gq1070龍門加工中心試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析--實(shí)驗(yàn)部分

1、<p>　　第4章 GQ1070龍門加工中心試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析</p><p>　　機(jī)床模態(tài)試驗(yàn)就是通過對機(jī)床結(jié)構(gòu)進(jìn)行激振，振動測試、信號分析、頻率響應(yīng)估計(jì)及模態(tài)參數(shù)識別，來確定機(jī)床結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，然后通過識別得到的模態(tài)參數(shù)對機(jī)床的動態(tài)特性進(jìn)行描述和評價(jià)。</p><p>　　4.1 試驗(yàn)測試系統(tǒng)</p><p>　　測試系統(tǒng)是試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析中的至關(guān)重要的組成

2、部分。測試系統(tǒng)在試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析中的主要任務(wù)是同時測量系統(tǒng)的輸入信號和輸出信號，并對它進(jìn)行處理，從而估計(jì)系統(tǒng)的響應(yīng)函數(shù)。</p><p>　　用試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)試驗(yàn)時，基本測試系統(tǒng)如圖4-1所示，它主要包含三個部分。</p><p><b>　　激振系統(tǒng)</b></p><p><b>　　數(shù)據(jù)采集和測量系統(tǒng)</b>

3、;</p><p><b>　　數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)</b></p><p>　　圖4-1 試驗(yàn)?zāi)B(tài)測試系統(tǒng)框圖</p><p>　　4.1.1 激振系統(tǒng)</p><p>　　激振是機(jī)械結(jié)構(gòu)動態(tài)特性測試中的一個重要環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到測試精度和效率。激振系統(tǒng)的功用是產(chǎn)生一定形式和大小的激振力，對被試驗(yàn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行激振。激振系統(tǒng)通

4、常由信號發(fā)生器、功率放大器和激振器三部分組成。信號發(fā)起器產(chǎn)生一定大小、形式的信號，經(jīng)過功率放大器放大的電流信號對激振器進(jìn)行驅(qū)動，以便產(chǎn)生符合要求的激振力。激振器安裝在被測結(jié)構(gòu)上時，會對結(jié)構(gòu)的動態(tài)系統(tǒng)帶來一定的影響。而采用力錘激振這種激勵裝置就不會對結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性產(chǎn)生影響。模態(tài)試驗(yàn)時應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況決定采用何種激振系統(tǒng)。</p><p>　　(1) 激振方法的選擇</p><p>　　激振方

5、法按照激振裝置的不同，主要有錘擊法、激振器法和工作激振法三種方法。</p><p>　　錘擊法是目前使用最為廣泛的模態(tài)試驗(yàn)激振方法，使用簡單方便。錘擊法適用于小結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗(yàn)，尤其是激振器連接會對結(jié)構(gòu)邊界條件造成嚴(yán)重干擾的情況。激振器法是比較先進(jìn)和準(zhǔn)確的模態(tài)試驗(yàn)方法，支持單個或多個激振器對結(jié)構(gòu)進(jìn)行激振。通過多個振動傳感器測量各點(diǎn)的響應(yīng)，得到對應(yīng)的頻率響應(yīng)函數(shù)。激振器模態(tài)試驗(yàn)分析可以避免錘擊法能量低，受到人為因素影響

6、較大的缺點(diǎn)。通過掃頻、隨機(jī)等激振方式可以準(zhǔn)確、可靠的得到結(jié)構(gòu)的主要模態(tài)特性。錘擊法模態(tài)試驗(yàn)一般采用單點(diǎn)激勵多點(diǎn)響應(yīng)的方法(SIMO)；激振器法模態(tài)試驗(yàn)可以采用單點(diǎn)激勵多點(diǎn)響應(yīng)的方法和多點(diǎn)激勵多點(diǎn)響應(yīng)的方法(MIMO)。激振器用于單點(diǎn)激振時適用于那些大結(jié)構(gòu)或是不宜用力錘的激振的結(jié)構(gòu)，測試的結(jié)果比錘擊法更加精確。</p><p>　　工作激振不需要外界的激振力，通過機(jī)構(gòu)的運(yùn)行中產(chǎn)生的振動或沖擊力作為模態(tài)實(shí)驗(yàn)的激振力。

7、機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過程中，由于主軸的動不平衡會引起機(jī)構(gòu)自身的振動。通過調(diào)整轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)振動頻率的調(diào)整，有點(diǎn)類似于正弦掃頻。但是，如果機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速是有級變速的，那么其激振頻率的范圍是十分有限的，這樣不利于模態(tài)試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。</p><p>　　機(jī)構(gòu)運(yùn)動狀態(tài)突變會引起結(jié)構(gòu)振動，尤其是大型結(jié)構(gòu)，運(yùn)動部件質(zhì)量龐大，加減速過程中引起的結(jié)構(gòu)振動更加明顯。所以工作激振適合大型機(jī)構(gòu)的模態(tài)實(shí)驗(yàn)，可以很好的避免力錘或激振器激振力不夠的缺點(diǎn)。并且可

