朱铁军 吴玉亮
摘要：机床切削能力的高低在很大程度上受动态性能的影响。本文对某立式加工中心进行了一系列的动力学测试，获得其共振频率、阻尼比、模态振型、动刚度的动态特性，并对动态特性进行了分析研究以定位机床在动态性能上的薄弱环节。
关键词：立式加工中心；
动力学测试；
结构分析；
动态性能
前言
机床的动态性能指的主要是机床的振动特性，或者说机床抵抗振动的能力，其主要参数包括振动速度、动刚度、固有频率、阻尼比、模态振型等。对动态性能的优化就是对机床抗振性和切削稳定性的提升[1]。本文以某立式加工中心为例，综合运用多种动力学测试方式对其进行分析试验，在测试的结果上找出机床的薄弱环节并指出改进方向。
1.机床的动力学测试
1.1测试方案
首先对机床作空转振动测试，检测并排除可能存在的主轴动平衡问题，获取机床当前的振动数据；
接下来作部件和整机的模态测试，获取机床的共振频率、阻尼比、模态振型，初步掌握机床的动态特性，为机床的结构优化与调整提供基础数据和参考信息；
最后作动刚度测试，获取机床各部件的动刚度值，了解其抗振性。
1.2主轴空转振动测试
“振动”可以理解为测试点的绝对位置改变的“快慢”或“剧烈”的程度[2]。振动对应的物理量有位移、速度、加速度三种。通常低频时，注重的是振动位移带来的破坏，即疲劳强度的破坏，主要与位移成正比；
中频注重的是振动部件的疲劳，主要与速度成正比；
高频时注重的是能量的冲击及共振的影响，主要与加速度成正比。因此这里采用振动速度的有效值来衡量机床的振动量。进行测试的目的主要是为了排除可能存在的动平衡问题，并对机床当前的振动情况有个初步的了解。
该机床的设计标准为转速不大于20000rpm时，主轴振动不大于1.5mm/s。从结果来看，在整个转速范围内振动值并未超标，仅在大约10000rpm和14000rpm的时候振动偏大，这是典型的结构共振现象；
进一步观察振动曲线，发现也不存在主轴某个方向振动过大的问题，且6000rpm和12000rpm时振动量也不大，初步可判断主轴系统并不存在动平衡/不对心/组件松动等问题。
1.3模态测试和动刚度测试
物体的振动方式通常是用频率、阻尼比和模态振型等参数来描述的，而模态分析就是用来识别出这些参数的手段。动刚度指的是机床结构在受到一定的动态载荷时的动态位移，与被加工工件的表面形状和抗颤振特性密切相关。模态测试和动刚度测试通常用来为结构动力特性的优化设计提供依据。
测试采用锤击法，单点输入多点输出、锤击点固定、传感器移动。机床分五部分分别建模：床身、滑鞍、工作台、立柱和主轴箱。按照能表征出结构的大致形状特征以及所有感兴趣的模态的规则布置了共99个测点。测试时分别测试了工作台自由模态、主轴箱自由模态、立柱自由模态和整机模态，测试自由模态时需将被测铸件用弹性绳悬吊。测试现场、模型及测点如图2。
整机的模态测试结果如表1。
根据模态振型对测试结果进行分析：300hz以下时，主轴箱为主要振动部件；
300hz到500hz时，工作台为主要振动部件；
500hz以上时，床身开始振动。
在床身、工作台、立柱、主轴箱上分别取点，将对应点的频响曲线积分两次，得到动柔度曲线，观察动柔度曲线，可发现工作台的动柔度最高，达到了0.14e-6m/N，远高于床身的0.06e-6m/N，也就是说工作台的动刚度有些低。
2.测试结果分析和结构弱点定位
主轴空转振动时测得机床的共振主要出现在主轴转速10000转和14000转的时候，其对应的自激频率为166.6hz和233.3hz；
模态测试指出，主轴箱的固有頻率包含158hz（主轴箱绕y轴旋转带有扭转）及241.03hz（主轴箱绕X轴旋转）；
工作台的固有频率包含327hz（工作台左侧绕X轴扭转）；
动刚度测试指出工作台的动刚度偏低。可以看出，主轴10000转时的共振受主轴箱和工作台双方面的影响，14000转时的共振则主要受工作台的影响。结构改进的主要方向为避开10000转和14000转的共振、增加工作台动刚度，以及减小主轴箱、工作台的振动。
3.结论
本文以某立式加工中心为对象，进行了综合的动力学测试与分析研究，主要包括：
1）明确并设计了对机床进行综合动力学测试的流程和方法。
2）以该机床为对象，进行了综合的动力学测试，获取了其各动力学参数。
3）对测试结果进行分析，定位机床的薄弱环节并指出对机床进行结构优化的方向。
参考文献
[1] 黄志坚，高立新，廖一凡 机械设备振动故障检测与诊断[M]. 北京：化学工业出版社，2010.
[2] 李有堂. 机械振动理论与应用[M] . 北京：科学出版社，2012.
[3] 应申舜，林绿高，计时鸣. 基于模态参数验证的机床结构件优化设计[J]. 浙江大学学报（工学版），2018，52（10）：1880-1887.
作者简介：朱铁军（1983-），男，辽宁沈阳，哈尔滨工业大学硕士研究生，沈阳机床设计研究院实验室工程师，主要研究方向数控机床动力学测试与研究、数控机床热误差测试与补偿、数控机床测试软件研发等。
（作者单位：沈阳机床（集团）有限责任公司）