精密臥式加工（gōng）中心（xīn）轉台（tái）的（de）模態與（yǔ）可靠性分析 -加工中心網-數控機（jī）床市場網

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精密臥式加工（gōng）中心轉台的模態與可靠性分（fèn）析

2018-11-2 來源（yuán）：昆明理工大（dà）學機（jī）電工（gōng）程學院沈機集團昆明作者：陳同興張曉龍宋樂見（jiàn）袁勝萬張洪勳

摘要：臥式加工中心（xīn）轉台是加工中心的關鍵部件之一，其可靠性直接（jiē）影響加工中心的性能。對某機床（chuáng）廠（chǎng）研發的THM46100 臥式（shì）加工中心的（de）轉台（tái）進行有限元模態分析與模態試驗。通過對其固有頻率的試（shì）驗值與計算值進行誤差分析和相關性分析（xī），驗證建（jiàn）立的有限元（yuán）模型的準確性。對準確的有（yǒu）限元模型進行結構分析，並將（jiāng）結果導入（rù）到疲勞分析軟件進（jìn）行轉台的疲勞（láo）壽命分析，利用疲勞分析的結果（guǒ）對轉台的可靠度進行計算。此方法（fǎ）對加工中心轉台的結構優化及可靠性分析具有一定的指導意義。

關鍵詞：轉（zhuǎn）台；模態分析；相關性分析；疲（pí）勞壽命；可靠度

目前，臥式加工中心具有高轉（zhuǎn）速、高效率、高精度（dù）等特（tè）點，在加工方麵的優勢非（fēi）常明顯，尤其是在航空領域，數控加工（gōng）技（jì）術已經得到廣泛的應用。臥式加工中（zhōng）心（xīn）轉台的（de）可靠性會直接影響到加工（gōng）中心的加（jiā）工精度。

轉台模態試驗分析（xī）的目的是為了驗證所建（jiàn）立（lì）的有（yǒu）限（xiàn）元模型的準確性。轉台（tái）處在加工區域，受到切削液、工件切屑和切削力的影響，工作環境（jìng）非常惡劣，使得轉台的故障頻發（fā），從而（ér）導致加工中心的加工效率下降，是影響加工中心可靠性的重要（yào）因素。文中對轉台固有頻率的試驗值（zhí）和計算值進行相關性分析、疲勞分析和可靠度計算（suàn），目的在於找出轉台的危險點和分析轉台結構的可靠性，為轉台的優化設計提供（gòng）依據，對提高（gāo）轉台的可靠性（xìng）具有一定（dìng）的指導意義。

1 、轉台的模態分析

1．1 轉台的有限元模型（xíng）

臥式加工中心（xīn）轉台的主要結構組成：滑座、工作台、夾緊機構、軸承、電機等、其（qí）實體結構（gòu）如圖 1 所示。

圖 1轉台（tái）的（de）實體結構

采用 ANSYS Workbench 軟件（jiàn）進行轉台（tái）的模態分析，其具有精度高、適應性強及計算格式規範、統一等優點。轉台的主要零件所用的材料參數如表（biǎo） 1 所示。

表 1轉台的各個零件參數

對轉（zhuǎn）台進行載荷及約（yuē）束的添加、網格劃分、材料的添（tiān）加等設置。

1．2 轉台的模態分析

對設置好的有限元模型進行模態計算，並取其前6 階的固（gù）有頻率，如表 2 所示，振型如圖 2 所示。

表 2轉台前 6 階的固有頻率 Hz

圖2 前 6 階振型圖

2 、轉台模（mó）態試驗和有限（xiàn）元模型驗證

2．1 模態試驗方案設計

模（mó）態試驗內容主要包括對激（jī）振（zhèn）方式的選（xuǎn）擇、測量激振力和響應數據、數據采集、信號分（fèn）析及模態參數識別等。轉（zhuǎn）台模態試驗的具體方案：轉台的支撐方式選擇懸（xuán）掛式，如圖 3 所示；轉台的測點布置如（rú）圖（tú） 4 所示；基本（běn）測試係統選擇比利時的 LMS Test．Lab 係統；激振方式選擇（zé）力錘激振；選擇三向加速度傳感器，可以測量的頻率範圍為 0．5～5 000 Hz，量程為±490 m ／ s2pk，靈敏度為 10．2 m V ／（m ／ s2）；信號采集與調理係（xì）統采用的是 LMS SCADAS 數據采集前（qián）端。建立的測試係統如圖（tú） 5 所（suǒ）示。

圖 3轉台的支撐方式

圖 4 轉台（tái）的測點布置

圖 5 模態試驗係統示意圖

2．2 試驗結果分（fèn）析

按（àn）照圖 4 的測點布置，進行敲擊測試，同時采集響（xiǎng）應信號。根據（jù）這些響應信號，LMS Test．Lab 的 ImpactTesting 模塊會自動分（fèn）析出其頻率響應曲線。在 Model ANALYSIS 模塊中（zhōng）進行模態分析（xī），選擇分析帶寬為 150～500 Hz 進行係統的（de）穩（wěn）態分析，其穩態圖如圖 6 所示（shì）。