8、以通過對運(yùn)動規(guī)律的控制來模擬輸入信號。但是工作激振力不好控制[39]。</p><p>　　激振方法按照激振點(diǎn)數(shù)的不同，主要有單點(diǎn)激勵、多點(diǎn)激勵和相對激勵三種方法。</p><p>　　單點(diǎn)激振方法就是將激振力集中于一點(diǎn)，最常見的就是力錘沖擊。單點(diǎn)激振使激振能量在系統(tǒng)中分布不均，激振點(diǎn)附近能量過高使系統(tǒng)的非線性特性表現(xiàn)出來，遠(yuǎn)離激振點(diǎn)處響應(yīng)信號幅值又過小使信號的信噪比很低，使模態(tài)試驗(yàn)的精度

9、受到嚴(yán)重影響。所以單點(diǎn)激振適合于小結(jié)構(gòu)的模態(tài)實(shí)驗(yàn)[40]。</p><p>　　多點(diǎn)激振模態(tài)分析方法主要運(yùn)用在大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的識別。多點(diǎn)激振的能量在系統(tǒng)中分布較均勻，非線性和信噪比較低的現(xiàn)象得到改善，模態(tài)丟失的可能性較小，對于密集模態(tài)和重根情況有很好的識別的能力[41]。</p><p>　　機(jī)床在實(shí)際加工過程中，不是單點(diǎn)激勵也不是多點(diǎn)激勵。而是一種相對激勵。在刀具與工作臺之間添加一

10、對大小相等，方向相反的激振力來模擬機(jī)床實(shí)際切削過程中的振動情況。在機(jī)床靜止的狀態(tài)下進(jìn)行試驗(yàn)，激振器安裝在刀具和工件之間，激振器產(chǎn)生的交變力模擬切削力，同時作用于刀具和工件，比單點(diǎn)激振更接近實(shí)際工況[42]。</p><p><b>　　激振信號的選擇</b></p><p>　　對于不同的動態(tài)特性測試方法就有相應(yīng)的不同的激振信號。激振信號大致可以分為穩(wěn)態(tài)正弦信號和寬頻

11、帶激振兩大類。前者給結(jié)構(gòu)一個簡諧激振力，由響應(yīng)(輸出)和激振力(輸入)的幅值比和相位差，或是兩者傅里葉變換之比，可以確定被測結(jié)構(gòu)在該頻率下的頻率響應(yīng)。在給定的頻段內(nèi)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)掃頻，從而可以得到該頻段的頻響函數(shù)。寬頻帶激振使被測結(jié)構(gòu)在給定的整個頻率范圍內(nèi)振動，由基于FFT的輸出、輸入的互功率譜與自功率譜之比，可以得到被測結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性。</p><p>　　圖4-2 激勵信號的分類</p><p

12、>　　穩(wěn)態(tài)正弦掃頻激振由信號發(fā)生器產(chǎn)生信號經(jīng)由功率放大器驅(qū)動激振器對結(jié)構(gòu)激振。線性動態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)也為同頻率的正弦振動。被測系統(tǒng)的頻率響應(yīng) </p><p><b>　　(4-1)</b></p><p>　　正弦信號的幅值、頻率上、下限、頻率間隔以及掃頻速度都可以進(jìn)行控制。</p><p>　　穩(wěn)態(tài)正弦掃頻是逐一采用各個頻率的正弦

13、激振力按順序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行激振，得到各個頻率下的導(dǎo)納值逐點(diǎn)連接，最終獲得完整的導(dǎo)納曲線。一般掃描方式有對數(shù)掃描、線性掃描和手動掃描 </p><p>　　對于穩(wěn)態(tài)正弦掃頻激振，信號發(fā)生器產(chǎn)生正弦信號通過功率放大器放大后來驅(qū)動激振器，對被測系統(tǒng)輸入激振力。用力傳感器和加速度傳感器分別測量激振力和振動輸出。穩(wěn)態(tài)正弦掃頻的優(yōu)點(diǎn)是激振能量高，激振力大、信噪比高，其測量精度高。但是對于強(qiáng)非線性的

14、系統(tǒng)來說，可能會帶來一定的誤差且穩(wěn)態(tài)正弦掃頻的試驗(yàn)速度較慢。</p><p>　　隨機(jī)信號激振是目前廣泛使用的一種寬帶頻率激振方法。將不同頻率的激振力同時作用在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，從而結(jié)構(gòu)的響應(yīng)也是不同頻率激振力同時作用產(chǎn)生的結(jié)果。由于隨機(jī)激振在同一時間內(nèi)對系統(tǒng)的連續(xù)激勵，激振能量高，信噪比要錘擊激勵高，但是不如穩(wěn)態(tài)正弦激勵。基本的測試系統(tǒng)。常用的隨機(jī)信號主要有純隨機(jī)、偽隨機(jī)及周期隨機(jī)信號。</p><

15、;p>　　常用的瞬態(tài)激振主要有脈沖激振和階躍激振。</p><p>　　理想的脈沖信號其頻譜為常數(shù)，就是在無限帶寬內(nèi)具有均勻的能量，從物理上來說是很難實(shí)現(xiàn)的。實(shí)際的脈沖信號是具有一定寬度()，其頻譜范圍一般與成反比。脈沖信號可以由信號發(fā)生器產(chǎn)生，也可以用力錘敲擊試件產(chǎn)生脈沖信號。力脈沖的幅值可通過調(diào)節(jié)力錘本身的質(zhì)量和配重來進(jìn)行調(diào)節(jié)。</p><p>　　階躍激振信號如同階躍函數(shù)，也是

