浅议数控机床主轴系统动态特性分析
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摘 要:机床主轴部件是机床的最关键部件,其性能的好坏直接影响机床的最终加工性能。本文对数控机床主轴系统动态分析的技术现状进行了分析。
关键词:机床主轴 动态分析 技术现状
中图分类号:TG506 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2011)09(a)-0032-01
机床主轴的前部安装的刀柄刀具和被加工工件,直接参与切削加工的整个过程,其性能直接影响着精、表面粗糙度、加工质量及效率。研究表明中型车床在不同频率的动载荷作用下,主轴部件在综合位移中所占的比例最大,未处共振状态下占30%～40%,共振状态下占60%～80%。
1 机床主轴动态研究的内容
机床的动态性能包括机床的固有频率和主振型,所以在进行动态研究时主要研究的是机床的振动。比如对于受迫振动通过研究看是否能够避开共振,对于自激振动,主要是通过研究能否有效避开撤销颤振产生的力。
对车床主轴的建模,目前主要有二种方法:一是通过建立系统结构的动力学微分方程,通过解耦方法求解方程组的特征值和特征向量,来获得机床的模态参数;或者是通过各种分析软件来建立主轴系统的有限元模型,通过对模拟模型的分析来得到主轴系统的动态特性参数。二是通过实验测试的方法来得到结构系统在信号激励下的各部分相应,通过参数识别的方式来得到机床和主轴的固有频率及振型。
2 模态分析方法的选择
实验模态分析时认为对系统结构施加一定的激励信号,把系统结构上各测定点的激振力信号和相应信号采集后,经过系统的频响函数的分析来获得系统结构的固有动态特性参数。然而不同参数的识别方法对系统结构的频响函数测试的要求也不同。
正则振兴实验法:该方法是通过对个激振器对系统进行正弦激励,当激振信号矢量被调到系统某阶振型的倍数时,就可以得到系统的一阶模态振型,直接获得系统的模态参数。此方法测试的结果精度高,但对测试仪器和操作人员的实验技术要求较高。
频响函数法:该方法是在结构的一个固定点上进行激励,在结构的其它测定点上依次测定相应信号,然后把这些测定的信号,经动态信号分析仪转换成频域的频谱,再通过与数学模型进行曲线拟合就可以从频响函数中求出系统的模态频率及阻尼比。该方法能够从一个激励点激励出系统的全部模态,测试的时间相对较短、方便。
3 模态参数的识别
在建模后,我们需要采用模态参数来描述系统的动态性能。因此,模态参数识别的主要任务使通过对测试得到的数据进行分析与计算来确定振动系统的模态参数。其中最具代表性的就是频域法和时域法。
峰值拾取法:此方法是以假定响应的公路谱峰仅有一个模态确定为前提,用结构响应的公路谱代替频响函数,系统的固有频率可有平均响应功率谱的峰值得到,用工作绕度近似代替系统的振型。此方法无法辨别密集模态,也无法辨别系统的阻尼,仅适用于实模态或比例阻尼的结构。
时域法:该方法是以粘性阻尼多自由度系统的自由响应为基础,通过对各个的测定点的自由振动的响应信号进行采集,通过建立自由振动响应矩阵及数学模型来求出系统的特征值和特征向量,在通过模态识别的方法识别出各模态参数。其基本原理是通过模拟实验测试所得的系统衰减系统衰减响应信号提取模态参数,看起来比较简单,但需要测试系统对应的n个自由度的响应,测试工作量极大。
4 振动测试点的选择
4.1 悬挂位置的选择
在做试验时,一般都是希望将试件的悬挂点选择在振幅较小的位置,为此需要预先确定最佳的悬挂位置。对于单点激励,激励点p和测试点l之间的频率响应函数为:
在求解时,假设各阶模态阻尼近似相等,则第j个自由度的平均驱动自由度位移为:。如果仅仅要求测试一阶摩天,则最佳悬挂位置在该节模态的节点处。
4.2 激励位置的选择
激励点应该避免选择在最佳激励点的值等于0的位置,因为在该点处某些模态将不能被激发出来。当使用锤击法时,还应避免选择平均驱动自由度位移值较大的点,否则容易产生连击的现象;使用激振器激励时,也要避免以上两点,因为激振器附加质量的影响较大。
4.3 测试点的选择
在有限元模型中,数学模型的自由度远大于系统结构试验模态的自由度。因此使用模态阵型通常要比模态试验分析获得的模态阵型完整。因此通常是构造一向量使从测试点估计模态坐标的估计误差的协方差最小。该向量中较小分量所对应的自由度可以除去的不很有效的自由度,而该向量中较大分量所对应的自由度是应该保留的有效的自由度。
机床主轴的动态特性分析,在提高机床的性能方面具有极其重要的作用,但由于我国在这方面的研究起步比较晚,与发达国家还存在着一定的差距,本文就当前的技术进行了总结,希望可以为大家提供一定的参考。
参考文献
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