摘（zhāi）要：係統闡述了典（diǎn）型大型（xíng）牛頭滑枕式電火花加工機床的動態性能（néng）測試和分析方法。用多（duō）通（tōng）道信號（hào）采集分析儀對該機床在（zài）多（duō）個位（wèi）姿進行了多點激勵單點識振的模態測試和（hé）模擬（nǐ）工況下的（de）ODS（Operational Deflection Shapes）測試。綜合分（fèn）析模（mó）態測試和ODS 測試（shì）結果可知，該機床在不同（tóng）行程位置處的動（dòng）態性能穩定性較差，需通過對機床進行整機（jī）機械結（jié）構更合理（lǐ）的布（bù）局、滑動部件的輕量化設計和提高床身等部件的（de）靜剛度等措施來提高機床動態性能的穩定性。

      關鍵詞（cí）：電火花加工；牛頭滑枕（zhěn）式；模態測（cè）試；ODS 測試

     牛頭（tóu）滑枕式電火花加工（gōng）機床的工作台固定不動或可實現X 方向移動（dòng），主軸（zhóu）頭通過滑枕可實現Y方向移動或X、Y 方向移動[1-2]。這種結構的機床具有工作台固定不（bú）動、滑枕移動較輕捷的特點，使裝配在該類機床上的工件安裝穩定性好，工件的調整和檢測方便。大型（xíng）電火花加工機床具有油槽容積大、裝配的（de）工件（jiàn）尺寸和重量大等特點；而牛頭滑枕式結
構的機床成本相對較低，且其結構特點又很好地適應了大型零部件的加工和檢測需求，因此，在大型電火花加工機床中得到了廣（guǎng）泛應用。

     隨著我國航（háng）空、航天、汽車、能（néng）源領（lǐng）域的（de）快速（sù）發展，高精度大型難加工零件大（dà）量湧現，如整體閉式葉輪、大型整體帶冠渦輪盤等（děng）。這（zhè）類零件的材料特殊，加工精（jīng）度要求高，加工周期（qī）長，故（gù）對大型電火（huǒ）花加工機床的精度（dù）、效率和可靠性提出了更高的要（yào）求。而大型（xíng）電火花加工機床所具備的良好的動態特
性是實現高精（jīng）度、高效率、高可（kě）靠性加工的基礎。

     目前，試（shì）驗模態（tài）分析法已發展成為分析結構動力學特性和解決振動（dòng）問題的（de）重要（yào）手段，在機床行業得到了廣泛應用[3-4]。本文通過模態測試（shì）和機床運行變型（ODS）測試相結合的方法，對典（diǎn）型大型牛頭滑枕式電火（huǒ）花（huā）加工機床（圖1）的動態特性進行研究。

     圖1 大型牛頭（tóu）滑枕式電火花加（jiā）工機床主機

     1 、測試係統與方（fāng）案

     試驗采用丹麥B&K 模（mó）態測試（shì）分析係（xì）統（圖2）對典型大型牛頭滑枕式電火（huǒ）花加工機床進行動（dòng）態性能測試。該測試係統主要包括：單向加速度傳感器4507B、5320-50 型力（lì）錘（chuí）、pulse 後處理軟件、多通（tōng）道前端等。

圖2 B&K 模態測試分析係統

      1.1 模態測試方案

      針對大（dà）型牛頭滑枕式電火花加工機床的結構特點，模態試（shì）驗的激勵方（fāng）式選擇多點激勵單點識振測試方法，即在試驗過程中保持測（cè）量點不動（dòng），隻改變激勵點的（de）位置。

      由於大型牛頭（tóu）滑枕式（shì）電火花加工（gōng）機床的結構特點，使X、Y 軸行程的改變（biàn）對整機結（jié）構形態的影響很大。為（wéi）深入掌握（wò）大型牛頭（tóu）滑枕式電（diàn）火花加工機床的整機動態性能，本文將選取（qǔ）4 個測量位置分別進行模態測試，這4 個測（cè）量位置所對應（yīng）的X、Y 軸行程分別為：X 2100，Y 900； X 2100，Y 0；X 1100，Y900；X 1100，Y 0。測試時，為了能體現各個部（bù）件（jiàn）對主（zhǔ）軸頭電極處的影響， 將傳感器放置在Z 軸下（xià）端，分別在X、Y、Z 3 個方向激勵，激勵點分別布置在Z軸（zhóu）、Z 軸（zhóu）底座、滑枕、中溜板、立柱（zhù）及床身上。

     根據機（jī）床的外形尺寸和機床的不同姿態，建立（lì）相應姿（zī）態的機床基本模型，並在係統中設置力錘和傳感器的分布位置。試驗時，根據不同的測（cè）試方（fāng）向調整力錘和（hé）傳感器的數量和方向。4 個測量位置的機（jī）床基本模型和X 方向力錘位置見圖（tú）3，Y、Z 方向力錘位置根據實際工況會有相應調整，但布置方（fāng）法相同（tóng）。