16、瞬態(tài)隨即的一種。可以有信號發(fā)生器來實(shí)現(xiàn)，也可以通過物理方法來實(shí)現(xiàn)。在激振點(diǎn)通過一根剛度大、質(zhì)量輕的張力弦索經(jīng)由力傳感器給試件一個初始變形，然后突然斷開，這樣就產(chǎn)生了階躍激振力。階躍激振激振頻率范圍較低(一般小于30Hz)，適用于大型柔性結(jié)構(gòu)[43]。</p><p>　　表 4-1 激勵信號特性比較</p><p>　　結(jié)合本課題對龍門機(jī)床整機(jī)模態(tài)試驗(yàn)的要求，為了使得到的整機(jī)動態(tài)特性與實(shí)際

17、加工過程中的振動特性更加符合。本課題在整機(jī)模態(tài)試驗(yàn)中采用在工作臺和刀具施加相對激振，而激振信號采用的是激振能量高，激振力大、信噪比高、測量精度高的穩(wěn)態(tài)正弦信號。</p><p>　　4.1.2 數(shù)據(jù)采集和測量系統(tǒng)</p><p>　　數(shù)據(jù)采集和測量系統(tǒng)的主要任務(wù)是測量模態(tài)試驗(yàn)中的激振力和振動響應(yīng)。該系統(tǒng)主要包括力傳感器和運(yùn)動傳感器。模態(tài)試驗(yàn)中，被測系統(tǒng)的輸入(激振力的大小)一般是用力傳感

18、器來測量；而被測系統(tǒng)的輸出(加速度、速度、位移等)一般采用運(yùn)動傳感器進(jìn)程測量[42]。</p><p>　　最常用的是壓電式力傳感器和加速度傳感器，它們都是屬于絕對式、接觸式傳感器。壓電式傳感器的靈敏元件是壓電晶體，利用壓電晶體的壓電效應(yīng)，將物理量轉(zhuǎn)化為電荷量。壓電傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、動態(tài)范圍大及頻率范圍寬等諸多優(yōu)點(diǎn)。加速度傳感器在目前的模態(tài)分析試驗(yàn)中因其分辨率高、信號比好而成為最為廣泛的運(yùn)動傳感器。<

19、;/p><p>　　4.1.3 數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)</p><p>　　數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)的主要任務(wù)是測量和分析傳感器得到的信號，最終獲得頻率響應(yīng)函數(shù)數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步識別出模態(tài)參數(shù)。目前模態(tài)試驗(yàn)比較常用的儀器主要有兩大類：一類是以快速傅里葉變換(FFT)技術(shù)為核心的數(shù)字信號分析儀；另一類是以跟蹤濾波為核心的頻響函數(shù)分析儀，這一類儀器只適用于穩(wěn)態(tài)正弦激勵的模態(tài)試驗(yàn)?，F(xiàn)在的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)都集成了數(shù)據(jù)

20、采集、處理、頻響函數(shù)分析等功能，而且操作也比較簡單。</p><p>　　4.2 GQ1070模態(tài)試驗(yàn)</p><p>　　4.2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)</p><p>　　GQ1070龍門加工中心模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括：試驗(yàn)對象、激振系統(tǒng)、測試系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。</p><p>　　試驗(yàn)對象：GQ1070龍門加工中心</p>

21、<p>　　激振系統(tǒng)：由前文可知，本試驗(yàn)采用的是相對激振方法，故本試驗(yàn)采用的是美國MB公司生產(chǎn)的MODAL 110型激振器，最大激振力為110磅，最高激振頻率為5000Hz，與之相匹配的是同樣由該公司生產(chǎn)的MB500VI型功率放大器。</p><p>　　測試系統(tǒng)：測試系統(tǒng)的功能是測量輸入和輸出信號。本試驗(yàn)的輸入信號由美國PCB公司生產(chǎn)的201B03型的力傳感器測得；輸入信號由該公司生產(chǎn)的356A02型

22、三向加速度傳感器測得。</p><p>　　信號處理分析系統(tǒng)：本試驗(yàn)采用美國Spectral Dynamic公司生產(chǎn)的Siglab20-42型的動態(tài)信號分析儀完成信號的采集和處理工作。采用該公司開發(fā)的STAR6.0模態(tài)分析軟件對整機(jī)進(jìn)行動態(tài)特性分析。</p><p>　　計(jì)算機(jī)作為一個控制中心，不僅要控制信號的采集，用STAR軟件對整機(jī)模態(tài)參數(shù)進(jìn)行識別的一系列后期工作也是在計(jì)算機(jī)上完成。&

