五軸聯(lián)動雕銑機床電主軸模態(tài)探討

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1、五軸聯(lián)動雕銑機床電主軸模態(tài)探討 五軸聯(lián)動雕銑機床電主軸模態(tài)探討 2018/08/09 摘要：電主軸是高速機床的關(guān)鍵部件。應用多參考點最小二乘復頻域法對五軸聯(lián)動雕銑機床電主軸進行模態(tài)分析，通過對比計算模態(tài)與試驗模態(tài)，驗證有限元模型的合理性，為電主軸結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計提供理論支持。 關(guān)鍵詞：機床；電主軸；模態(tài)分析；多參考點最小二乘復頻域 1研究背景 主軸系統(tǒng)是高速機床的關(guān)鍵部件，對機床的加工精度和穩(wěn)定性起決定性作用。筆者研究的

2、五軸聯(lián)動雕銑機床，采用內(nèi)裝式主軸電機一體化的主軸單元，即內(nèi)裝式電機主軸，簡稱電主軸［1］。該機床主要應用于小刀具精密加工領(lǐng)域，主軸轉(zhuǎn)速可達24000r/min。當主軸以超高速運轉(zhuǎn)進行實際切削加工時，容易引發(fā)整個系統(tǒng)共振，加劇刀具磨損或破損，增大機床導軌的動態(tài)載荷，從而降低整機壽命，且無法保持機床的精度［2］。同時，動態(tài)切削力也會引起機床的受迫振動，從而影響工件的加工精度和表面質(zhì)量。因此，對電主軸結(jié)構(gòu)進行動力學分析是非常必要的，模態(tài)分析法就是一種非常有效的動力學分析方法。筆者利用模態(tài)參數(shù)識別的新技術(shù)———多參考點最小二乘復頻域（PolyMAX）法對五軸聯(lián)動雕銑機床電主軸進行模態(tài)試驗與分析，研究其

3、動力學特征，將試驗結(jié)果和有限元模態(tài)分析結(jié)果進行比較，驗證有限元模型的有效性，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計提供依據(jù)。 2試驗模型和測點配置 模態(tài)試驗與分析時，通過激勵設備對機械結(jié)構(gòu)進行激振，測量系統(tǒng)的激勵和振動響應信號，處理相關(guān)數(shù)據(jù)，擬合曲線，識別參數(shù)，計算出決定結(jié)構(gòu)動力學特征的模態(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、準確地反映系統(tǒng)的動態(tài)特性，具有簡明、直觀和物理概念清晰等優(yōu)點，因此常用于結(jié)構(gòu)動態(tài)特性分析。筆者在所測電主軸上布置了20個測點，主要根據(jù)電主軸系統(tǒng)振型圖中的振動方向和振動薄弱環(huán)節(jié)來確定測點

4、位置［4］。 3電主軸模態(tài)試驗與分析 采用LMS振動、噪聲、模態(tài)測試系統(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。試驗時采用錘擊法單點激振，利用多個頻響函數(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)境振動和支承剛度對測試的影響，重復性好。分析軟件采用LMSTest.Lab中的ModalAnalysis與ModalImpact模塊。在建立好試驗裝置后，進行數(shù)據(jù)采集，并完成數(shù)據(jù)處理工作?？紤]到隨機誤差，對每個測試點分別敲擊五次，對測量數(shù)據(jù)作線性平均處理，盡量減小誤差，以得到更為準

5、確的頻響函數(shù)。 4結(jié)論 采用PolyMAX法對電主軸進行了模態(tài)試驗與分析，得到了0～3200Hz頻段內(nèi)的固有頻率及振型，并與對應的ANSYS模態(tài)分析結(jié)果進行誤差比較，得出理論和試驗模態(tài)分析結(jié)果基本吻合，驗證了有限元模型的正確性。通過對電主軸進行模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)主軸一階固有頻率約為211Hz，即在該頻率附近會引發(fā)主軸系統(tǒng)共振，對應的工作轉(zhuǎn)速為12680r/min，機床工作時應盡量避免涉及該轉(zhuǎn)速。從模態(tài)振型圖來看，共振時最大響應出現(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，進行需要改進。 參考文獻 ［1］吳成軍.工

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