TK6113 機(jī)床數(shù)控轉(zhuǎn)臺試驗?zāi)B(tài)分析

王 丹 1, 2 ,廖廣宇 2, 3

(1 云南省機(jī)電一體化應(yīng)用技術(shù)重點實驗室,昆明 650031;

2 云南省機(jī)械研究設(shè)計院,昆明 650031;

3 云南省先進(jìn)制造技術(shù)研究中心,昆明 650031)

        摘 要：數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺是數(shù)控機(jī)床的重要部件之一,其進(jìn)給運動均勻性、抗振性能和運行的穩(wěn)定性,是影響數(shù)控機(jī)床性能的重要因素。依據(jù)實驗?zāi)B(tài)分析理論,利用B&K Pulse 軟件和B&K3660C數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成隨機(jī)掃描和數(shù)據(jù)采集,利用 B&K Reflex Mode模態(tài)分析后處理軟件,對機(jī)床數(shù)控轉(zhuǎn)臺進(jìn)行模態(tài)試驗。

        關(guān)鍵詞:機(jī)床, 數(shù)控轉(zhuǎn)臺, B&k pulse 軟件,試驗?zāi)B(tài)分析

        模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動力特性一種近代方法,是系統(tǒng)辨別方法在工程振動領(lǐng)域中的應(yīng)用。模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動特性,每一個模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。這些模態(tài)參數(shù)可以由計算或試驗分析取得,這樣一個計算或試驗分析過程稱為模態(tài)分析。這個分析過程如果通過試驗將采集的系統(tǒng)輸入與輸出信號經(jīng)過參數(shù)識別獲得模態(tài)參數(shù), 稱為試驗?zāi)B(tài)分析。

        目前,國內(nèi)外用于試驗?zāi)B(tài)測試分析的軟件和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有很多,其中B&K Pulse 軟件和 B&K3660C 數(shù)據(jù)采集前端就是試驗?zāi)B(tài)測試和分析的一種, 當(dāng)然 B&K Pulse 軟件和 B&K3660C還有很多其它的測試和分析功能,我們不在這里作進(jìn)一步的討論。本文僅利用其試驗?zāi)B(tài)測試和分析功能對數(shù)控工作臺進(jìn)行試驗?zāi)B(tài)分析。

1 試驗?zāi)B(tài)分析

1. 1 試驗對象

        數(shù)控轉(zhuǎn)臺是數(shù)控機(jī)床實現(xiàn)圓周進(jìn)給運動和分度運動的重要功能部件之一, 數(shù)控轉(zhuǎn)臺作為承載部件常應(yīng)用于數(shù)控銑鏜床和數(shù)控銑床上。數(shù)控轉(zhuǎn)臺不僅可以擴(kuò)大數(shù)控機(jī)床的加工范圍, 還能提高加工效率。數(shù)控轉(zhuǎn)臺的精度、剛度、動態(tài)特性和穩(wěn)定性很大程度上影響數(shù)控機(jī)床的整體性能。數(shù)控轉(zhuǎn)臺見圖 1。

1. 2 試驗設(shè)備和儀器框圖

        本試驗采用B&K公司生產(chǎn)的硬件設(shè)備, 主要采用了B&K4809絕對激振器(2 臺) 、B&K2706功率放大器 (2臺)對數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺進(jìn)行隨機(jī)激振,B&K 8200力傳感器經(jīng) B&K2035 前置放大器獲取力信號、B&K4506B 三軸向傳感器 (5個)獲得響應(yīng)信號,使用B&K 3660C型多分析儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成隨機(jī)掃描和數(shù)據(jù)。使用BK Pulse軟件和 Pulse Reflex Mode 模態(tài)分析后處理軟件進(jìn)行模態(tài)測試和后處理分析。即完成FFT分析、傳遞函數(shù)、 曲線擬合、參數(shù)識別、振型顯示。

圖 1  試驗?zāi)B(tài)用數(shù)控轉(zhuǎn)臺

        下面是試驗?zāi)B(tài)分析儀器連接框圖 (見圖2):

圖 2  試驗儀器連接框圖

1. 3 測點和激勵點的布置

        本實驗采用多點激勵多點拾振的隨機(jī)掃描法對數(shù)控轉(zhuǎn)臺進(jìn)行測試,首先建立數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的幾何模型, 依靠工程經(jīng)驗對該轉(zhuǎn)臺進(jìn)行均勻布點。雖然均勻布點實驗會增加實驗成本和試驗時間, 降低實驗效率,但是采取均勻布點具有不容易漏掉關(guān)心模態(tài), 模態(tài)振型可辨識性強(qiáng)等優(yōu)點。對數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺采取均勻布點可以很方便的獲得結(jié)構(gòu)的各自由度模態(tài),特別獲得較好的低階模振型。