23、lt;/p><p>　　4.2.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)</p><p>　　(1) 試驗(yàn)測點(diǎn)布置</p><p>　　GQ1070輕小型龍門加工中心的結(jié)構(gòu)可以劃分為床身、立柱、橫梁、滑枕、滑鞍、主軸和工作臺等主要幾個部件。根據(jù)機(jī)床各部件的大小，以測點(diǎn)布置不遺漏結(jié)構(gòu)可能存在的模態(tài)盡量簡化的原則。測點(diǎn)布置如圖4-8所示。圖中的網(wǎng)格線的交叉點(diǎn)即為測點(diǎn)，一共779個測點(diǎn)，測點(diǎn)的編號

24、分部件按順序進(jìn)行布置。這樣的布點(diǎn)基本能滿足布點(diǎn)的原則，包括了反映低階模態(tài)特性的重要點(diǎn)和反應(yīng)整機(jī)動態(tài)特性的關(guān)鍵點(diǎn)。</p><p>　　圖4-3 模態(tài)試驗(yàn)測點(diǎn)分布圖</p><p>　　(2) 機(jī)床試驗(yàn)狀態(tài)</p><p>　　試驗(yàn)狀態(tài)是影響結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的重要因素，在不同的試驗(yàn)狀態(tài)下，可能會得到不同的模態(tài)參數(shù)和特性，所以選擇合理的試驗(yàn)狀態(tài)是一個必須考慮的問題。模態(tài)試

25、驗(yàn)時機(jī)床的安裝條件應(yīng)盡量與實(shí)際工況相符，所處的工作環(huán)境也應(yīng)于實(shí)際工況相一致。本試驗(yàn)是在生產(chǎn)廠家的裝配車間進(jìn)行的，試驗(yàn)狀態(tài)與機(jī)床實(shí)際工作條件相符。為了使機(jī)床盡量與實(shí)際工況接近，在便于安裝試驗(yàn)設(shè)備的基礎(chǔ)上，試驗(yàn)開始前調(diào)整好機(jī)床各部件的相對位置。使主軸的中心對準(zhǔn)工作臺的中心位置，主軸最低點(diǎn)與工作臺的距離為70cm。</p><p>　　(3) 測量方法的確定</p><p>　　由上文所述的試驗(yàn)

26、模態(tài)理論可知，只要測量傳遞函數(shù)矩陣中的一行或一列就可得到系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)的所有信息。由于本試驗(yàn)采用激振器對機(jī)床進(jìn)行相對激振，激勵點(diǎn)位置是不變的，所以本試驗(yàn)采用的移動傳感器的方法，即為兩點(diǎn)激勵，多點(diǎn)拾振的方法，所得到數(shù)據(jù)位傳遞函數(shù)矩陣中的某一列數(shù)據(jù)。</p><p>　　(4) 模態(tài)試驗(yàn)?zāi)M刀具及預(yù)載塊的設(shè)計(jì)</p><p>　　為了使模態(tài)試驗(yàn)與機(jī)床在實(shí)際加工過程中的振動情況相接近，相對激振力

27、應(yīng)該施加在刀具和工作臺之間。而實(shí)際的刀具無法安裝傳感器并對其進(jìn)行預(yù)載，也無法安裝將激振力從激振器傳遞到機(jī)床刀具的激振桿，所以必須設(shè)計(jì)一個模擬刀具來取代現(xiàn)實(shí)的刀具，便于傳感器的安裝和激振器連接。模擬刀具和預(yù)載塊的設(shè)計(jì)如下圖所示：</p><p>　　圖4-4a 90°模擬刀具</p><p>　　圖4-4b 45°模擬刀具</p><p>　　

28、圖4-4c 預(yù)載塊</p><p>　　下面90°是模擬刀具和預(yù)載塊在模態(tài)試驗(yàn)中的安裝過程，介紹模擬刀具、預(yù)載塊、力傳感器、激振桿以及激振器的安裝。首先將模擬刀具裝夾在主軸上；然后安裝傳感器，利用預(yù)載桿和預(yù)載塊將傳感器固定在模擬刀具上，通過對模擬塊施加一定的扭矩實(shí)現(xiàn)對傳感器的預(yù)載；最后安裝激振桿和傳感器，通過激振桿將激振器與預(yù)載塊相連，安裝過程中要保證激振桿是垂直于工作臺的，否則會在激振過程中產(chǎn)生徑向

29、分力，影響試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和激振桿的耐久性。以下是安裝的圖示：</p><p>　　圖4-5 附件及其它試驗(yàn)設(shè)備的安裝</p><p>　　4.2.3 模態(tài)試驗(yàn)過程</p><p>　　GQ1070龍門加工中心的模態(tài)試驗(yàn)在制造廠家的裝配現(xiàn)場進(jìn)行。圖4-11是試驗(yàn)現(xiàn)場的照片。</p><p>　　圖4-6 GQ1070輕小型龍門加工中心模態(tài)試

30、驗(yàn)現(xiàn)場</p><p>　　(1) 試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)的設(shè)置</p><p>　　該機(jī)床的加工運(yùn)行轉(zhuǎn)速并不是很高，所以低階模態(tài)對該機(jī)床的動態(tài)特性影響比較大，而高階模態(tài)對機(jī)床的影響比較小，可以忽略。所以本試驗(yàn)設(shè)定的正弦掃頻范圍為10~1000Hz，掃頻的間隔為3.3Hz，采用線性掃頻的方式。每個頻率進(jìn)過5次平均得到該頻率的導(dǎo)納值。由于低頻段對機(jī)床動態(tài)特性的影響比較大且容易受外界的干擾，故低頻段激振

