五轴联动雕铣机床电主轴模态分析*

2018-10-10□李林□马平

机械制造 2018年7期

□ 李林 □ 马平

1.广东白云学院机电工程学院广州 510450

2.广东工业大学机电工程学院广州 510006

1 研究背景

主轴系统是高速机床的关键部件，对机床的加工精度和稳定性起决定性作用。笔者研究的五轴联动雕铣机床，采用内装式主轴电机一体化的主轴单元，即内装式电机主轴，简称电主轴［1］。该机床主要应用于小刀具精密加工领域，主轴转速可达24 000 r/min。当主轴以超高速运转进行实际切削加工时，容易引发整个系统共振，加剧刀具磨损或破损，增大机床导轨的动态载荷，从而降低整机寿命，且无法保持机床的精度［2］。同时，动态切削力也会引起机床的受迫振动，从而影响工件的加工精度和表面质量。因此，对电主轴结构进行动力学分析是非常必要的，模态分析法就是一种非常有效的动力学分析方法。

笔者利用模态参数识别的新技术——多参考点最小二乘复频域（PolyMAX）法对五轴联动雕铣机床电主轴进行模态试验与分析，研究其动力学特征，将试验结果和有限元模态分析结果进行比较，验证有限元模型的有效性，为结构优化设计提供依据。

2 试验模型和测点配置

模态试验与分析时，通过激励设备对机械结构进行激振，测量系统的激励和振动响应信号，处理相关数据，拟合曲线，识别参数，计算出决定结构动力学特征的模态参数，包括模态频率、模态阻尼比、模态振型、模态参与因子、模态质量、模态刚度和模态阻尼矩阵［3］。模态参数能够直观、准确地反映系统的动态特性，具有简明、直观和物理概念清晰等优点，因此常用于结构动态特性分析。

笔者在所测电主轴上布置了20个测点，主要根据电主轴系统振型图中的振动方向和振动薄弱环节来确定测点位置［4］。测点分布如图1所示。

3 电主轴模态试验与分析

▲图1 电主轴测点分布

采用LMS振动、噪声、模态测试系统，传感器采用PCB三向加速度传感器，力锤采用与之配套的PCB力锤。试验时采用锤击法单点激振，利用多个频响函数作整体曲线拟合。支承方式为采用布带将主轴悬挂起来，使主轴处于自由状态，这可近似作为一种最佳支承方式，避免环境振动和支承刚度对测试的影响，重复性好。分析软件采用LMS Test.Lab中的Modal Analysis与Modal Impact模块。

在建立好试验装置后，进行数据采集，并完成数据处理工作。考虑到随机误差，对每个测试点分别敲击五次，对测量数据作线性平均处理，尽量减小误差，以得到更为准确的频响函数。

用PolyMAX法分析得到的一阶～三阶模态振型如图2所示，试验模态一阶～三阶频率与振型描述见表1。

表1 试验模态频率与振型

考虑到所研究的高速雕铣机的转速范围及工作频率段，笔者在0～3 200 Hz频段内用PloyMAX法进行模态参数估计［5-8］，得到的稳态图如图3所示，在202 Hz附近有明显的峰值。

▲图2 试验模态振型

▲图3 PolyMAX法稳态图

对比计算模态与试验模态分析得到的振型［9-11］，发现一阶试验模态与ANSYS分析的一阶模态振型基本相同，可认定二者为同一模态。计算模态与试验模态分析得到的模态频率对比见表2。

表2 模态频率对比

由于笔者研究的雕铣机床最高转速为24 000 r/min，因此只考虑频率为400 Hz以内的影响。由表2可以看出，一阶频率误差为4.26%。出现误差的原因主要是约束条件存在误差，模型的结构作了一些简化，计算时将转子和主轴假定为一个材料均匀的整体，而实际工艺中，可能出现弹性模量等特性差异，不可避免会产生一些误差。