MY—7163型平面磨床试验模态分析
2022-06-09
机床结构的动态性能己经成为衡量机床结构性能好坏的非常重要的指标。随着机床日益向高速、高效、精密和自动化方向发展，研究机床的动态特性从而改进其机械结构、提高机床的加工精度和加工稳定性都有着重要的实际意义
机床动态性能的分析方法常见的有试验模态分析和有限元分析两种[1]。事实上这两种方法并无严格的界定，模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，则称为计算模态分析；如果通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数，称为试验模态分析。有限元模态分析方法在当今迅速发展，其分析软件种类繁多，对于解决单一机床零部件的动力分析己达到一定的精度可用于单一零部件的动力优化设计，但对于机床整机复杂的结合体、运动体等进行CAE理论模态分析，难于解决机床整机结构动力优化设计，特别是对各结合面的刚度、阻尼分布难于建立与实际相一致的数学模型和物理模型。在实际分析中试验模态分析法能及时的对动力学模型进行结果检验并补充修正，能比较真实的反应实际情况，故通常都会采用试验模态进行动态特性分析。
1研究内容及目的
本文以昆明某机床厂生产的MY-7610卧轴距台磨床作为对象，对机床进行正弦扫描相对激振[2]，然后运用频域模态参数识别方法[3]提取了机床的模态频率、阻尼比和模态振型，建立起模态模型，之后利用动力学特性分析获得其动态特性。寻找机床振动的薄弱模态和主振部件，提高切削稳定性和抗振性。为机床改进提供依据。
2试验条件
（1）试验时，机床各运动部件不作任何进给，主轴做旋转运动；
（2）试验时，在主轴上安装模拟砂轮，使模拟砂轮外表面的径向跳动小于0.060mm；
（3）试验时，在工作台上固定非接触式电磁激振器，激振点保持不变；
（4）试验时，机床接专用地线，消除工频干扰；
（5）试验时，测量步骤如图1。
3试验装置示意图
4试验方法及原理
4.1试验方法
整整个磨床共90个测点，采集18批数据，每批采集5个测点的数据，采样频率为5.12kHz（高采样频率的保证时域分析精度，扫频范围为10Hz～410Hz），分析选择"频响分析"，每批测点信息均现场记录；数据采集前，输入每通道传感器对应的灵敏度；选择合适的量程，如果是第一次采样，对于所采信号大小不确定，可先预采样，根据所采信号的大小来确定量程范围；设置连接激振器的数采通道（即1通道）为参考通道；根据每批测点及参考点的信息设置对应通道"几何参数"中的"测点号"和"方向"，设置无误后，平衡清零开始采样。每采集完一批数据需进行备份操作，以免误操作将数据覆盖；在更改"测点号"和"方向"前首先要"新建项目"（项目名称推荐用采样的批次进行命名）。
4.2试验原理
此次模态试验参数识别的原理[4]是Polymax方法，PolyMax模态识别方法属于多自由度时域识别法，也称作多参考点最小二乘复频域法（Polyreferenceleastsquarescomplexfrequencydomainmethod），是最小二乘复频域法（LSCF）的多输入形式，是一种对极点和模态参预因子进行整体估计的多自由度法，一般首先通过实验建立稳态图，以判定真实的模态频率、阻尼和参预因子；建立可以线性化的直交矩阵分式模型，然后基于正则方程缩减最小二乘问题，得到压缩正则方程，于是模态参数可以通过求解最小二乘问题得到。该方法集合了多参考点法和LSCF方法的优点，可以得出非常清晰的稳态图，并且密集空间可以被分离出来，尤其在模态较密集的系统（动力总成系统），或者FRF数据受到严重噪声污染的情况下仍可以建立清晰的稳态图，识别出高度密集的模态，对每一个模态的频率、阻尼和振型都有很好的识别精度，是国际最新发展并流行的基于传递函数的模态分析方法。
5试验结果与分析
试验结果
21.25Hz频率为主轴箱、拖板、立柱组成的系统的固有频率，在该频率下的振型图如图2。
315Hz频率为立柱、工作台系统的固有频率，在该频率下的振型图如图3。
从图2看出：固有频率为21.25Hz时，立柱、拖板、主轴系统在YZ平面内沿Y方向摇晃。该频率下阻尼比为0.54%。
从图3看出：固有频率为315Hz时，立柱、工作台系统在XY平面内摇晃。该频率下阻尼比为0.12%。
机床整机结构较复杂，各结合面和运动体较多，通对本次试验己激起机床较多阶模态，但考虑到对机床加工精度和切削性能贡献的影响，我们主要拿出三阶主要模态进行分析和研究，而解决这三阶模态结构存在的问题，就可大幅度地提高机床的切削性能和加工精度.