31、時間相對較長，高頻段激振時間相對較短。最后對各個通道的敏度進(jìn)行設(shè)置。(2) 試驗(yàn)系統(tǒng)相干性和重復(fù)性的檢驗(yàn)</p><p>　　1) 信號相干性的檢驗(yàn)</p><p>　　根據(jù)信號相干檢驗(yàn)的原則，選取床身上的11號點(diǎn)的Z方向?yàn)槔M(jìn)行測量，測量其與激振點(diǎn)的頻響函數(shù)與相干性曲線。</p><p>　　頻響函數(shù)重復(fù)性的檢驗(yàn)</p><p>　　根據(jù)重

32、復(fù)性檢驗(yàn)方法，選取機(jī)床任一點(diǎn)在多次測量其頻響函數(shù)。如果多次測得的響應(yīng)函數(shù)變化不大，則可以認(rèn)為該試驗(yàn)系統(tǒng)的重復(fù)性比較好。</p><p>　　(a) 11號點(diǎn)的相干函數(shù)和頻率響應(yīng)函數(shù)曲線</p><p>　　(b) 11號點(diǎn)的相干函數(shù)和頻率響應(yīng)函數(shù)曲線</p><p>　　圖4-13 相干性和重復(fù)性檢驗(yàn)</p><p><b>　　(

33、3) 測試數(shù)據(jù)</b></p><p>　　本次試驗(yàn)所得到的響應(yīng)信號數(shù)據(jù)為頻率響應(yīng)函數(shù)，共得到779×3個傳遞函數(shù)。下圖是試驗(yàn)過程中具體幾點(diǎn)在10~1000Hz內(nèi)的測試數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)經(jīng)過兩次積分處理后得到位移的傳遞函數(shù)，圖4-14a至圖4-14d為主軸和工作臺上兩個激振點(diǎn)分別在的位移的頻率響應(yīng)函數(shù)和奈奎斯特曲線。從以下的曲線可以看出，低頻段的振動位移要比高頻段的振動位移要大；在同一個激振方向下主

34、軸的振動位移要比工作臺的振動位移大；從90°和45°不同方向激振得到的主軸和工作的激振點(diǎn)的曲線總體上是一致的。</p><p>　　圖4-14a 90°激振時主軸激振點(diǎn)Z方向的頻率響應(yīng)和Ny-quist</p><p>　　圖4-14 90°激振時工作臺激振點(diǎn)Z方向的頻率響應(yīng)和Ny-quist</p><p>　　圖4-1

35、4c 90°激振時主軸激振點(diǎn)Z方向的頻率響應(yīng)和Ny-quist</p><p>　　圖4-14d 90°激振時工作臺激振點(diǎn)Z方向的頻率響應(yīng)</p><p><b>　　(4) 模態(tài)分析</b></p><p>　　模態(tài)分析由STAR6.0完成，具體流程為先確定坐標(biāo)系，在根據(jù)測點(diǎn)的坐標(biāo)建立點(diǎn)，然后由點(diǎn)連成線，最后建立面，完

36、成模型的建立；設(shè)置相關(guān)的參數(shù)，主要包括傳感器類型參數(shù)、測點(diǎn)總數(shù)等；導(dǎo)入試驗(yàn)測得的各個測點(diǎn)的頻率響應(yīng)函數(shù)文件；觀察頻率響應(yīng)函數(shù)曲線確定峰值；曲線擬合計(jì)算出各階固有頻率、阻尼比和振型，表4-2中列出了每一階的固有頻率、阻尼比和對振型的描述，圖4-15至圖4-22所示每一階的主振型和X，Y，Z方向的振型。</p><p>　　從試驗(yàn)結(jié)果可知，前三階低頻段機(jī)床整體的振動位移相對較大，振動主要集中在主軸、立柱和工作臺上，床

37、身整體發(fā)生振動；后幾階高頻段局部有比較大的變形，主要是在床身和工作臺上。</p><p>　　表4-2 機(jī)床的試驗(yàn)?zāi)B(tài)參數(shù)</p><p>　　圖4-15a 第一階主振型極限位置 圖4-15b 第一階主振型X方向極限位置 </p><p>　　圖4-15c 第一階主振型Y方向極限位置 圖4-15d 第一階主振型Z方向極限位置&l

38、t;/p><p>　　圖4-16a 第二階主振型極限位置 圖4-16b 第二階主振型X方向極限位置 </p><p>　　圖4-16c 第二階主振型Y方向極限位置 圖4-16d 第二階主振型Z方向極限位置</p><p>　　圖4-17a 第三階主振型極限位置 圖4-17b 第三階主振型X方向極限位置 </

39、p><p>　　圖4-17c 第三階主振型Y方向極限位置 圖4-17d 第三階主振型Z方向極限位置</p><p>　　圖4-18a 第四階主振型極限位置 圖4-18b 第四階主振型X方向極限位置 </p><p>　　圖4-18c 第四階主振型Y方向極限位置 圖4-18d 第四階主振型Z方向極限位置</p&

