柏甫榮

(揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 2 2 5 1 2 7)

數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床橫梁的模態(tài)分析與實(shí)驗(yàn)研究

柏甫榮

(揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 2 2 5 1 2 7)

本文采用有限元分析軟件A N S Y S對(duì)數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的關(guān)鍵部位橫梁進(jìn)行有限元模態(tài)分析，并進(jìn)行了振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)有限元分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的比較，判斷橫梁結(jié)構(gòu)模型是否最優(yōu)，能否準(zhǔn)確模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，為數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床橫梁機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供科學(xué)的依據(jù)。

數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床；橫梁；有限元分析；模態(tài)分析

數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床是金屬板材沖壓加工的關(guān)鍵設(shè)備，具有高效率、高自動(dòng)化、生產(chǎn)成本低、能夠自動(dòng)換模、柔性化高等特點(diǎn)，在板材加工行業(yè)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。由于數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床公稱壓力大、沖壓頻率高，且進(jìn)給速度快，在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，往往會(huì)引起運(yùn)動(dòng)部件的抖動(dòng)，甚至造成關(guān)鍵部位的變形，影響數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的可靠性、穩(wěn)定性和加工精度，因此對(duì)數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床橫梁的模態(tài)分析與振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)研究具有重大意義。

1 數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床橫梁的模態(tài)分析

模態(tài)分析用于確定機(jī)器部件或機(jī)械機(jī)構(gòu)的振動(dòng)特性，即部件或結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，它們是動(dòng)態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中十分重要的參數(shù)，為振動(dòng)特性的分析、振動(dòng)故障的診斷以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供科學(xué)的依據(jù)；與此同時(shí)，模態(tài)分析也可以作為其它動(dòng)力學(xué)問(wèn)題分析的起點(diǎn)。

圖1 數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床橫梁模型

橫梁系統(tǒng)是數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的主體部件，主要部分包括橫梁、傳動(dòng)系統(tǒng)和其它附屬機(jī)構(gòu)，如圖1所示。橫梁是由鋼板焊接而成的箱型結(jié)構(gòu)，橫梁內(nèi)固定有橫置的加強(qiáng)筋板和縱置的內(nèi)部隔板。整個(gè)橫梁由4個(gè)滑塊支承，并通過(guò)滑動(dòng)導(dǎo)軌與機(jī)床床身相連接。數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的橫梁在進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，首先在S o l i d w o r d s中建立三位模型，然后將其導(dǎo)入A NS Y S中進(jìn)行有限元分析。分析時(shí)對(duì)數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床橫梁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，略去橫梁附屬機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)系統(tǒng)（拖鏈、滾珠絲杠等）；橫梁主體、內(nèi)部加強(qiáng)筋和縱置隔板采用S o l i d 4 5單元，橫梁與床身間的導(dǎo)軌結(jié)合部采用彈簧—阻尼單元c o mb i n e 1 4。

表1 數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床橫梁固有頻率和振型

由于數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床橫梁高階模態(tài)對(duì)橫梁動(dòng)態(tài)性能影響較小，因此本文主要進(jìn)行低階模態(tài)的分析，選取橫梁的前五階固有頻率來(lái)進(jìn)行分析，這樣一來(lái)既能得出對(duì)橫梁結(jié)構(gòu)影響較大的固有頻率跟振型，也能提升求解速度。由A NS Y S S o f t w a r e計(jì)算出的橫梁結(jié)構(gòu)前五階固有頻率，如表1所示。

從數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床橫梁的固有頻率和振型云圖可以看出：第四階振型為X方向振動(dòng)；第一、二、三階振型為Y方向彎曲振動(dòng)；第五階振型為Z方向振動(dòng)。數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床橫梁的低階振型都集中在Y方0向，而Y方向的振動(dòng)對(duì)數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床加工精度的影響較??；橫梁高階振型都集中在X方向，而高階振型對(duì)橫梁的動(dòng)態(tài)性能影響較小，因此，原數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床橫梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在頻率布局上基本符合設(shè)計(jì)要求。

2 橫梁的振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)研究

振動(dòng)測(cè)試原理是通過(guò)傳感器、傳感器配套的放大器以及顯示或記錄儀器儀表，測(cè)量運(yùn)動(dòng)的工程結(jié)構(gòu)或機(jī)械結(jié)構(gòu)在外界激勵(lì)（包括環(huán)境激勵(lì)等）或運(yùn)行工作狀況中的重要零部件的位移、速度、加速度等運(yùn)動(dòng)量參數(shù)，從而了解機(jī)械結(jié)構(gòu)或工程結(jié)構(gòu)的工作狀況。從廣義地來(lái)說(shuō)，通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)量的測(cè)量，我們可以了解機(jī)械結(jié)構(gòu)或工程結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，如固有頻率、振型、阻尼系數(shù)以及剛度等特性參數(shù)。