机床动态性能的分析方法常见的有试验模态分析和有限元分析两种[1]。事实上这两种方法并无严格的界定，模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，则称为计算模态分析；如果通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数，称为试验模态分析。有限元模态分析方法在当今迅速发展，其分析软件种类繁多，对于解决单一机床零部件的动力分析己达到一定的精度可用于单一零部件的动力优化设计，但对于机床整机复杂的结合体、运动体等进行CAE理论模态分析，难于解决机床整机结构动力优化设计，特别是对各结合面的刚度、阻尼分布难于建立与实际相一致的数学模型和物理模型。在实际分析中试验模态分析法能及时的对动力学模型进行结果检验并补充修正，能比较真实的反应实际情况，故通常都会采用试验模态进行动态特性分析。
1研究内容及目的
本文以昆明某机床厂生产的MY-7610卧轴距台磨床作为对象，对机床进行正弦扫描相对激振[2]，然后运用频域模态参数识别方法[3]提取了机床的模态频率、阻尼比和模态振型，建立起模态模型，之后利用动力学特性分析获得其动态特性。寻找机床振动的薄弱模态和主振部件，提高切削稳定性和抗振性。为机床改进提供依据。
2试验条件
（1）试验时，机床各运动部件不作任何进给，主轴做旋转运动；
（2）试验时，在主轴上安装模拟砂轮，使模拟砂轮外表面的径向跳动小于0.060mm；
（3）试验时，在工作台上固定非接触式电磁激振器，激振点保持不变；
（4）试验时，机床接专用地线，消除工频干扰；
（5）试验时，测量步骤如图1。
3试验装置示意图
4试验方法及原理
4.1试验方法
整整个磨床共90个测点，采集18批数据，每批采集5个测点的数据，采样频率为5.12kHz（高采样频率的保证时域分析精度，扫频范围为10Hz～410Hz），分析选择"频响分析"，每批测点信息均现场记录；数据采集前，输入每通道传感器对应的灵敏度；选择合适的量程，如果是第一次采样，对于所采信号大小不确定，可先预采样，根据所采信号的大小来确定量程范围；设置连接激振器的数采通道（即1通道）为参考通道；根据每批测点及参考点的信息设置对应通道"几何参数"中的"测点号"和"方向"，设置无误后，平衡清零开始采样。每采集完一批数据需进行备份操作，以免误操作将数据覆盖；在更改"测点号"和"方向"前首先要"新建项目"（项目名称推荐用采样的批次进行命名）。
4.2试验原理
此次模态试验参数识别的原理[4]是Polymax方法，PolyMax模态识别方法属于多自由度时域识别法，也称作多参考点最小二乘复频域法（Polyreferenceleastsquarescomplexfrequencydomainmethod），是最小二乘复频域法（LSCF）的多输入形式，是一种对极点和模态参预因子进行整体估计的多自由度法，一般首先通过实验建立稳态图，以判定真实的模态频率、阻尼和参预因子；建立可以线性化的直交矩阵分式模型，然后基于正则方程缩减最小二乘问题，得到压缩正则方程，于是模态参数可以通过求解最小二乘问题得到。该方法集合了多参考点法和LSCF方法的优点，可以得出非常清晰的稳态图，并且密集空间可以被分离出来，尤其在模态较密集的系统（动力总成系统），或者FRF数据受到严重噪声污染的情况下仍可以建立清晰的稳态图，识别出高度密集的模态，对每一个模态的频率、阻尼和振型都有很好的识别精度，是国际最新发展并流行的基于传递函数的模态分析方法。
5试验结果与分析
试验结果
21.25Hz频率为主轴箱、拖板、立柱组成的系统的固有频率，在该频率下的振型图如图2。
315Hz频率为立柱、工作台系统的固有频率，在该频率下的振型图如图3。
从图2看出：固有频率为21.25Hz时，立柱、拖板、主轴系统在YZ平面内沿Y方向摇晃。该频率下阻尼比为0.54%。
从图3看出：固有频率为315Hz时，立柱、工作台系统在XY平面内摇晃。该频率下阻尼比为0.12%。
机床整机结构较复杂，各结合面和运动体较多，通对本次试验己激起机床较多阶模态，但考虑到对机床加工精度和切削性能贡献的影响，我们主要拿出三阶主要模态进行分析和研究，而解决这三阶模态结构存在的问题，就可大幅度地提高机床的切削性能和加工精度.