40、gt;<p>　　圖4-19a 第五階主振型極限位置 圖4-19b 第五階主振型X方向極限位置 </p><p>　　圖4-19c 第五階主振型Y方向極限位置 圖4-19d 第五階主振型Z方向極限位置</p><p>　　圖4-20a 第六階主振型極限位置 圖4-20b 第六階主振型X方向極限位置 </p>

41、<p>　　圖4-20c 第六階主振型Y方向極限位置 圖4-20d 第六階主振型Z方向極限位置</p><p>　　圖4-21a 第七階主振型極限位置 圖4-21b 第七階主振型X方向極限位置 </p><p>　　圖4-21c 第七階主振型Y方向極限位置 圖4-21d 第七階主振型Z方向極限位置</p>

42、<p>　　圖4-22a 第八階主振型極限位置 圖4-22b 第八階主振型X方向極限位置 </p><p>　　圖4-22c 第八階主振型Y方向極限位置 圖4-22d 第八階主振型Z方向極限位置</p><p>　　在完成模態(tài)參數(shù)識別工作以后，還必須對模型進(jìn)行驗(yàn)證。本次試驗(yàn)采用模態(tài)判定準(zhǔn)則(MAC)來進(jìn)行驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。利用STAR軟件進(jìn)行

43、模態(tài)參數(shù)識別以后，可以得到各階模態(tài)的MAC值。表4-3顯示了前八階模態(tài)振型之間的MAC值，基本都接近于0或等于0。所以可以認(rèn)為這個模型是可靠的，所得的各階模態(tài)參數(shù)是值得信賴的。表4-2是從STAR軟件分析結(jié)構(gòu)中截取的。</p><p>　　表4-2 模態(tài)向量的MAC值</p><p><b>　　4.3 本章小結(jié)</b></p><p>　　

44、本章首先介紹了模態(tài)試驗(yàn)的測試系統(tǒng)，重點(diǎn)介紹了各種激振方法及選擇用穩(wěn)態(tài)正弦激勵下的相對激振方法的依據(jù)，然后簡單介紹了本次試驗(yàn)所用到的相關(guān)設(shè)備和前期準(zhǔn)備。介紹了模態(tài)試驗(yàn)的過程，包括試驗(yàn)測試設(shè)置、可靠性驗(yàn)證、傳遞函數(shù)的測試過程。最后將所測得數(shù)據(jù)導(dǎo)入STAR軟件中進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識別，得到了前八階模態(tài)參數(shù)。</p><p>　　GQ1070龍門加工中心結(jié)構(gòu)動態(tài)特性分析</p><p>　　通過對GQ1

45、070龍門加工中心整機(jī)進(jìn)行了相對激振下的模態(tài)試驗(yàn)，得到了整機(jī)前8階的固有頻率、阻尼比和振型等模態(tài)參數(shù)，可以對整機(jī)結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性和影響其動態(tài)特性的主要因素及薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行分析。</p><p>　　從整機(jī)模態(tài)試驗(yàn)所得到的結(jié)果可知，在前3階振動位移相對較大，所以前3階是機(jī)床動態(tài)特性的薄弱環(huán)節(jié)對機(jī)床的加工精度有較大的影響。從振型圖可知：</p><p>　　第一階模態(tài)，固有頻率為46.6Hz，Z向

46、進(jìn)給部件在Z方向存在較大的位移；</p><p>　　第二階模態(tài)，固有頻率為89.2Hz，Z向進(jìn)給部件在Z方向上存在較大的位移，Z向進(jìn)給部件在Y方向上有較大的彎曲變形；</p><p>　　第三階模態(tài)，固有頻率為125.5Hz，Z向進(jìn)給部件在X方向有較大的彎曲變形。</p><p>　　機(jī)床在加工過程中是通過主軸和工作臺之間的相對位移來實(shí)現(xiàn)對零件的加工，加工精度也是

47、靠兩者之間相對位移的精度來確保的。所以，薄弱環(huán)節(jié)對機(jī)床的加工精度會產(chǎn)生比較大的影響。有必要對Z向進(jìn)給部件進(jìn)行更進(jìn)一步的分析，研究產(chǎn)生較大變形和位移的主要原因。</p><p>　　5.1 Z向進(jìn)給滾珠絲桿軸向剛度計(jì)算</p><p>　　滾珠絲杠在承受軸向載荷時剛度可以根據(jù)在軸向力的作用下絲杠軸向所引起的彈性變形求出，可以用直桿在軸向拉伸或壓縮是的變形模型來簡化，軸向剛度隨著支撐方式的變

48、化而變化。滾珠絲杠常用的安裝方式有兩種，分別是一端固定一端支承和兩端固定[44, 45, 46]。</p><p>　　滾珠絲杠一端固定一端支承安裝的軸向剛度</p><p>　　圖5-1所示為采用一端固定一端支承安裝方法的滾動絲杠副，令載荷作用點(diǎn)至支承端的距離為。根據(jù)靜力平衡，在外加軸向力的作用下，在絲杠固定端產(chǎn)生的反作用于大小相等，方向相反；絲杠的浮動端不受軸向力。所以，載荷作用點(diǎn)到絲

