□ 李 林 □ 馬 平

1.廣東白云學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 廣州 510450

2.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 廣州 510006

1 研究背景

主軸系統(tǒng)是高速機(jī)床的關(guān)鍵部件，對(duì)機(jī)床的加工精度和穩(wěn)定性起決定性作用。筆者研究的五軸聯(lián)動(dòng)雕銑機(jī)床，采用內(nèi)裝式主軸電機(jī)一體化的主軸單元，即內(nèi)裝式電機(jī)主軸，簡(jiǎn)稱電主軸［1］。該機(jī)床主要應(yīng)用于小刀具精密加工領(lǐng)域，主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)24 000 r/min。當(dāng)主軸以超高速運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行實(shí)際切削加工時(shí)，容易引發(fā)整個(gè)系統(tǒng)共振，加劇刀具磨損或破損，增大機(jī)床導(dǎo)軌的動(dòng)態(tài)載荷，從而降低整機(jī)壽命，且無法保持機(jī)床的精度［2］。同時(shí)，動(dòng)態(tài)切削力也會(huì)引起機(jī)床的受迫振動(dòng)，從而影響工件的加工精度和表面質(zhì)量。因此，對(duì)電主軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析是非常必要的，模態(tài)分析法就是一種非常有效的動(dòng)力學(xué)分析方法。

筆者利用模態(tài)參數(shù)識(shí)別的新技術(shù)——多參考點(diǎn)最小二乘復(fù)頻域（PolyMAX）法對(duì)五軸聯(lián)動(dòng)雕銑機(jī)床電主軸進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)與分析，研究其動(dòng)力學(xué)特征，將試驗(yàn)結(jié)果和有限元模態(tài)分析結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證有限元模型的有效性，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蜏y(cè)點(diǎn)配置

模態(tài)試驗(yàn)與分析時(shí)，通過激勵(lì)設(shè)備對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行激振，測(cè)量系統(tǒng)的激勵(lì)和振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，處理相關(guān)數(shù)據(jù)，擬合曲線，識(shí)別參數(shù)，計(jì)算出決定結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特征的模態(tài)參數(shù)，包括模態(tài)頻率、模態(tài)阻尼比、模態(tài)振型、模態(tài)參與因子、模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)剛度和模態(tài)阻尼矩陣［3］。模態(tài)參數(shù)能夠直觀、準(zhǔn)確地反映系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，具有簡(jiǎn)明、直觀和物理概念清晰等優(yōu)點(diǎn)，因此常用于結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性分析。

筆者在所測(cè)電主軸上布置了20個(gè)測(cè)點(diǎn)，主要根據(jù)電主軸系統(tǒng)振型圖中的振動(dòng)方向和振動(dòng)薄弱環(huán)節(jié)來確定測(cè)點(diǎn)位置［4］。測(cè)點(diǎn)分布如圖1所示。

3 電主軸模態(tài)試驗(yàn)與分析

▲圖1 電主軸測(cè)點(diǎn)分布

采用LMS振動(dòng)、噪聲、模態(tài)測(cè)試系統(tǒng)，傳感器采用PCB三向加速度傳感器，力錘采用與之配套的PCB力錘。試驗(yàn)時(shí)采用錘擊法單點(diǎn)激振，利用多個(gè)頻響函數(shù)作整體曲線擬合。支承方式為采用布帶將主軸懸掛起來，使主軸處于自由狀態(tài)，這可近似作為一種最佳支承方式，避免環(huán)境振動(dòng)和支承剛度對(duì)測(cè)試的影響，重復(fù)性好。分析軟件采用LMS Test.Lab中的Modal Analysis與Modal Impact模塊。

在建立好試驗(yàn)裝置后，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并完成數(shù)據(jù)處理工作?？紤]到隨機(jī)誤差，對(duì)每個(gè)測(cè)試點(diǎn)分別敲擊五次，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)作線性平均處理，盡量減小誤差，以得到更為準(zhǔn)確的頻響函數(shù)。

用PolyMAX法分析得到的一階～三階模態(tài)振型如圖2所示，試驗(yàn)?zāi)B(tài)一階～三階頻率與振型描述見表1。

表1 試驗(yàn)?zāi)B(tài)頻率與振型

考慮到所研究的高速雕銑機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍及工作頻率段，筆者在0～3 200 Hz頻段內(nèi)用PloyMAX法進(jìn)行模態(tài)參數(shù)估計(jì)［5-8］，得到的穩(wěn)態(tài)圖如圖3所示，在202 Hz附近有明顯的峰值。

▲圖2 試驗(yàn)?zāi)B(tài)振型

▲圖3 PolyMAX法穩(wěn)態(tài)圖

對(duì)比計(jì)算模態(tài)與試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析得到的振型［9-11］，發(fā)現(xiàn)一階試驗(yàn)?zāi)B(tài)與ANSYS分析的一階模態(tài)振型基本相同，可認(rèn)定二者為同一模態(tài)。計(jì)算模態(tài)與試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析得到的模態(tài)頻率對(duì)比見表2。

表2 模態(tài)頻率對(duì)比

由于筆者研究的雕銑機(jī)床最高轉(zhuǎn)速為24 000 r/min，因此只考慮頻率為400 Hz以內(nèi)的影響。由表2可以看出，一階頻率誤差為4.26%。出現(xiàn)誤差的原因主要是約束條件存在誤差，模型的結(jié)構(gòu)作了一些簡(jiǎn)化，計(jì)算時(shí)將轉(zhuǎn)子和主軸假定為一個(gè)材料均勻的整體，而實(shí)際工藝中，可能出現(xiàn)彈性模量等特性差異，不可避免會(huì)產(chǎn)生一些誤差。

4 結(jié)論

采用PolyMAX法對(duì)電主軸進(jìn)行了模態(tài)試驗(yàn)與分析，得到了0～3 200 Hz頻段內(nèi)的固有頻率及振型，并與對(duì)應(yīng)的ANSYS模態(tài)分析結(jié)果進(jìn)行誤差比較，得出理論和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了有限元模型的正確性。

通過對(duì)電主軸進(jìn)行模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)主軸一階固有頻率約為211 Hz，即在該頻率附近會(huì)引發(fā)主軸系統(tǒng)共振，對(duì)應(yīng)的工作轉(zhuǎn)速為12 680 r/min，機(jī)床工作時(shí)應(yīng)盡量避免涉及該轉(zhuǎn)速。

從模態(tài)振型圖來看，共振時(shí)最大響應(yīng)出現(xiàn)在主軸后端，容易引起結(jié)構(gòu)磨損。這說明電主軸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)還不太合理，進(jìn)行需要改進(jìn)。