        整個數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺共布置 132 個測點,測量自由度為132×3=396。(測點布置見圖 3)。激勵點依據(jù)工程經(jīng)驗選擇在工作臺上,數(shù)量為2 個,激勵自由度為1個正交方向 (激勵點布置見圖4)。總 FRF=398×2=792。

圖 3  測點布置圖

圖 4 激勵點布置圖

1. 4 試驗方法

        本實驗采用多點激勵多點拾振的隨機(jī)掃描法對數(shù)控轉(zhuǎn)臺進(jìn)行測試,  對每一個幾何測點均測量三向動態(tài)響應(yīng), 以獲得三維模態(tài)振型。將測量得到的激勵點與各響應(yīng)點的頻響函數(shù) (FRF) 數(shù)據(jù)導(dǎo)入BK Reflex后處理軟件中進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識別。

2 試驗結(jié)果及分析

        圖6為模態(tài)分析結(jié)果進(jìn)行驗證的常用方法是模態(tài)判定準(zhǔn)則 (MAC),用于比較振型的一致性。

1 低頻剛體運動為主的模態(tài)識別結(jié)果

頻響函數(shù):

圖 5 個測點的頻響函數(shù)

圖 6   MAC 圖

        如圖 7 所示:模態(tài)振型計算結(jié)果是否穩(wěn)定可用穩(wěn)態(tài)圖進(jìn)行判斷。圖中橫坐標(biāo)為頻率,左縱坐標(biāo)為模態(tài)指示 函數(shù)幅值軸, 右縱坐標(biāo)為假定的極點數(shù)目即對應(yīng)的模態(tài)計算階次,圖中的◇▽ ×*符號分別表示假定多項式階次增加時在給定精度內(nèi)頻響函數(shù)分別在整體、振型、頻率阻尼處保持穩(wěn)定狀態(tài) [1]。

圖 7 穩(wěn)態(tài)圖

各階振型如下:

圖 9  沿 Y 軸晃動@10.807Hz&3.258%

圖 10 沿 X 軸晃動@18.950Hz&7.584%

圖 11 整體同步扭轉(zhuǎn)@39.222Hz&2.172%

圖 12 繞 Y 軸整體轉(zhuǎn)動為主@76.832Hz&2.711%

圖 13  沿 Z 軸平動為主@90.355Hz&3.452%

圖 14  轉(zhuǎn)動底座同向扭轉(zhuǎn) 129.243Hz&1.484%

圖 15  臺面主要 X 軸方向的平動耦合底座運動 153.855Hz&1.370%

圖 16  臺面相對于底座的扭轉(zhuǎn)振動為主耦合底座平 195.181Hz&1.181%

圖 17  臺面相對于底座的繞 X 軸的轉(zhuǎn)動為主耦合底座平動 213.054Hz&2.793%

圖 18  臺面相對于底座的近似繞對角線的轉(zhuǎn)動為主耦合底座平動 227.480Hz&2.852%

圖 19  臺面相對于底座的近似繞另一對角線的轉(zhuǎn)動為主及臺面轉(zhuǎn)動為輔且耦合底座平動231.880Hz&3.234%

2.2 高階彈性體模態(tài)

圖 20  穩(wěn)態(tài)圖

圖 21 MAC  (模態(tài)置信準(zhǔn)則) 值圖 

各階振型如下:

圖 22  臺面的 1 階扭轉(zhuǎn)模態(tài) 377.844Hz&0.466%

圖 23  臺面沿 X 軸彎曲模態(tài)耦合底座沿 X 軸反向彎曲 423.026Hz&1.734%

圖 24  臺面沿 X 軸彎曲模態(tài)耦合底座沿 X 軸二階彎曲 472.005Hz&0.86%

圖 25  臺面沿 X 軸彎曲模態(tài)耦合底座沿 X 軸同向彎曲 548.791Hz&1.685%

圖 26  臺面沿 X 軸二階彎曲模態(tài)為主 648.918Hz&0.789%

圖 27  臺面沿 Y 軸彎曲模態(tài)為主 715.408Hz&1.113%

3 試驗小結(jié)

        BK Pulse 軟件及 BK3660C 數(shù)采前端能很好地完成機(jī)械結(jié)構(gòu)的模態(tài)試驗,其中 BK2706 功率放大器、BK4809 絕對激勵器、BK8200力傳感器為上世紀(jì)80年代購買的設(shè)備, 至今已30多年了,其功能和精度保持在出廠時的狀態(tài),可見 BK 產(chǎn)品品質(zhì)優(yōu)良。

參考文獻(xiàn)

[1]  褚志剛,  夏金鳳. 機(jī)床整機(jī)試驗?zāi)B(tài)分析[J]. 機(jī)床設(shè)計與研究. 2014, 30(6).