49、杠支承模型可以簡化為軸向拉伸或壓縮桿件的問題。根據(jù)桿件的軸向變形量和外加軸向力的關(guān)系：</p><p><b>　　(5-1) </b></p><p>　　式中，A為桿件的截面積、E為彈性模量。對于滾珠絲杠，用小徑來計(jì)算絲桿的截面積A：</p><p><b>　　(5-2)</b></p><p&g

50、t;　　根據(jù)軸向剛度的定義和式(5-1)得：</p><p><b>　　(5-3)</b></p><p>　　所以一端固定一端支承安裝的滾珠絲桿的軸向剛度為：</p><p><b>　　(5-4)</b></p><p>　　將式(5-1)代入式(5-4)，得到軸向剛度表達(dá)式：</p&g

51、t;<p><b>　　(5-5)</b></p><p>　　- 滾動絲杠的小徑 - 載荷作用點(diǎn)到支承端的距離</p><p>　　圖5-1 一端固定一端支承滾動絲杠副</p><p>　　滾珠絲杠兩端固定安裝的軸向剛度</p><p>　　如圖5-2所示為兩端固定的安裝方式，求此類安裝方法的軸向力

52、并不能完全由靜力平衡方程解出，還需要結(jié)合物理方程或變形協(xié)調(diào)方程三方面的關(guān)系求解。</p><p>　　- 載荷作用點(diǎn)至一端的距離 - 兩支承間的距離</p><p>　　- 滾動絲杠的小徑 、- 兩端的反作用力</p><p>　　圖5-2 兩端固定安裝滾動絲桿副</p><p>　　如圖5-2所示，絲桿兩端的支反力分別是、，靜力平衡

53、方程：</p><p>　　+-= 0 (5-6)</p><p>　　從受力圖看出，桿件在AC段受壓，軸向力為，壓縮量設(shè)為，在CB段受拉，設(shè)拉伸量。由于桿件的兩端是固定的，所以總長度是不變的，故得到協(xié)調(diào)方程：</p><p><b>　　(5-7)</b></p><p&

54、gt;　　在此基礎(chǔ)上再根據(jù)胡克定理：</p><p><b>　　(5-8)</b></p><p>　　根據(jù)變形協(xié)調(diào)方程(5-7)，得</p><p><b>　　(5-9)</b></p><p><b>　　兩邊取微分得：</b></p><p>

55、<b>　　(5-10)</b></p><p>　　所以兩端固定安裝的滾動絲杠副的軸向靜剛度為：</p><p><b>　　(5-11)</b></p><p>　　GQ1070Z向進(jìn)給滾動絲杠的軸向剛度計(jì)算</p><p>　　GQ1070Z向進(jìn)給安裝的滾珠絲杠的公稱直接=40mm，絲杠小徑為

56、=35mm，采用兩端固定的安裝方式，兩端的支承距離為925mm。下圖為進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)時滾珠絲杠副所處的位置，=185mm，=925mm。</p><p>　　圖5-3 GQ1070Z向進(jìn)給絲杠副簡圖</p><p>　　將上述數(shù)據(jù)代入式(5-11)中即可得到在滾珠絲杠在模態(tài)試驗(yàn)中的特定位置的軸向剛度：</p><p><b>　　(5-12)</b&g

57、t;</p><p>　　5.2 軸承軸向剛度的計(jì)算</p><p>　　角接觸軸承的滾動體與內(nèi)、外滾道接觸處總的彈性變形與滾動體上作用力之間的關(guān)系為：</p><p><b>　　(5-13)</b></p><p>　　式中，為軸承滾動體直徑。滾動體上的作用力為：</p><p><b

58、>　　(5-14)</b></p><p>　　式中，為接觸角，為滾動體個數(shù)。式(5-14)代入(5-13)得：</p><p><b>　　(5-15)</b></p><p>　　軸承內(nèi)、外圈軸向相對位移與軸向力的關(guān)系為：</p><p><b>　　(5-16)</b><

59、;/p><p>　　軸向預(yù)緊力作用下，軸承內(nèi)、外圈軸向相對位移可用式(5-16)計(jì)算。若在軸承內(nèi)圈上再作用一軸向力，并設(shè)產(chǎn)生的內(nèi)、外圈軸向相對位移，且由于的影響，使兩側(cè)預(yù)緊力分別變?yōu)楹?。故此軸向力可表示為：</p><p><b>　　(5-17)</b></p><p><b>　　令，則軸向剛度為</b></p>

60、;<p><b>　　(5-18)</b></p><p>　　實(shí)際工程上，常常是變化的，使為時變的，且難于估計(jì)其值，從而造成計(jì)算困難。故有必要尋求在一定范圍內(nèi)的近似算法，成對定位預(yù)緊軸承常在范圍內(nèi)使用，即式(5-18)中的區(qū)間內(nèi)，此時，相對于是單調(diào)下降的，故在=1時取最小值。由此可計(jì)算出該區(qū)間內(nèi)的最大偏差為</p><p>　　這樣，軸向剛度可近似按值

