基于模态实验的机床进给系统的分析.pdf

2 0 1 5年 1 月 第 4 3卷 第 1 期 机床与液压 MACHI NE T OOL ＆ HYDRAUL I C S J a n ． 2 0l 5 Vo 1 ． 4 3 No ． 1 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． O 1 ． 0 1 0 基于模态实验的机床进给系统的分析 葛双好 ，张蔚波 ，王佩凤 ，魏南 山东建筑大学机 电工程学院，山东济南 2 5 0 1 0 1 摘要 基于模态分析理论，应用锤击法对机床进给系统进行了实验模态分析。研究了该机床进给系统的动态特性，获 得了该机床进给系统的固有频率 、阻尼比和模态振型。通过对机床进给系统各阶模态振型的分析，找到了结构的薄弱环 节 ．并为进行机构 优化设计提 出了改进措 施。 关键词 机床进给系统；锤击法 ；模态实验；动态特性 中图分类号 T H1 1 3 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 5 1 - 0 3 7 4 An a l y s i s o f M a c hi n e To o l Fe e d Sy s t e m Ba s e d o n M o da l Ex pe r i me n t GE Sh u a ng ha o， ZHANG W e i b o， W ANG Pe i f e n g． W EI Na n S c h o o l o f Me c h a t r o n i c E n g i n e e r i n g ， S h a n d o n g J i a n z h u U n i v e r s i t y ， J i n a n S h a n d o n g 2 5 0 1 0 1 ，C h i n a Abs t r ac t Ba s e d o n t h e mo d a l a n a l y s i s t he o r y，t he e x p e r i me n t a l mo da l a na l y s i s o f t he ma c hi n e t o o l f e e d s ys t e m wa s ma d e by U s i n g h a mme r h i t t i ng me t ho d．Dyn a mi c c ha r ac t e r i s t i c s o f t he ma c h i ne t o o l f e e d s y s t e m we r e s t u d i e d，a nd i t s n a t u r a l f r e qu e n c i e s ，da mp e r r a t i o s a n d mo d e s h a p e w e r e a l s o o b t a i n e d ． T h r o u g h a n a l y s i s o f t h e mo d e s h a p e o f f e e d s y s t e m a t e a c h s t a g e ，i t s s t r u c t u r a l w e a k e r p a r t s a y e f 0 u n d．a nd t h e s u g g e s t i o n o f i mpr o v e me n t i s p r o v i de d f o r t he o p t i mi z a t i o n d e s i g n o f s t r uc t ur e ． Ke y wo r d s Ma c h i n e t o o l f e e d s y s t e m ；Ha mme r h i t t i n g me t h o d；Mo d a l e x p e r i me n t ；Dy n a mi c a l c h a r a c t e r i s t i c s O前言 随着现代机床制造技术 的快速发展 ，高精度 、高 速度、高可靠性已经成为衡量机床整体加工性能的重 要指标。机床进给系统作为机床的重要组成部分，在 提高机床的整体加工性能方面起着至关重要的作用。 许 多学者对机 床 进 给系 统从 不 同 的侧 重点 进 行 了研 究 。张满耀等 建立 了机床进给系统多 刚体动力 学模 型并进行模拟仿真 ．而且做 了机床试验并对试验结果 进行 了分析 。丁文政 等心 通过理论模型仿真 与试 验结 果 比较 ，得 出建立 的分 布集 中参数模型符合物理 系统 的真实性。可以正确地描述大型机床进给系统的动态 响应特性 。这些 在 机床 进 给 系统 动态 特 性方 面 的研 究，对提高其精度与稳定性都非常有借鉴价值。牛 强 以现有 的机床伺 服运动系统为实验基 础 ，进 行了 伺服运动测控实验 ，本文作者在牛强等人所做的工作 基础之上 ，对该 系统 的动态特性加 以研究 。由于机床 进给系统 的动态 特 性会 直 接影 响 机床 最 后 的加 工性 能 ，故建立机 床进 给系统的结构动力学模 型对 于研究 机床进 给系统 结构的动态特性和 了解其薄 弱环节 ，并 进一步对结构 进行优化设计 以及提高机床 的整体 加工 性能具有重要意义 。 目前信号测试与数据采集分析技 术以及计算 机软 硬件技术水平不断提高 ，使得实验模态分析技术在工 程结构动态特性方面的应用越来越广泛。因此文中应 用试验模态分析方法对现有 的机床进 给系统 进行 动态 分析 ，得到结构 的相关动态特性参数 ，据此 可以比较 清楚 的发 现 结 构 中 的薄 弱 环 节 。并 且 对 其 进 行 优 化 。 1 模 态 实验 的 系统 建 模 1 ． 1 模 态理 论 模态分析是研究结 构 动力特 性 的一种 近代方 法 ． 