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1.1試驗方案

模態試驗是研究結構動態特性的有效手段之一^{^[1]}，合理的試驗方案有助于模態試驗的開展。因此，對 KVC800立式加工中心進行模態試驗時，首先需要確定出較為合適試驗方案。該加工中心結構主要由工作臺、床身、立柱、主軸箱等組成，工作臺作縱向進給，床鞍作橫向進給，主軸箱作垂向進給運動，三個進給方向導軌均為矩形導軌，電機帶動滾珠絲杠通過導軌實現三個方向的運動。試驗過程中采用采用單點激勵多點響應開展模態測試，根據KVC800立式加工中心的結構特點，通過Ansys有限元模態分析，獲取加工中心的主要振型，以此為依據，確定激振點與響應點的布置方案。

工作臺激勵點布置在其振型較大的四個角點中任一角點附近；床身激勵點則布置在其振型變化大的上半部分右側面；立柱部分激勵點施加在其振型變化明顯的上右側面；主軸箱部分由于其結構特點，將激勵點布置在有較明顯振動的底部主軸的圓柱面上。

以有限元分析結果為指導，并考慮加速度傳感器以及數據采集通道的數量來布置響應點，避免大量試驗的盲目性。工作臺響應點主要布置在其上表面的四個頂點處；基于響應點不布置在對稱面的原則，床身響應點則分布在其右側面的四個頂點以及前面上端的兩頂點處；立柱響應點主要分布在右側面四角點和頂部兩點；考慮到主軸箱屬于薄壁結構，它的響應點則布置在下端主軸的兩個圓柱面上，空間呈90°夾角來布置兩測點。

1.2測試系統

采用丹麥B&K測試系統開展模態測試。整個模態測試分析系統如圖1所示，主要由激勵系統、數據采集系統、數據處理系統三部分組成。

圖1模態測試分析系統

試驗中的激勵系統通過8206-002型脈沖力錘(圖2a)施加激勵，該型號的力錘承受的壓力范圍為 0?2200N。根據測試需求，力錘可選用不同的錘頭，力錘錘頭匹配數據表如表1所示。由于KVC800立式加工中心主軸的工作轉頻范圍為10~6000r/min，試驗過程中關注100Hz以內的固有頻率，因而選用橡膠錘頭，并且安裝配重，以產生比較大的沖擊力從而激發出更多模態，使能量分散在比較寬頻率范圍內^{^[2]}。

表1力錘錘頭匹配數據表

錘頭材質	頻率范圍	脈沖時間	壓力范圍
鐵	0?7kHz	0.20ms	500~5000N
塑料	0?2kHz	0.57ms	300~1000N
橡膠	0?500Hz	2.7ms	100~700N

為了獲得各個方向的完整模態信息，每個響應點布置三個方向的加速度傳感器，由自制底座將3個單向傳感器組合而成(如圖2b)。試驗中由力傳感器和加速度傳感器測得信號經過丹麥BK數據采集器(如圖2c) 和MTC Hammer模態測試軟件采集和儲存，再由Reflex模態分析軟件進行模態分析。

1.3參數設置

測試過程中，首先設置好采集通道中的力錘激勵力信號以及加速度響應信號，在軟件中按比例建立好加工中心各部件的簡化模型，完成激勵點、響應點位置和方向的選擇。還需確定以下各參數來完成試驗，并確保試驗質量。

1) 分析頻率

許多文獻指出，機床的前幾階模態主要集中在低頻階段，且基本上決定了整機的動態特性^[4-5]。影響加工中心性能的頻率范圍主要是低頻段，本文主要關注100Hz以內的頻段，故設定的分析頻段為0?100Hz。

2) 米樣頻率

根據采樣定理，采樣頻率必須大于信號的最高分析頻率的兩倍，方可保證離散信號能惟一恢復到原連續信號而不失真^[6]，實際測試中常常將采樣頻率略為放大。本次測試采樣頻率為2048Hz。

3) 平均次數

為了減少噪聲干擾，提高頻譜分析的精度，試驗采用多次敲擊，對采樣數據進行平均化處理來計算頻響函數，試驗中平均次數設置為5次。

4) 力錘觸發設置

設置合理的觸發方式對于瞬態信號的捕獲有很大的作用。根據表1所提供的力錘匹配數據，對應的添加附加質量的橡膠錘頭，激勵力應設置在100?700N之間，結合操作者力度的大小，以及試驗中多次的試敲，將120N設置為其激勵力閾值，當力錘敲擊力大小超過120N時產生激勵力。

5) 窗函數選取

分析處理響應信號時需要截斷信號，往往易帶來截斷誤差，截取的有限長信號不能完全反應出原信號的頻率特性，所以需要添加窗函數來減小誤差^[7]。由于力的持續時間短，在其后的剩余時間，任何噪聲都是不希望的，所以激勵信號加力窗以減小噪聲的影響，響應信號加指數窗以減小泄漏誤差。

1.4結果分析

采用頻域總體曲線擬合法對模態參數進行自動識別^[8-9]，加工中心工作臺、床身、立柱以及主軸箱四個部分的模態分析結果見圖3。

2 基于升速過程瀑布圖的動態特性分析及對比驗證

手動開啟數控加工中心至最高轉速，試驗過程中主軸最高轉速設置為5500r/min，利用B&K測試系統的 Labshop數據采集與分析模塊對整個升速過程的振動信號予以記錄，并進行了瀑布圖分析，瀑布圖中的突變點反映了加工中心的各階固有頻率[10]。在加工中心工作臺、床身、立柱以及主軸箱分別測得的振動信號分析所得瀑布圖，如圖4所示。

從模態圖與瀑布圖中篩選相互對應的模態頻率并加以對比，如表2所示。

表2模態試驗與升速瀑布圖所得模態頻率對比(單位：Hz)

	模態試驗	升速瀑布圖	誤差率/°%
	46.43	50	7.14
丄坐口 ^_	67.25	64	5.08
	52.62	50	5.24
床身 "	60.88	64	4.88
	48.80	50	2.4
立仕 ■	67.36	64	5.25
	47.69	50	4.42
土軸相	62.92	64	1.69

由表2可知，50Hz和64Hz為整機的固有模態，在實際加工工件過程中，應盡量避免50Hz及64Hz 的工作轉頻，即3000r/min和3840r/min的主軸工作轉速。

3結論

1) 利用丹麥B&K測試系統，采用單點激勵多點響應，對KVC800立式加工中心主要部件工作臺、床身、立柱和主軸箱開展了模態測試，從試驗方案、測試系統、參數設置和結果分析幾方面探討了試驗過程的開展，獲取了各主要部件的模態參數。

2) 利用B&K測試系統對加工中心整個升速過程的振動信號予以記錄，并進行了瀑布圖分析，并從中獲取模態信息，與試驗模態測試結果進行了對比驗證。

3) 通過模態測試分析與升速過程瀑布圖分析，獲知50Hz和64Hz為加工中心整機固有頻率，實際使用過程中應避開3000r/min和3840r/min的主軸工作轉速，為加工中心的優化運行提供了可靠依據。

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