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基於(yú)動態特性分(fèn)析的KVC800立式加(jiā)工中(zhōng)心運行優化研究(jiū)
2016-9-6  來源: 湖南科技大學機械設備健康維護省重點實  作者:蔣玲莉 譚(tán)清雅 唐思文

  
      摘要:在數控加工中心設計(jì)之初常會考慮固有頻率的影響,但由於加工過程中不(bú)可避免的誤差,對已投入使用(yòng)的數控加工中心開展動態特性分析,掌握其各階模(mó)態,對於優化加工中心的運行仍必不可少。對KVC800立式加工中心開展了(le)ANSYS有限(xiàn)元模態分析、錘擊法試驗模態分析以及升速過程中振動信號的瀑布(bù)圖分析,通過相互對比與驗證,發現加工中心存在工作轉頻內的低(dī)階模態。切削(xuē)動態測試驗證在此低階模態下(xià)工件加(jiā)工精度略(luè)低(dī),為加工中心的優化運行提供了可靠(kào)依據。
  
      關鍵(jiàn)詞:立(lì)式加工中心;有限元分析;模態試驗;瀑布圖;動態特性
  
      數控機(jī)床是機械行業(yè)中的重要工具之一,是現代製造業(yè)的關鍵設備(bèi)[1]。隨著機床加工行業的迅速發展.對加工中心(xīn)的(de)加工(gōng)性能及加工精度要求越來越高,對加工中心進行動態分析是提高加工中心的加工性能與加工精度的有效途徑。加工中心在加工工件時產(chǎn)生的振動和形變都會對被加工(gōng)對象的加工精度(dù)產生很大的影響,從而降低機床的(de)加工效率以及刀具的使(shǐ)用(yòng)壽命,更嚴重的是影響到機床(chuáng)的壽命(mìng)。因此,對在線加工(gōng)中(zhōng)心進行動態特性研究是優(yōu)化加工中心運行的重要(yào)手段之一。
 
      文(wén)中的研究對象是KVC800滑鞍型立式加工中心(xīn)(見圖1)。該(gāi)加工中心結構(gòu)主(zhǔ)要(yào)由工作台、床身(shēn)、床鞍、立柱、主軸箱及(jí)刀庫六大(dà)部(bù)分組成,工作台作縱向(xiàng)進給,床鞍作橫向進(jìn)給,主軸箱作垂(chuí)向進給運(yùn)動,3個進給方(fāng)向(xiàng)導軌(guǐ)均為矩形導軌,電機帶動滾珠絲杠通過導軌(guǐ)實現3個方向的(de)運動。對其(qí)動態特性進(jìn)行分析,對比有限元結(jié)果以及試驗結果,獲取優化(huà)加工中(zhōng)心運行的工作參數。
  
  
      圖1 KVC800立式(shì)加工中心
 
      1、加工中心有限元振型分(fèn)析
  
      建立加(jiā)工中心結構模型以及(jí)對其進行有限元分析(xī)是研究加工中心動態特性的前(qián)提工作㈨。由於加工中心結構複雜,通過合理地簡化結構並(bìng)使用SolidWorks建模軟件完成其部件有限元(yuán)模型的繪製。再將其導人ANSYS Workbenchl4.5軟件中進行模態分析,是最(zuì)終得到加工中(zhōng)心關鍵部件振型的最佳方案。通過適當的簡化(huà),建立加工中心的工作台、床身、立柱以及主軸箱的三維模型。
 
      為了獲取加工中心各部(bù)件的振型,對以上各部件進行材料屬性定義、接觸定義、網格劃(huá)分以及邊界(jiè)條(tiáo)件設置等有限元分析前處理步驟[3]。
  
      (1)設定材料屬性
  
      該加工中心的床(chuáng)身(shēn)、立柱、主軸箱、床鞍和工作台的材料是鑄鐵。密度為7300 kg/m3.泊鬆比為0.25,彈性模量為135 GPa;絲杠、絲杠螺母的材料是高性能優質鋼,密度為7 800 kg/m3。泊鬆比為0.3,彈性模量為200 GPa。
  