其最初 的理论基 础是在机械阻抗与导纳 的概念上发展 起来 的。经过近几 十年 的发展 。模 态分析理论 已经形 成 了一套独特 的理论体 系。N 自由度线性定常 系统 的 运动微分方程 为 MX C文 KXF 1 、 式 中 、C、 分 别为 系统 的质量 、阻尼 和刚度 矩 阵。对式 1 两边进行拉 氏变换 。得 5 M s C X F s 2 在复平 面内线性 时不 变 系统 的极 点在 左半平 面 ， 收稿 日期 2 0 1 3 1 0 2 2 基金项 目国家 自然科学基金青年科学基金资助项 目 5 1 2 0 5 2 3 5 作者简介 葛双好 1 9 8 5 一 ，男，硕 士研 究生，主要从 事机 电设 备测试、性 能分 析与控制。Em a i l g e s h u a n g h a o 1 2 6 ． c o n。 4 0 机床与液压 第 4 3卷 3 ． 2 试验 结果 分析 从 图 8中可 以看 出 ，底座 的变形不大 ，对整体结 构的工作不会产生太大影响 ，该机床 进给系 统 的第 1 阶振型显示该机构在做整体的振动，这是由于该机床 进给系统所放置的基座原因造成的 ，以此为鉴 ，如果 在其他模态试验 中，发现类似振型状态 ，即可判断是 由于机构所放置的基座产生的 。第 2阶振 型是 右端翘 曲变形 ，第 3阶振型是两端均发生翘曲变形 。第 4阶 振型表现为发生扭摆变形 ，越靠近导轨与滑块 的连接 位置变形越小 ，第 4 、5 、6阶振 型均 出现 丝杠 向 z向 振动 ，表 明 z 向的滚珠 丝杠 系统轴 向刚度 不足 。会影 响整个机床进给 系统 的定位精度 ，可 以通过适 当缩小 滚珠直径 ，增大螺旋升 角 ，增加预 紧力等方 法来提 高 滚珠丝杠 的轴 向刚度 ] 。第 7阶振型表 明在频率大 于 1 0 0 0 H z 时主要是丝杠的 z 向振动 。其他部 位振动 不 大从 而不会对机 床稳定 性造成 明显影 响。 4结束语 介绍 了应用锤击法进行模 态实验 的过程 ．然后通 过软件对采集的实验数据进行模态分析 ，获得 了机床 进给系统的前 7阶模态参数 ，并且分 别对 每一阶模 态 振型进行 了分析 ．找到 了该机床进给系统结构 的薄弱 环节 。为整个机床进给系统动态性能 的优化指 明了方 向 ，并提 出了相应 的改 善措施 。 参考文献 [ 1 ]张耀满 ， 赵亮， 蔡光起 ， 等． 高速机床进给系统的性能研 究 [ J ] ． 机 械工程师 ， 2 0 0 4 5 7 - 9 ． [ 2 ]丁文政 ， 黄筱调 ， 汪木兰． 面向大型机床再制造 的进给 系统动态 特 性 『 J ] ． 机械 工 程学 报 ， 2 0 1 1 ， 4 7 3 1 3 5 1 3 9． [ 3 ]牛强． 基于伺服运动测控 系统 的实验 、 分析 与研究 [ D] ． 济南 山东建筑 大学 ， 2 0 1 3 ． [ 4 ]翁德凯 ， 程寓 ， 李 奎． A V C P 1 2 0 0 H立 式 加工 中心 试验 模 态分析[ J ] ． 制造技术与机床 ， 2 0 1 1 5 5 3 - 5 6 ． [ 5 ]傅志方 ， 华宏 星． 模态 分析 理论 与应用 [ M] ． 上海 上海 交通大学 出版社 ， 2 0 0 0 ． [ 6 ]刘进 明 ， 应怀樵 ， 谭祥 军 ， 等． 振动 和声 的互 易性原 理在 结构在模态试验 中的应用[ J ] ． 现代振动与噪声技术， 2 01 1 9 2 21 2 3 0 ． [ 7 ]曹树谦 ， 张文德， 萧龙翔． 振动结构模态分析[ M] ． 天津 天津大学 出版社 ， 2 0 0 1 ． 『 8 ]田学 良， 宋方臻 ， 宋 波 ， 等． 立式 数控铣 床 的试验 模态 分 析 [ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 9 ， 3 7 1 2 4 2 - 4 4 ． 『 9 1许 向荣 ， 宋现春 ， 姜洪奎． 提高数控机床滚珠 丝杠进 给系 统机械刚度 的措施 [ J ] ． 组 合 机床 与 自动 化加 工 技术 ， 2 0 0 8 8 1 4 ． 上接第 3页 运 比， ％ 图 7 不 同转速下 的输 出波动率 曲线 由仿真结 果可见 1 波 动调制 的效 果在 不 同溢 流量 的条件 下 是 不同的，总体上，高速比的波动调制效果好 于低速 比。 2 在对该 五缸径向柱塞泵 额定工 况 的模 拟 中， 调制后 的波动量随着速 比的提高 ，先降后升 。 3 在速 比为 7 0 ％，即溢流量约为 5 6 L ／ m i n 时 ， 调制后 的波动量降到最低 ，为 0 ． 1 6 ％。 4结论 1 在对 目前节流调速方式 的研究 的基础上做 出改进 ，提 出一种旁路节流调速波动调制 回路 ，该 回 路能够通过控制旁路节流阀的阀口开度 ，主动地控制 溢流量．从而吸收泵输出流量中的波动 ，使主油路的 流量更加平稳 。 2 推导 出 了流量 调制 时 阀 口开度 控 制量 的计 算公式 。 3 利用 A ME S i m软 件 ，以 自制 五 缸径 向柱 塞 泵为 背景进行 了液 压系统 仿真研 究 ，得 到了不 同溢流 量下 ，调制后 的流量波动率 。根据仿真结果 ，该泵 在 速 比为 7 0 ％，即溢流量 约为 5 6 L ／ m i n时波 动调制 效 果最好 。调 制后 的波动率 为 0 ． 1 6 ％。 参考文献 『 1 ]西安交通大学． 一种全平衡式双列径 向柱塞泵 中国， C N 2 0 1 1 1 0 0 5 9 8 4 9 ． 2 [ P ] ． 2 0 1 1 - 0 8 1 7 ． [ 2 ]李壮云． 液压元件与系统[ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 011 7 5． [ 3 ]左建民． 液压与气压传动[ M] ． 北京 机械工业 出版社， 2 00 7 1 43， 3 6．