数控转塔冲床横梁的模态分析与实验研究

柏甫荣

(扬州大学机械工程学院，江苏 扬州 2 2 5 1 2 7)

数控转塔冲床横梁的模态分析与实验研究

柏甫荣

(扬州大学机械工程学院，江苏 扬州 2 2 5 1 2 7)

本文采用有限元分析软件A N S Y S对数控转塔冲床的关键部位横梁进行有限元模态分析，并进行了振动测试实验研究。通过有限元分析结果与实验测试结果的比较，判断横梁结构模型是否最优，能否准确模拟实际结构的动态特性，为数控转塔冲床横梁机构的设计提供科学的依据。

数控转塔冲床；横梁；有限元分析；模态分析

数控转塔冲床是金属板材冲压加工的关键设备，具有高效率、高自动化、生产成本低、能够自动换模、柔性化高等特点，在板材加工行业得到了越来越广泛的应用。由于数控转塔冲床公称压力大、冲压频率高，且进给速度快，在设备运行过程中，往往会引起运动部件的抖动，甚至造成关键部位的变形，影响数控转塔冲床的可靠性、稳定性和加工精度，因此对数控转塔冲床横梁的模态分析与振动测试实验研究具有重大意义。

1 数控转塔冲床横梁的模态分析

模态分析用于确定机器部件或机械机构的振动特性，即部件或结构的固有频率和振型，它们是动态载荷结构设计中十分重要的参数，为振动特性的分析、振动故障的诊断以及结构动力特性的优化设计提供科学的依据；与此同时，模态分析也可以作为其它动力学问题分析的起点。

图1 数控转塔冲床横梁模型

横梁系统是数控转塔冲床的主体部件，主要部分包括横梁、传动系统和其它附属机构，如图1所示。横梁是由钢板焊接而成的箱型结构，横梁内固定有横置的加强筋板和纵置的内部隔板。整个横梁由4个滑块支承，并通过滑动导轨与机床床身相连接。数控转塔冲床的横梁在进行模态分析时，首先在S o l i d w o r d s中建立三位模型，然后将其导入A NS Y S中进行有限元分析。分析时对数控转塔冲床横梁系统结构进行了简化处理，略去横梁附属机构和传动系统（拖链、滚珠丝杠等）；横梁主体、内部加强筋和纵置隔板采用S o l i d 4 5单元，横梁与床身间的导轨结合部采用弹簧—阻尼单元c o mb i n e 1 4。

表1 数控转塔冲床横梁固有频率和振型

由于数控转塔冲床横梁高阶模态对横梁动态性能影响较小，因此本文主要进行低阶模态的分析，选取横梁的前五阶固有频率来进行分析，这样一来既能得出对横梁结构影响较大的固有频率跟振型，也能提升求解速度。由A NS Y S S o f t w a r e计算出的横梁结构前五阶固有频率，如表1所示。

从数控转塔冲床横梁的固有频率和振型云图可以看出：第四阶振型为X方向振动；第一、二、三阶振型为Y方向弯曲振动；第五阶振型为Z方向振动。数控转塔冲床横梁的低阶振型都集中在Y方0向，而Y方向的振动对数控转塔冲床加工精度的影响较小；横梁高阶振型都集中在X方向，而高阶振型对横梁的动态性能影响较小，因此，原数控转塔冲床横梁的结构设计在频率布局上基本符合设计要求。

2 横梁的振动测试实验研究

振动测试原理是通过传感器、传感器配套的放大器以及显示或记录仪器仪表，测量运动的工程结构或机械结构在外界激励（包括环境激励等）或运行工作状况中的重要零部件的位移、速度、加速度等运动量参数，从而了解机械结构或工程结构的工作状况。从广义地来说，通过对运动量的测量，我们可以了解机械结构或工程结构的动态特性，如固有频率、振型、阻尼系数以及刚度等特性参数。

如果仅对数控转塔冲床横梁进行有限元模态分析，不能确定分析结果的正确性，需要与振动测试实验相结合，以获得能够准确反映横梁结构实际运行时候的动态特性分析模型。数控转塔冲床横梁结构是属于由多种环节结合的复杂结构系统，使用振动测试的分析方法研究横梁的动态特性，必须先分析横梁结构的特点，使其可以满足线性、定常、空间离散化等假设的条件。