61、近似計(jì)算，注意到，有</p><p><b>　　(5-19)</b></p><p>　　GQ1070Z向進(jìn)給部件所用軸承的型號為30TAC62BSUC10P7B，內(nèi)徑為30mm，外徑為62mm，接觸角為，滾珠的直徑7mm，滾珠數(shù)為19，采用500N的預(yù)緊力。將以上參數(shù)代入式(5-19)中，得該軸承軸向剛度為[47]。</p><p>　　5

62、.3 機(jī)床Z向進(jìn)給部件Z向剛度測試</p><p>　　根據(jù)模態(tài)試驗(yàn)得到的結(jié)果，機(jī)床Z向進(jìn)給部件Z方向在第一階和第二階都存在比較大的整體位移，這種情況會機(jī)床的加工精度和加工效率產(chǎn)生較大的影響，所以有必要對機(jī)床主軸部件Z方向的剛度進(jìn)行測試。</p><p>　　圖5-4 Z向進(jìn)給部件Z方向剛度測試試驗(yàn)現(xiàn)場</p><p>　　通過加載器對主軸部件進(jìn)行Z方向加載，加

63、載力的大小通過安裝在加載器和刀具之間的測力環(huán)進(jìn)行測量，測力環(huán)在試驗(yàn)之前已在壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行載荷標(biāo)定，最后通過讀取安裝在工作臺和主軸之間千分表示數(shù)的變化量測得在響應(yīng)載荷下主軸部件的在Z方向的位移。</p><p>　　在試驗(yàn)正式開始之前先進(jìn)行若干次預(yù)實(shí)驗(yàn)，以消除機(jī)床結(jié)構(gòu)中存在的間隙和不穩(wěn)定因素，等所測得位移數(shù)據(jù)到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)后再進(jìn)行正式試驗(yàn)。加載過程從0N-4000N，間隔為200N，依次進(jìn)行加載后讀取千分表的示數(shù)；

64、卸載過程從4000N-0N，間隔也是200N，依次進(jìn)行卸載后讀取千分表的示數(shù)。試驗(yàn)重復(fù)三次，試驗(yàn)結(jié)果如圖5-5所示。對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步分析得出主軸部件Z方向的剛度為。</p><p>　　圖5-5 Z向進(jìn)給部件Z向剛度測試結(jié)果</p><p>　　5.4 GQ1070龍門加工中心結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)分析</p><p>　　將試驗(yàn)測得的主軸部件Z方向的剛度 代入式中

65、，計(jì)算Z向進(jìn)給部件Z方向的固有頻率，已知Z向進(jìn)給部件的總質(zhì)量為600Kg，結(jié)算的，。模態(tài)試驗(yàn)測得機(jī)床整機(jī)的第一階固有頻率為46.6Hz與主軸部件Z方向的固有頻率非常接近，所以在機(jī)床達(dá)到第一階固有頻率是主軸部件在Z方向產(chǎn)生了共振，導(dǎo)致Z方向整體位移較大。</p><p>　　機(jī)床Z向進(jìn)給部件Z向剛度主要由滾珠絲杠副的軸向剛度，螺母絲杠軸向接觸剛度，軸承軸向剛度，軸承支承軸向剛度等串聯(lián)而成。 </p>

66、<p><b>　　(5-20)</b></p><p>　　所以Z向進(jìn)給部件Z向的剛度要比所有組成它的剛度都要小。</p><p>　　從絲杠、軸承等理論計(jì)算結(jié)果和和機(jī)床Z向進(jìn)給部件Z方向剛度的實(shí)際測量結(jié)果來看，機(jī)床Z向進(jìn)給部件Z方向剛度的實(shí)際測量結(jié)果要小很多，一方面可能是理論計(jì)算不符合實(shí)際造成的誤差，另一方面也可能是剛度串聯(lián)系統(tǒng)考慮不全面，沒有把影響

67、機(jī)床Z向進(jìn)給部件Z向剛度的主導(dǎo)環(huán)節(jié)考慮進(jìn)去造成的誤差。但可以肯定的是：機(jī)床Z向進(jìn)給部件Z向剛度不足是產(chǎn)生第一階模態(tài)振動的原因。</p><p>　　關(guān)于影響機(jī)床Z向進(jìn)給部件Z向剛度的主導(dǎo)環(huán)節(jié)是什么，還有待于進(jìn)一步進(jìn)行研究。</p><p>　　在第二階振型中，滑枕在Y方向存在著彎曲，這是由滑枕在Y方向的剛度不足造成的。同樣，在第三階的振型中，滑枕在X方向存在著彎曲，這是由滑枕在X方向的剛度

68、不足造成的。</p><p>　　通過以上的分析可得，該機(jī)床存在著Z向進(jìn)給部件在Z方向剛度不足，滑枕在X、Y方向的剛度不足?？梢酝ㄟ^提高軸承的預(yù)載來提高軸承的軸向剛度，提高滾動絲杠副預(yù)緊力來提高滾動絲杠副的接觸剛度，提高Z向進(jìn)給部件在Z方向的綜合剛度。</p><p><b>　　5.5 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章對GQ107