如果僅對(duì)數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床橫梁進(jìn)行有限元模態(tài)分析，不能確定分析結(jié)果的正確性，需要與振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，以獲得能夠準(zhǔn)確反映橫梁結(jié)構(gòu)實(shí)際運(yùn)行時(shí)候的動(dòng)態(tài)特性分析模型。數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床橫梁結(jié)構(gòu)是屬于由多種環(huán)節(jié)結(jié)合的復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，使用振動(dòng)測(cè)試的分析方法研究橫梁的動(dòng)態(tài)特性，必須先分析橫梁結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，使其可以滿足線性、定常、空間離散化等假設(shè)的條件。

本文數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床橫梁結(jié)構(gòu)的跨度為2 m，屬于中型的結(jié)構(gòu)，采用力錘敲擊激勵(lì)的方法可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的完全激振，獲得各測(cè)量點(diǎn)上的響應(yīng)信號(hào)，使用傅里葉變換得到橫梁的各階固有頻率。進(jìn)行模態(tài)實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)，將測(cè)試用的加速度傳感器放置在橫梁結(jié)構(gòu)的有效測(cè)試點(diǎn)，然后通過(guò)Y E 5 8 5 0型電荷放大器與A Z 2 1 6 R數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將加速度信號(hào)傳遞到電腦上；最后通過(guò)A d C r a s和S s C r a s進(jìn)行分析，獲得信號(hào)的頻率。為了保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確，在試驗(yàn)前需對(duì)各個(gè)加速度傳感器、對(duì)應(yīng)的傳感器放大器進(jìn)行標(biāo)定作業(yè)。由于橫梁結(jié)構(gòu)及振動(dòng)過(guò)程的復(fù)雜性，以及加速度傳感器本身的結(jié)構(gòu)限制，使得測(cè)點(diǎn)布置變得相對(duì)復(fù)雜。一般情況下，測(cè)點(diǎn)的布置應(yīng)該能夠很好地反映結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，避免與結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)有重合情況；還需要考慮便于傳感器的安裝等限制條件。在進(jìn)行錘擊測(cè)試時(shí)，錘擊時(shí)間要盡量短，每一次錘擊的方向要盡量與測(cè)試表面垂直，并且要掌握好錘擊力度，防止信號(hào)出現(xiàn)過(guò)載的情況。

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床橫梁的加速度信號(hào)和頻譜通過(guò)頻譜分析所得橫梁固有頻率。

3 有限元分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較

采用有限元分析和振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)分析兩種方法來(lái)分析數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床橫梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，結(jié)果雖然有一定的差異，但是，測(cè)試結(jié)果相互補(bǔ)充的作用還是比較明顯的。比如振動(dòng)測(cè)試方案的設(shè)計(jì)、傳感器的位置分配、采樣頻率設(shè)置以及其它參數(shù)的設(shè)置等均需要參考有限元分析的結(jié)果；與此同時(shí)，振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果對(duì)有限元分析方法的修正作用更是比較明顯的。因此，只有把有限元分析測(cè)試方法和振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，才能夠得到更加、精確合理的測(cè)試結(jié)果。

通過(guò)比較數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床橫梁有限元分析結(jié)果和振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到橫梁固有頻率的有限元分析計(jì)算值和振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)值的誤差基本保持在1 0%之內(nèi)，測(cè)試結(jié)果表明有限元分析結(jié)果可以基本反映數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床橫梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，所建立的有限元模型與實(shí)際情況相符合，計(jì)算結(jié)果可信。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以有限元分析軟件A NS Y S為工具平臺(tái)，對(duì)數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床橫梁進(jìn)行了模態(tài)分析，并通過(guò)振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，得到數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床橫梁的固有頻率，將橫梁的有限元分析結(jié)果與振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較分析，通過(guò)振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果論證橫梁有限元建模的合理性，最終確定正確的橫梁有限元模型。本文通過(guò)對(duì)數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床橫梁的模態(tài)分析和實(shí)驗(yàn)研究，為數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床橫梁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了科學(xué)的計(jì)算依據(jù)和研究方法。

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