五轴联动雕铣机床电主轴模态探讨

五轴联动雕铣机床电主轴模态探讨五轴联动雕铣机床电主轴模态探讨 2018/08/09 摘要：电主轴是高速机床的关键部件。应用多参考点最小二乘复频域法对五轴联动雕铣机床电主轴进行模态分析，通过对比计算模态与试验模态，验证有限元模型的合理性，为电主轴结构的优化设计提供理论支持。关键词：机床；电主轴；模态分析；多参考点最小二乘复频域1研究背景主轴系统是高速机床的关键部件，对机床的加工精度和稳定性起决定性作用。笔者研究的五轴联动雕铣机床，采用内装式主轴电机一体化的主轴单元，即内装式电机主轴，简称电主轴1。该机床主要应用于小刀具精密加工领域，主轴转速可达24000r/min。当主轴以超高速运转进行实际切削加工时，容易引发整个系统共振，加剧刀具磨损或破损，增大机床导轨的动态载荷，从而降低整机寿命，且无法保持机床的精度2。同时，动态切削力也会引起机床的受迫振动，从而影响工件的加工精度和表面质量。因此，对电主轴结构进行动力学分析是非常必要的，模态分析法就是一种非常有效的动力学分析方法。笔者利用模态参数识别的新技术多参考点最小二乘复频域（PolyMAX）法对五轴联动雕铣机床电主轴进行模态试验与分析，研究其动力学特征，将试验结果和有限元模态分析结果进行比较，验证有限元模型的有效性，为结构优化设计提供依据。2试验模型和测点配置模态试验与分析时，通过激励设备对机械结构进行激振，测量系统的激励和振动响应信号，处理相关数据，拟合曲线，识别参数，计算出决定结构动力学特征的模态参数，包括模态频率、模态阻尼比、模态振型、模态参与因子、模态质量、模态刚度和模态阻尼矩阵3。模态参数能够直观、准确地反映系统的动态特性，具有简明、直观和物理概念清晰等优点，因此常用于结构动态特性分析。笔者在所测电主轴上布置了20个测点，主要根据电主轴系统振型图中的振动方向和振动薄弱环节来确定测点位置4。3电主轴模态试验与分析采用LMS振动、噪声、模态测试系统，传感器采用PCB三向加速度传感器，力锤采用与之配套的PCB力锤。试验时采用锤击法单点激振，利用多个频响函数作整体曲线拟合。支承方式为采用布带将主轴悬挂起来，使主轴处于自由状态，这可近似作为一种最佳支承方式，避免环境振动和支承刚度对测试的影响，重复性好。分析软件采用LMSTest.Lab中的ModalAnalysis与ModalImpact模块。在建立好试验装置后，进行数据采集，并完成数据处理工作。考虑到随机误差，对每个测试点分别敲击五次，对测量数据作线性平均处理，尽量减小误差，以得到更为准确的频响函数。4结论采用PolyMAX法对电主轴进行了模态试验与分析，得到了03200Hz频段内的固有频率及振型，并与对应的ANSYS模态分析结果进行误差比较，得出理论和试验模态分析结果基本吻合，验证了有限元模型的正确性。通过对电主轴进行模态分析，发现主轴一阶固有频率约为211Hz，即在该频率附近会引发主轴系统共振，对应的工作转速为12680r/min，机床工作时应尽量避免涉及该转速。从模态振型图来看，共振时最大响应出现在主轴后端，容易引起结构磨损。这说明电主轴系统的结构还不太合理，进行需要改进。参考文献1吴成军.工程振动与控制M.西安：西安交通大学出版社，2008.2胡爱玲.高速电主轴动静态特性的有限元分析D.广州：广东工业大学，2004.3黄建建，马平，陈爱民，等.基于PolyMAX方法的加工中心工作台计算模态与实验模态对比分析J.机床与液压，2010，38（23）：91-96.4魏秀业，潘宏侠，黄晋英.基于模态测试与分析的齿轮箱测点优化J.应用科技，2010，37（6）：1-4.6张海杰，徐海利，王广辉，等.高速电主轴的模态分析J.机械制造，2013，51（4）：8-9.7刘馥清，安宏伟.多参考最小二乘复频域（PolyMAX）法在汽车轮胎及车身模态参数识别中的应用C2006LMS首届中国用户大会，苏州，2006.8罗生梅，王晓龙.基于ANSYS的数控镗铣床主轴箱模态分析及拓扑优化J.机械制造，2016，54（10）：37-39.9陆秋海，李德葆.工程振动试验分析M.2版.北京：清华大学出版社，2015.10李青霞，任焱晞，安宏伟.PolyMAX方法在桥梁工作模态分析中的应用J.新技术新工艺，2008（7）：21-23.11周云，易伟建.用PolyMAX方法进行弹性地基板的实验模态分析J.振动与冲击，2007，26（7）：139-144，187.