      (2)定義(yì)接觸對
  
      在建模時,將滑塊和工作(zuò)台的接觸麵定義為(wéi)綁定接觸.這樣的(de)處理既有利於工作台係統的簡化,又可以提高計算效率。同(tóng)樣的,滑塊與立柱之間、滑塊與床身之間的接觸麵均定義為綁定(dìng)接觸。加(jiā)工中(zhōng)心所有導軌和(hé)滑塊以及(jí)滾珠絲杠和絲杠母座之間的接觸類(lèi)型均定義為不分離接觸。在進行切削加工時.導軌和滑塊之間本身(shēn)就是固定聯結(jié).絲杠和工作台之間並沒有相(xiàng)對運動,這種接觸設置符合實際(jì)情況。
 
      (3)劃分網格
  
      該加工(gōng)中心的床身、立(lì)柱、主軸箱、床鞍等(děng)結構形狀複雜,且均(jun1)設計有合理的布筋,所以為了減小網格劃分(fèn)的複雜度.在分析中采(cǎi)用自動劃分網格的(de)形式。工作台、滑塊、導軌、絲杠母座等零部件。結構同樣較複雜,故也采用自動劃分網(wǎng)格的形(xíng)式;滾珠絲杠在三(sān)維(wéi)建模時被簡化成一個圓柱體,所以采用映射劃分(fèn)網格的形式,得到規則的六(liù)麵體單元。模態分析中沒有應力集中現象.因此不需要考慮網格的疏密分布,要求網格盡可能均勻分布。
  
      (4)施加(jiā)邊界條件
  
      模態分析中的邊界條件不包括載荷力。所以模態分析時,隻需對其(qí)作位移邊界條件限製即可。為了正確地模擬高速加(jiā)工中心的工況,采用的約束方法是:對工作台係統的導(dǎo)軌進行(háng)固定(dìng)約束,對絲杠兩(liǎng)端施加圓柱約束;對床身、立柱上(shàng)的導軌及絲杠同樣分別施加固定約束以(yǐ)及圓柱約束;立柱是通過螺栓垂直(zhí)安裝在床身後部(bù),所以需對立柱底部添加固定約束(shù);主軸箱隻做垂向運動.所以在主軸箱滑塊麵添加給定位移(yí)約束,將橫向(xiàng)和縱向位移設置為0來約束主軸箱的橫(héng)、縱向運動。
  
      最終獲取各部件的(de)有限元振型分析結果(guǒ)(見圖2),為試驗模態測試的布點方案提供了(le)依據。
 
           
 
     

      圖2各部件有限元振型(xíng)分析結果
  
      根(gēn)據加工中心各(gè)大部件有限元振型分析結果可知:工作台及床鞍(ān)振型變化最大的區域主(zhǔ)要分布在工作台的兩端4個角點處;床身振型明顯變化的(de)部位主要集中在床(chuáng)身上半部分前後兩個自由端;立柱頂部的振型變化最大;主軸箱振型最大(dà)區(qū)域在主軸(zhóu)底部以及主軸箱頂部。
 
      加工中心整機的有限元分析結果如表1所示。
 
      表(biǎo)1整機前8階頻(pín)率 
   
  
  
      2、加工中心試驗模態分析
  
      試驗模態分析和有(yǒu)限元模態分析是研究對象模態參數的常用手段,兩者為現代加(jiā)工中心(xīn)的動態設計提供了2條最為有效的(de)途徑。試驗模態(tài)分析方法是研究數控加工中心動(dòng)態(tài)特性的常用方法,對加工中心結構的動態特性分析有著重(chóng)要的作用H J。
  
      2.1 測試係統
  
      對KVC800立式加工中心進行試(shì)驗模態測試的係統主要由3個部分(圖3)組成。

  
  
      圖3模態測試係統各組件
  
      激勵係(xì)統。試驗中選(xuǎn)用8206.002型脈衝(chōng)力錘作為激勵裝置。該型號力錘能承受的壓(yā)力為0—2 200N。為獲得加工中心結構的低頻段數據,力錘錘帽材料應選擇為橡膠,橡膠(jiāo)錘帽比較軟,需(xū)要添加附(fù)加質量才能夠產生可以激發出更(gèng)多模(mó)態的衝擊力,使得激勵信號有更多的能量。
  
      測量係統。主要由力傳感器和加速(sù)度傳感器組(zǔ)成。利用力(lì)錘對結構錘擊產生激勵,輸入到係(xì)統的信(xìn)號(hào)則是錘擊的力信號,所以一般用力傳感器拾取(qǔ);響應信號一(yī)般是傳感器從被測結構件上(shàng)拾取的速度、加(jiā)速度或者位移信(xìn)號。試(shì)驗中利用特製的安裝座在每個測點處安裝3個方向的傳(chuán)感器。
  