圖3 機床基本模型和X 方向力錘位置示意圖

      1.2 ODS 測試方案

      運行狀態下的工作變形（ODS）試驗反映的（de）是在特定工況下（xià），對於特定頻（pín）率，各測（cè）量自由度之間的往複運動形態。具體測試方法為：將一個傳感器固定在某（mǒu）一（yī）位置（zhì）獲得參照信號（激勵信號），其餘傳感器布置在設定的關鍵結構點上， 以獲取響應信號。用ODS 分析和模（mó）態（tài）分析相結合的方法測（cè）試大型牛頭滑枕式電火花加工機床，可從（cóng）結構（gòu）振動的內因（yīn）和外因兩方麵來認識該機床的振動特性，為（wéi）機床進一步優化設計奠（diàn）定基礎。

圖4 ODS 測試（shì）時X 方向（xiàng）的測點布置圖

       圖5 各個測量位置（zhì）X 方向前五階模態

       圖（tú）6 各個測量位置Y 方向前五階（jiē）模態

       圖7 各個測量位置Z 方向（xiàng）前五階模態

      表（biǎo）1～表（biǎo）3 分別是在4 個測量位置測得的（de）X、Y、Z 方向的大型牛頭滑枕（zhěn）式電火花加工機床（chuáng）的前五階動剛度（dù）。
 

      表1 各個測量位置X 方向前五階動剛度×108 N/m

      表2 各（gè）個測量位置Y 方向前五階動剛度×108 N/m

      表3 各個測（cè）量位（wèi）置Z 方向前五階動剛度（dù）×108 N/m

      在位置1 測量X 方向模態的試驗過程中，對某個測點進行激（jī）勵時（shí），得到的頻（pín）響函數和對（duì）應的相幹性曲線分別見圖8 和圖9。在頻率較低時的相幹（gàn）性較差，可能是由於滑動部件重量較大，未能使（shǐ）整機模態（tài）徹底激發起（qǐ）來，或是受阻尼和噪聲等非線性因素的影（yǐng）響。但整體來看，測試數據受外界（jiè）幹（gàn）擾不大，測試結（jié）果（guǒ）較可靠。

      圖8 測量位置1 某點X 方向頻響函數

      圖9 測量位置1 某點X 方向（xiàng）相應的相幹性曲線

     由測試結（jié）果可知，在不同的行程（chéng）位置，大型（xíng）牛頭滑枕式電（diàn）火花加工機床的固有頻率和動剛度有很大的變化。這說明機床的滑動部件對機床的動態特性有很大影響，導致各個行（háng）程位置的動態加工性能很（hěn）難保持較高的一致（zhì）性。因此，該機床需進一步優化機械（xiè）結（jié）構、優化分配各個（gè）構件質量和提高機床的靜剛度。

      3 、ODS 測試（shì）結果及分析

     圖10～圖12 分別是在測量位置1 和測量位置3 模擬實際加工狀態時（shí）， 通過ODS 測試得到的X、Y、Z 方（fāng）向幾個振幅峰值對應的振動頻率。可見，在兩個測試位置的Z 方向，其振幅峰值對應的振動頻率（lǜ）相差不多；但X、Y 方向的（de）振幅峰值對應的振動頻率相差很大。因此可認為，在測量位置1 和測量位置3 進行放電（diàn）加工時， 機床的動態特性相差較大，
其放電加（jiā）工效果不可能有很好的一致性。這進（jìn）一（yī）步說明需對機床采（cǎi）取改（gǎi）進措施，優（yōu）化機床構件質量分配和機械（xiè）結構，並提高其靜剛度。

     4、 模態測試與ODS 測試結果（guǒ）的綜合分（fèn）析

     由（yóu）模態測試所得機床基本模型的模（mó）態振動變形情況和ODS 測得機床基本模（mó）型的（de）工作變形（xíng）情況可知： 在測量位置1，ODS 的X 向變（biàn）形主要由模態振型中（zhōng）的三階、四（sì）階（jiē）振型組（zǔ）成；Y 向變形主（zhǔ）要由一、三、四階振型組成；Z 向變形主（zhǔ）要（yào）由一階、三階振型（xíng）組成（chéng）；在測量位置3，ODS 的X 向變形主要由一階、四階振型組成（chéng）；Y 向變形主要由一階、二階振型組成；Z 向變形主要由一、二、三階振型組成。

    圖10 測量位置1 和測量位置3 的（de）X 方向
         ODS 變形峰值對應頻率

    圖11 測量位置1 和測量位置3 的Y 方向
 
        ODS 變（biàn）形峰值對應頻率

    圖12 測量位置1 和測量位置3 的Z 方向（xiàng）

      ODS 變形峰值對應（yīng）頻率

      通過分析（xī）模態振動變形和工（gōng）作變形的測試結果可知， 大型（xíng）牛頭（tóu）滑枕式電火花加工機床的床身、立柱（zhù）、Z 軸及滑枕的剛性相對較弱； 在不同行程位置，該機床的動態性能差異較大，使其難（nán）以滿（mǎn）足大型精密零件的穩定、可靠性加工需求。

      5 、結語

      為滿足大型精密零件的加工（gōng）需求，通過模態測（cè）試和ODS 測試相結合的方法，進（jìn）一步合理布局機床（chuáng）整機機械結（jié）構； 對滑枕和（hé）Z 軸等運動部件進行輕量化優化設計，在保證強度的前提下，減小（xiǎo）其質量（liàng）和（hé）慣（guàn）性載荷；對於主要支撐部件（jiàn）（如床身（shēn）和（hé）立柱），需進一步提（tí）高其靜剛度。