切削厚度系数(N/mm2)；n为转速； ω为频率 ；ωn为系统的固有频率；c为阻尼。

3机床振动测试的流程

3.1确定实验仪器设备

现有振动测试技术比较成熟，常见的成套振动测试系统有丹麦的B&K、国内东方所的DASP等[6-7]。可根据自身的定位与要求购置合适的设备。

3.2确定实验内容

明确实验对象与要解决的问题，分析现有问题，确定实验方案，针对局部测试实验还是整机测试。

3.3搭建振动实验系统

据实验的内容及相应的方案，调试实验设备，选择与布置传感器、确定激振器(力锤、电磁或电液等激振器)和搭接机床—实验设备的测试系统等。其中激振点、激振方向与传感器的位置最重要，这会直接关系到实验的可靠性与精确程度，当然也要注意外界的干扰，保持机床的真实工况等。

3.4振动测试与数据分析等

针对机床不同的工况，完成数据采集、数据存储、测试数据分析与专用软件分析等工作，获得机床的各种参数(固有频率、阻尼比与刚度等)数据。

4测试实例

以杭州机床集团的某数控铣床为例，进行测试实验。

4.1确定实验仪器设备

考虑机床的实际工况，采用力锤进行激振，相对于使用其他激振装置更为灵活方便。实验中采用尼龙帽尖头的锤头，锤头主体为钢材料，有效频率范围约为2 000 Hz，加上配重后最大冲击力可达到200 kN，适合于进行大、中型机床的试验模态分析[4]；本实验所采用的加速度传感器为江南联能电子有限公司的压电式ICP(IEDS)三向加速度传感器，型号为：CA-YD-152TE；Siglab多通道的动态信号分析仪。

4.2确定实验内容

为建立该机床动力学模型，优化实际加工过程及实验样机的设计,进行响应测试、模态测试,分别测定对应不同工作转速状态下，主轴箱、进给工作台等关键部位的响应情况。进行模态试验获得各阶固有频率、阻尼比和振型等模态参数，从而建立机床的动力学模型。

4.3搭建振动实验系统

模态测试采用单点激振多点响应的方法，加速度传感器依次布置在铣床的立柱、主轴箱、工作台和床身上，连接数据采集分析系统和笔记本电脑，组成的模态测试系统如图1所示，模态试验测点布置如图2所示。

图1　分析仪采样

图2　模态试验测点布置图

4.4振动测试与数据分析等

Siglab多通道的动态信号分析仪，输出通道：2，宽带：2～20 kHz，最高采样率：51.2 kHz。STAR软件可以完成信号采集、后续的信号回放、传递函数分析和模态参数辨识，考虑到力锤的能量不易控制，时—频分析采用所谓的短时间傅立叶转换，是将不稳定的时域信号分为许多区段，在乘以相同长度的视窗，而冲击信号需加加力窗。对输出的响应信号，则应当加指数窗。同时，在传递函数中，适当地添加谱修正系数用来去掉由于激励能量过低而造成的假峰，使得到的传递函数的谱形更为简明和光滑。本研究采用汉宁窗(HanningWindow)，保证了信号始末端的连续性，可使泄漏得到比较好的抑制，输出频响函数曲线如图3～6所示。

图3　X实频曲线

图4　X向虚频曲线

图5　Y向实频曲线

图6　Y向虚频曲线

模态的阶数要据工程中的实际情况及自然频率的数目来选取，理论上有很多阶模态，可较高阶的模态准确性与可靠性较差，对结构动力响应影响一般都很小；对多数工程实际问题来说，计算前几阶模态已能满足需要；自然频率的数目等于其自由度的数目。使用分量分析法进行模态参数识别，见表1。

表1　模态参数

基于Matlab环境下，用龙格—库塔法对铣刀在不同切削参数下的铣削加工过程进行仿真。铣刀的N个齿被假设为等距，当在第j齿切削位置时，将参与切削的切削刃上的切削力累加后，在X与Y方向上总的动态铣削力表达式如下：

φin≤φj≤φout。

(6)

其中φin和φout为切削刃的起始滞后角和终止滞后角。篇幅有限，仿真结果只给出切削力(如图7)与仿真算例1、2，如图8～9，其他略。

表2　仿真算例参数

通过激振试验表明，在铣床切削部位法线和进给坐标方向测得的相对动柔度曲线中，主轴振型最突出，其他振型均较小。因此，可以用相互垂直的两自由度弹性—阻尼系统来构成基本的铣削加工动力学模型。系统参数可取为在X和Y方向上与固有频率相接近的主轴振型的模态参数。

图7　X与Y方向的铣削力

图7直观地反映出不同铣削时间，刀齿的切入与切出状态，即根据图形中不同位置的阶跃点可判断刀齿当前的切入与切出状态，离开加工区的衰减状态以及在铣削区的工作状态，在刀齿离开工件加工区后，其振动位移值也逐渐向平衡位置衰减。改变铣刀齿数，刀具的齿频也将发生改变，它将引起刀具—工件系统相对振动位移的振幅发生变化。这现象与实际铣削现象相符。另外，选择不同的机床主轴转速，将导致刀具—工件系统的振动频率发生改变，当该频率与机床的固有振动频率接近时，刀具与工件的相对振动位移的幅值将随时间的推进不断变大，容易出现颤振现象。

X与Y方向位移

X与Y方向的位移

5结语

本文对机床的振动原因进行了总结，对模态测试实验流程及方法进行了探索，并以杭州机床某数控铣床为例，围绕机床整机振动测试实验，进行详细的阐述与说明，对实验数据进行了分析，对于实际铣削加工过程及优化实验机的设计提出了建议。

参考文献

[1] Sun Mengqin.Key Points of Vibration DiagnosisTechnology on-site Operation[J]. Applied Mechanics and Materials,2014(602/605)：2210-2212.

[2] 孙孟琴,王立臣. 球头铣刀动力学模型及其铣削加工稳定性的研究[J].机床与液压,2012,40(9):52-54.

[3] 刘春时,孙伟,李小彭,等. 数控机床整机振动测试方法研究[J].中国工程机械学报,2009,7(3):330-335.

[4] 杨托. 机床结构动力学建模技术的研究及在MGK7350平面磨床有限元分析中的应用[D]. 杭州：浙江工业大学，2008.

[5] 张广鹏，史文浩，黄玉美．机床整机动态特性的预测解析建模方法[J]．上海交通大学学报，2011,35(12):1834-1837.

[6] 唐一科，蒋刘义，陈国聪.机床振动测试分析系统开发[J].重庆科技学院学报：自然科学版，2011，13(2):113-115.

[7] 何俊杰.数控机床动态特性测试分析系统的研究与开发 [D]. 武汉:华中科技大学,2009.

Research on dynamic performance test method of machine tool

SUN Meng-qin,et al.

(SchoolofMechanical&ElectricalEngineering,ChangchunInstituteofTechnology,

Changchun130012,China)

Abstract：In this paper, starting from the needs of practical engineering, vibration test of NC machine tool process has been explored. Taking the example of machine tool CNC milling machine made by Hangzhou Machine tool factory, it makes detailed description and explanation around the whole machine vibration experiment, and also makes an analysis to the experimental data.

Key words：NC machine tool; modal testing; data analysis; application

文献标志码：A

文章编号：1009-8984(2015)04-0019-04

中图分类号：TH113

作者简介：孙孟琴(1976-),女(汉)，山东青州，实验师

基金项目：吉林省科技厅资助项目(20120352)

收稿日期：2015-07-13

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2015.04.005