本文数控转塔冲床横梁结构的跨度为2 m，属于中型的结构，采用力锤敲击激励的方法可以实现结构的完全激振，获得各测量点上的响应信号，使用傅里叶变换得到横梁的各阶固有频率。进行模态实验测试时，将测试用的加速度传感器放置在横梁结构的有效测试点，然后通过Y E 5 8 5 0型电荷放大器与A Z 2 1 6 R数据采集系统将加速度信号传递到电脑上；最后通过A d C r a s和S s C r a s进行分析，获得信号的频率。为了保证测试结果的准确，在试验前需对各个加速度传感器、对应的传感器放大器进行标定作业。由于横梁结构及振动过程的复杂性，以及加速度传感器本身的结构限制，使得测点布置变得相对复杂。一般情况下，测点的布置应该能够很好地反映结构的振动特性，避免与结构的节点有重合情况；还需要考虑便于传感器的安装等限制条件。在进行锤击测试时，锤击时间要尽量短，每一次锤击的方向要尽量与测试表面垂直，并且要掌握好锤击力度，防止信号出现过载的情况。

经过实验研究，数控转塔冲床横梁的加速度信号和频谱通过频谱分析所得横梁固有频率。

3 有限元分析结果与实验结果比较

采用有限元分析和振动测试实验分析两种方法来分析数控转塔冲床横梁结构的动态特性，结果虽然有一定的差异，但是，测试结果相互补充的作用还是比较明显的。比如振动测试方案的设计、传感器的位置分配、采样频率设置以及其它参数的设置等均需要参考有限元分析的结果；与此同时，振动测试实验分析结果对有限元分析方法的修正作用更是比较明显的。因此，只有把有限元分析测试方法和振动测试实验测试方法有机地结合起来，才能够得到更加、精确合理的测试结果。

通过比较数控转塔冲床横梁有限元分析结果和振动测试实验结果，得到横梁固有频率的有限元分析计算值和振动测试实验值的误差基本保持在1 0%之内，测试结果表明有限元分析结果可以基本反映数控转塔冲床横梁结构的动力特性，所建立的有限元模型与实际情况相符合，计算结果可信。

4 结语

本文以有限元分析软件A NS Y S为工具平台，对数控转塔冲床横梁进行了模态分析，并通过振动测试实验，得到数控转塔冲床横梁的固有频率，将横梁的有限元分析结果与振动测试实验结果进行比较分析，通过振动测试实验结果论证横梁有限元建模的合理性，最终确定正确的横梁有限元模型。本文通过对数控转塔冲床横梁的模态分析和实验研究，为数控转塔冲床横梁系统的设计提供了科学的计算依据和研究方法。

[1]于卫红. 数控转塔冲床横梁结构的分析与优化设计[J]. 南京师范大学学报，2 0 1 0,1 0(2):2 1~2 6.

[2]刘振堂. 数控转塔冲床发展新进展[J]. 锻压装备与制造技术，2 0 0 3(3):2 3~2 5.

[3]季忠，高训涛，孙胜，王洪新. 闭式数控压力机机身动态响应分析[J]. 锻压机械，2 0 0 1,3 6(1):3 8~4 0.

[4]王学林，李修平，胡于进. 高速加工中心的有限元分析[J]. 机械与电子，2 0 0 5(7)5 2~5 4.

[5]张宪栋，徐艳申，林汉元. 基于F E M的数控机床结构部件静动态设计[J]. 机械设计，2 0 0 5,2 2(5):4 6~4 8.

[6]陈琪，高建和，吴宏祥，徐长奎. 数控转塔冲床机身模态分析与优化设计[J]. 锻压装备与制造技术，2 0 1 1(4):2 0~2 3.

[7]朱晓靖，卢炎麟，王毅，傅建钢. S K R-4 D L型绕线机箱体的模态分析和振动测试[J]. 轻工机械，2 0 0 8,2 6(5):7 5~7 7.

T G 3 8 5

A

1 6 7 1-0 7 1 1（2 0 1 7）0 2（下）-0 1 2 0-0 2