圖 6 係統穩態圖

將選取的試驗模態頻率進行模態擬合，模態（tài）擬合情況如圖 7 所示。

圖 7模態（tài）擬（nǐ）合

從模態擬合的曲線圖中（zhōng）可以看出，模態擬合的誤差為 2．25％，誤差較（jiào）小,所以選擇的固有頻率（lǜ）可用。最終的試驗頻率如表 3 所示，各階振型如（rú）圖（tú） 8 所（suǒ）示。

表 3前 6 階試（shì）驗固有頻率 Hz

圖 8前 6 階試驗（yàn）模態振型

2．3 振型相關性分析定義頻率相對誤差為：

對轉台的試驗與計算得（dé）到的固有頻率進行對比，如表 4 所示。

從表 4 可以看出，頻率的相對誤差都比較小，但是（shì）還需要進行（háng）相關性分析才能更準（zhǔn）確地確定有（yǒu）限元模型的可用性和準確（què）性。

對試驗模態與計算模態進行（háng）相關性分析後，轉台的（de）模態參數匹配結果如表 5 所示。

表 5 轉台固有頻率的試驗（yàn）值與計算值的振型（xíng）相關係數（shù）值

3 、轉台的疲勞分析

3．1 轉台的有限元分析

計算的應力分布雲圖如圖 9 所示（shì）。

圖 9轉（zhuǎn）台的應力分布雲圖

從圖（tú） 9 中可以看出, 轉台的（de）最大應力為 146．2MPa，在材料（liào）的許用應力範圍之內。

3．2 轉台的疲勞壽（shòu）命分析

比較（jiào）經典的疲勞模型有 S－N 和 E－N 疲勞分析方法。文中采用的疲勞模型為 S－N 疲勞分析，將有限元分析的計（jì）算結果導入 n Code Design Life 中進行疲勞分析，進行疲勞計算後（hòu）可以得到轉台的壽命、損傷值、各關鍵受力的節（jiē）點和危險壽命的節點等。各（gè）項輸入、計算和輸出關係圖如圖（tú） 10 所示。

圖 10 疲勞分析的（de）輸入輸出關係圖

從圖 10 中可以看出,左（zuǒ）上的窗口為仿真（zhēn）模型數據（jù）的輸入，左下的窗口為測試數據的輸入，中間（jiān）的窗口（kǒu）為選定的疲勞模型，對輸入（rù）的數據進行分析，右邊的兩個窗口為（wéi）疲勞分析的結果。

在結果中可以選擇顯示不同參（cān）數的內容，如在其屬性中選擇壽命選項（xiàng），可以顯示出轉台的壽命分（fèn）布雲圖，如圖 11 所示（shì）。

經仿真分析可以得到各危險壽命的節點，即危險的節點及其各項參（cān）數值，如表 6 所示。

表（biǎo） 6 危險節點參數

從表 6 中可以看出單元節（jiē）點的（de）壽命（mìng）、損傷、應力情況等參數，可以容易地看出危險節點的位置，從而對材（cái）料的選擇、尺寸的設（shè）計和外形的改進等都有一定（dìng）的指導意義。

4 、轉台的可（kě）靠度（dù）計算

目前，用於疲勞壽（shòu）命可靠度分析的方法一般采用正（zhèng）態分（fèn）布。文中采用正態概率密度函數對轉台疲勞壽命可（kě）靠度進行分析。標準正態分布的概（gài）率密度函（hán）數f （x）為軸對稱曲線，可靠度可表示為 R =1 -F （z），F （z）可以通過查表所（suǒ）得。設 x 為疲勞壽命，則 y=lg x 服從正態分布。即：x 的概率密度函數（shù）為（wéi）：

查表可得 R=1-F（z）=0.950 5，由此可見轉台的設計是比較合理的。

5 、結論（lùn）

通過（guò）對 THM46100 臥式加工中心轉台的模態（tài）試驗，驗證了所建立的有限元模型（xíng）的準（zhǔn）確性（xìng）。獲得（dé）對轉台固有頻率計算值和試驗值相關性（xìng）分析結果（guǒ），可用於後續對有限元模型進行（háng）疲勞分析，得（dé）出所設計轉台的壽命達到了預期的設計值。最（zuì）後通過對轉台結構的可靠度計算可（kě）知，轉台的結構可靠度比較高，由此說明轉台的各（gè）項（xiàng）分析結果都符合設計（jì）的要求。

可（kě）見，此分析方法可以確定加（jiā）工中心轉（zhuǎn）台的有限元模型的準確性，可以（yǐ）為可靠度計算提供理論（lùn）依據，對提高其可靠性具有一定的指導意義（yì）。

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