基于模态分析优化人机界面振动工装

□ 吕 干 □ 傅立丰 □ 徐小兵 □ 陆 钰 □ 靳光磊

施耐德电气有限公司上海分公司 上海 201203

1 优化背景

人机界面广泛用于工业控制领域。面对各种复杂的工况,人机界面在使用中会出现机器安装松脱、白屏、通信中断等故障。这些故障的产生很大比例与前期设计有关,所以在产品开发中,需要进行严格的操作环境模拟测试,即振动测试。为了最大程度减少产品振动测试的干扰,需要设计合理的工装。

部分设计模型基于静力学分析满足结构强度,但是在动力学方面存在一定的设计不足。笔者基于有限元模态计算结果及试验验证,对人机界面振动工装进行分析和优化,提供一种振动工装的设计方法。

2 常用振动工装架构模态分析

模态分析主要用于计算结构的振动频率和振动形态,判定在一定振动激励下是否发生共振。

六面体铁制工装如图1所示。这类架构采用六个面板焊接而成,工装制作工艺复杂,整体笨重。

▲图1 六面体铁制工装▲图2 T形铝制工装▲图3 属性设置

T形铝制工装如图2所示。这类架构由一个底板、一个立板及两个支撑板组成,采用螺栓安装,工装制作相对简单,质量较轻。

建立两种工装的三维模型,去除圆角等细小的结构特征。借助CREO有限元模块导入模型,赋予零件材料属性。属性设置如图3所示。由于模型形状较为简单,因此采用混合网格自动划分。网格划分如图4所示。接合面分别处理为局部刚性连接和整面焊接。

▲图4 网格划分

在有限元仿真软件中,对两种工装模型的前12阶固有频率及振型进行仿真计算。

六面体铁制工装模态分析如图5所示。六面体铁制工装的一阶固有频率为376.6 Hz,振型为垂直于立方体六个面前后方向的振动。

▲图5 六面体铁制工装模态分析

T形铝制工装模态分析如图6所示。T形铝制工装的一阶固有频率为218.1 Hz,振型为垂直于立板前后方向的扭动。

▲图6 六面体铁制工装模态分析

3 工装测试验证

对于工装测试条件,依据EN/IEC 61131-2标准,正弦振动扫频为0～150 Hz,加速度为2g,g为重力加速度,振动激励施加在垂直于板面的方向。

振动发生器发出0～150 Hz的正弦振动,通过测试工作台施加至工装上。工装上的振动传感器采集振动信号,通过软件计算显示,得到振动加速度波形。六面体铁制工装测试如图7所示,结果如图8所示。T形铝制工装测试如图9所示,结果如图10所示。

▲图7 六面体铁制工装测试▲图8 六面体铁制工装测试结果▲图9 T形铝制工装测试▲图10 T形铝制工装测试结果

从两种工装的测试结果可以看出,在0～150 Hz的正弦扫频振动条件下,工装上响应的振动振幅相等,并且没有发生共振现象。理论分析中,两种工装架构的一阶固有频率皆在200 Hz以上,与试验结果一致。因此,在150 Hz以内正弦振动,两种工装架构都不会产生共振,不会影响产品的振动测试。

4 振动工装优化

结合上述分析结果,从轻便和经济性出发,笔者选择T形铝制工装架构进行进一步分析,分析分为加装铁板和改进开口尺寸两方面。

4.1 加装铁板

T形铝制工装架构上安装360 mm×280 mm×2 mm固定安装板,开口尺寸为110.2 mm×80 mm。加装铁板T形铝制工装模态分析如图11所示。一阶固有频率为68.6 Hz,振型为安装板垂直方向振动。

▲图11 加装铁板T形铝制工装模态分析

五阶固有频率下振型如图12所示。五阶固有频率为217.8 Hz,振型在该频率下显示为整体前后振动。

▲图12 加装铁板T形铝制工装五阶固有频率下振型

由此可以看出,安装铁板是振动工装设计的薄弱环节,决定了工装振动特性。

4.2 改进开口尺寸

T形铝制工装架构上改进固定安装板开口尺寸为192 mm×132.5 mm。第一种改进开口尺寸T形铝制工装模态分析如图13所示。一阶固有频率为77.8 Hz,振型为安装板垂直方向振动。

▲图13 第一种改进开口尺寸T形铝制工装模态分析▲图14 第一种改进开口尺寸T形铝制工装五阶固有频率下振型▲图15 第二种改进开口尺寸T形铝制工装模态分析

五阶固有频率下振型如图14所示。五阶固有频率为216.8 Hz,振型在该频率下显示为整体前后振动。

T形铝制工装架构上改进固定安装板开口尺寸为255 mm×185 mm。第二种改进开口尺寸T形铝制工装模态分析如图15所示,一阶固有频率提升至92.4 Hz。

五阶固有频率下振型如图16所示。五阶固有频率为217.2 Hz。

▲图16 第二种改进开口尺寸T形铝制工装五阶固有频率下振型

T形铝制工装一阶固有频率与开孔比例关系如图17所示。

由图17可见,开口长度与安装板长度比值越大,共振频率越高,振动特性越好。

▲图17 T形铝制工装一阶固有频率与开孔比例关系

5 优化后振动测试验证

搭建振动测试试验台,对T形铝制工装架构安装360 mm×280 mm×2 mm固定安装板,开口尺寸为255 mm×185 mm进行振动测试。振动测试试验台如图18所示,振动测试波形如图19所示,得到一阶固有频率为92.5 Hz,仿真结果为92.4 Hz,误差为0.1%,基本一致。

▲图18 振动测试试验台▲图19 振动测试波形

6 改进安装板板厚

在T形铝制工装架构上安装不同板厚的固定安装板,平面尺寸为360 mm×280 mm,开口尺寸为255 mm×185 mm。不同安装板板厚对应的一阶固有频率及振型见表1。

表1 不同安装板板厚对应一阶固有频率及振型

安装板板厚与T形铝制工装一阶固有频率关系如图20所示。板厚与一阶固有频率呈现正相关关系,板厚达到3.5 mm时,一阶固有频率超过测试最高频率(150 Hz)。

▲图20 安装板板厚与一阶固有频率关系

7 结束语

六面体铁制工装和T形铝制工装架构固有频率均高于200 Hz,对人机界面振动测试没有影响。从制作成本、结构复杂程度考虑,优先选择T形铝制工装。

安装板是影响振动的最大因素。经试验验证,安装板板厚越大,共振频率越高。开口长度与安装板长度比值越大,共振频率越高。采用合适的板厚及开口长度与安装板长度比值,可以提高共振频率,避免测试过程的剧烈振动。