      數據采集處理係統。由數據采集卡、采集箱(xiāng)以及模態分析軟件組成。試驗中(zhōng)由力傳感(gǎn)器和加速度傳感(gǎn)器測得信號經過丹麥B&K數據采集器采集(jí)和儲存(cún),該采集(jí)卡有12個通道,測試頻率範圍為0—25.6kHz,當通道數不夠時,即可用采集箱(xiāng)合並使(shǐ)用多塊采集卡。試驗采用丹麥B&K公司開發的模態(tài)測試模塊(MTC Hammer)進行數據采集以及自帶(dài)的分析模塊(Modal Analysis)對數(shù)據進行處理分析。
  
      2.2參數設置
  
      (1)分(fèn)析頻率
  
      影響加工中(zhōng)心性(xìng)能的頻率範圍主要是(shì)低頻(pín)段(duàn),且研究對象KVC800型立式加工中心工作(zuò)時主軸的最高轉(zhuǎn)速為6 000 r/min,根據公(gōng)式凡=60f,整機的轉頻範圍在100 Hz以內,故試(shì)驗主要關心(xīn)低階頻段上(shàng)的模態參(cān)數。試驗設定的分析(xī)頻段為0~100 Hz。
  
      (2)采樣頻率
  
      采樣頻率的物理公式為:
  
     
  
      
  
      
     
      (3)平均次數
  
      為了減少試驗過(guò)程中噪聲的幹擾。提高分析的精度,試(shì)驗采用多次敲擊被測件的方法,通過集總平(píng)均處理最終計算出頻響函數(shù),平均次數設置為5。
  
      (4)力錘觸發設置(zhì)
  
      設置合(hé)理的觸發方式對(duì)於(yú)瞬態信號的捕(bǔ)獲有(yǒu)很大的作用。對於(yú)添加附加質量的(de)橡(xiàng)膠(jiāo)錘頭,激勵力應設(shè)置在(zài)100—700 N之間,結合力錘操作者力度的(de)大小,以及多次試驗(yàn)的試敲結果,設置激勵力為120 N。
  
      (5)窗函數選(xuǎn)取
  
      分析(xī)處理(lǐ)響應信號時需要截斷信號,這時往往容易產生截斷誤差,所以需要添加窗函數來減小誤差(chà)。錘擊力的保持時間比較短,測試過程中不(bú)可能隻測產生力的那一瞬間,所以需要(yào)通過對激勵信號加(jiā)力窗以減小後續時間段內噪聲的影響:響應信號則加指數窗以減小泄漏誤差。
  
      (6)激勵點及響應點布置
  
      測試(shì)過程(chéng)中激勵點以及響應點的布置以有限元(yuán)振型分析結果為依據[5。6]。工(gōng)作台激勵點布置在其振型較大的4個(gè)角點中任(rèn)一角點附近,響應點主要布置在其上表麵的4個頂點處;床身激勵點則布置在其振型變(biàn)化(huà)大(dà)的上半部分右側麵,響應(yīng)點則分布在其右側麵的4個頂點以及前麵(miàn)上端(duān)的兩頂點處:立柱部分激勵點施加在(zài)其振型變化明顯的上右側麵,響應點主要分布在右側麵4個角點和頂(dǐng)部2點:主軸箱(xiāng)部分(fèn)激(jī)勵點布置在有較明顯振動的(de)底部主軸的圓柱麵上.考(kǎo)慮(lǜ)到(dào)主(zhǔ)軸箱屬於薄壁結構.其(qí)響應點則布置在下端主軸的2個圓柱麵(miàn)上。
  
      各部件(jiàn)在(zài)整機約束環境中的試驗模態分析結果(guǒ)如圖(tú)4所示。
  
  
     
     
   
