某加工中心计算模态分析及其实验验证


伯特利数控 加工中心  钻攻中心  

 前言:

 

 随着工业技术的发展,加工中心曰益向高速化,高精度化的方向发展。加工中心在加工时因为振动而引起的加工速度不高,加工精度不够的问题越来越严重。在加工中心的设计过程中,越来越多的研究人员开始考虑加工中心加工时的振动特性1s

 

杨亚明等2011年对某一小型车铣复合加工中心进行了实验模态分析,得到了其低阶模态振型6。褚志刚等2012年某加工中心床身进行模态试验,并且利用最小二乘复频域法和最小二乘复指数法对其模态参数进行了识别。周莉等2014年以一卧式加工中心的立柱为研究对象,利用MFd«ipe软件对其进行了实验模态分析0。曹力等21〇5年利用ANSYS Workbench软件对床身材质对一高精度磨床动态特性的影响做了分析1。刘成颖等2016年利用有限元法对一卧式加工 [1] [2]


中心进行了整机计算模态分析^。Wd(m等在非稳态情况下对某一加工中心主轴进行了模态分析STnmTI)等对_加工中心进行了实验模态分析,并将其应用在其传动系统的调试中:14

 

 

从以上可以看出针对加工中心类复杂的机械结构,研究者大多以加工中心的某个关键部件进行动态特性研究。有些研究者对整机的动态特性进行计算模态分析或是实验模态分析,但是很少有研究者将计算和实验得到的结果进行比较。

本文针对某_CNC加工中心,首先利用计算模态分析的方法对某_加工中心进行了整机计算模态分析。然后利用实验模态分析的方法对加工中心进行了整机模态测试。并将计算模态分析和实验模态分析结果进行比较,验证了计算模态分析结果的正确性。分析了该加工中心动态特性设计中的薄弱环节。本文的方法对加工中心的动态特性设计具有一定的指导意义。

 


1加工中心的计算模态分析

加工中心的振动特性主要可以用模态分析的方法进行研究。目前模态分析的方法主要有计算模态分析方法和实验模态分析方法两种。其中计算模态分析方法首先利用三维建模软件,对加工中心进行实体建模。然后将模型导入有限元分析软件,进行适当的边界条件设置后划分网格,进行计算。求出加工中心的各阶固有频率、阻尼比和振型。

 

本文研究对象为_立式的CNC加工中心,其主要由床身,立柱,主轴箱,拖板,工作台等部件构成,如图1所示。因加工中心是大型复杂结构综合考虑后采用NAS-TRAN有限元分析软件对其进行分析。因在NAS-TRAN软件中直接建模较为复杂,所以采用UG三维建模软件进行建模组装后导入NASTRANR软件中进行分析。在处理CNC加工中心结合面时均采用弹簧阻尼单元法进行处理。加工中心的材料主要为铸铁,参数为:泊松比〇. 28,弹性模量1 lOGPa密度为7200kg/m3在实体建模时对细小的零部件进行省略。进行网格划分后得到具有610023个单元和1246990个节点的有限模型。进行求解后得到其前三阶模态的固有频率,阻尼比与振型。

计算模态分析的方法,在计算的过程中不需要实体加工中心,在加工中心设计之初即可对加工中心的动态特性进行预估。但是因为加工中心的结构复杂,加工中心实体建模的精度^几床各部件结合面的处理,以及边界条件的预设等都会影响计算结果的精度。计算模态分析的方法的结果往往需要实验来进行验证。

 

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结束语:

 

 本文分别利用计算模态分析和实验模态分析的方法对一加工中心整机的动态特性进行了研究,,主要结论可归纳如下:

 

 

(1)  在低频段1501 [z以内,前三阶),计算模态分析和实验模态分析结果基本一致。但在高频段两者相差较大,无可比性。

 

 

(2)  发现该加工中心整机的前三阶模态分别为立柱的前后摆动,左右摆动与扭转摆动,对应的固有频率均在150Hz以内。

 

(3)  该加工中心的切削激励最高频率为1501 lz,在此频段内加工中心均有可能发生颤振其薄弱环节为其立柱,,

文中的计算模态分析方法和实验模态方法可应用于加工中心的设计开发过程中。计算和实验得到的结果对改进加工中心动态特性具有一定的指导意义。

 

 

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