      圖4模態分析結果
  
      3、加工中心升速過程的(de)瀑布(bù)圖分析
  
      瀑布圖是(shì)一種反映係統(tǒng)動態特性的頻譜級聯圖,它可以將(jiāng)係統各轉速下的頻譜圖描繪在同一張圖(tú)上㈨。根據測得的瀑布圖,可(kě)以清(qīng)楚地了解到(dào)係統的固有頻率(lǜ)、振動幅度以(yǐ)及穩定性等(děng)一係列動態特性。手動開啟數控加工中心至(zhì)最高(gāo)轉速,試驗過程中主(zhǔ)軸最高轉速設置(zhì)為5 500 r/rain,利用B&K測試係統的Labshop數據采集與分析模塊對整個升速(sù)過程中的(de)振動信號予以記錄,並進行了瀑(bào)布圖(tú)分析,瀑布圖中的突變點反映了加工(gōng)中心的各階固有頻率¨】。在加工中心(xīn)工作台、床身、立柱以及主軸箱處分別測得的振動(dòng)信號分析所得瀑布圖如圖5所示。
  
     

      圖5升速過程瀑布圖
   
      從試驗模(mó)態(tài)分析圖與瀑布圖中篩選相互對應的(de)模   態頻率(lǜ)並加以對比。如表2所示。
  
      表2模態試驗與升速瀑布圖所得(dé)模態頻率對比
  
  
   
      結合(hé)有限(xiàn)元分析結果以及表2可知:以有限元振型為依據,在50 Hz的(de)工作轉頻(pín)下,由於主軸箱的擺動引起加工中-tL,振動從而影響加工質量:在64 Hz的工作轉頻(pín)下。工作台的擺動影響了(le)加工中心的加工質量。因此,在實際加工工件過程中(zhōng),應盡量避免50Hz及64 Hz的工作轉頻.即3 000 r/min和3 840r/min的主軸工作轉速。
  
      4、加工中心切削動態試驗驗(yàn)證(zhèng)
  
      加工中心的動態特性特別是工作頻率直接影響著加工(gōng)質量的好壞[9],.切削(xuē)加工時的振動是影響加工質量的重要因素,通過測量加工(gōng)件表麵的粗(cū)糙度值可以有效地體現(xiàn)加工質量。為進一步驗證分析所得的結果(guǒ),開展加工中。tL,的切削動態驗證試驗。
  
      分別以2 800、3 000、3 200、3 400、3 600、3 800和4 000 r/min的轉(zhuǎn)速進行切削加工實驗:然後,利用馬爾公司研製的(de)帶有高(gāo)精度測頭的粗糙度儀(yí)M400。對不同轉頻加工(gōng)後工(gōng)件的表麵進行粗糙度(dù)測量,對比分析粗糙度值來驗證試(shì)驗結果。

    
  
      圖6馬(mǎ)爾粗糙度儀
  
      不同工作轉速下測得工件的表麵粗糙度如表3所示。
  
      表3粗糙度對比
   
      
  
      從粗糙度值結(jié)果不難看出:相較於(yú)其他工作轉頻.50和64 Hz工作轉頻下加工後的工件表麵粗糙度值明顯增大,有(yǒu)限元模態、試(shì)驗(yàn)模態以及振動測試的綜合分析結果得到驗證,50以及(jí)64 Hz是加工中心在工作過程中容易引發共振的頻(pín)率值,影響加工質量,故而在加工中心的使用過程中應盡量避免長期使用3 000和3 840 r/min的工(gōng)作轉速(sù)。
  
      5、結束語
  
      (1)基於有限元(yuán)分析理論,利用ANSYS軟件對加工中心(xīn)各部件三維模型進行了有限元振型分析,得到了加工中(zhōng)心振型(xíng)變化明顯的(de)區域,為模態試驗的(de)激勵點與響應點的布置提供了依據。
  
      (2)基於有(yǒu)限元振型分析結果,利用丹麥B&K公司的模態測(cè)試軟件對加工中心各部件進行(háng)了試驗模態測試。通(tōng)過B&K自帶的Modal Analysis模態分析軟件得(dé)到了加工中(zhōng)一tL,各部件的模態參數,為後續的對比分析提供了依據。
  
      (3)利用B&K測試係統對加工中,tL,整個升速過程的振動信號予以記錄,進行瀑布圖分析,並從中(zhōng)獲取模態信息,與試驗模態測試結果進行(háng)了對(duì)比驗證。獲知(zhī)在實際使(shǐ)用(yòng)過程中應避開長時間3 000和3 840 r/min的主軸工作轉速。
  
      (4)結合切削加工驗證試(shì)驗,通過對比分析不同工作轉頻加工後的工件(jiàn)表麵粗糙(cāo)度值(zhí),驗證(zhèng)了綜合分析結果的準確性.為加工中一(yī)tL,的(de)優化運行(háng)提(tí)供了可靠的依據。
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