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摘要：電主軸是高速機(jī)床的關(guān)鍵部件。應(yīng)用多參考點(diǎn)最小二乘復(fù)頻域法對五軸聯(lián)動雕銑機(jī)床電主軸進(jìn)行模態(tài)分析，通過對比計算模態(tài)與試驗?zāi)B(tài)，驗證有限元模型的合理性，為電主軸結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供理論支持。

關(guān)鍵詞：機(jī)床；電主軸；模態(tài)分析；多參考點(diǎn)最小二乘復(fù)頻域

1研究背景

主軸系統(tǒng)是高速機(jī)床的關(guān)鍵部件，對機(jī)床的加工精度和穩(wěn)定性起決定性作用。筆者研究的五軸聯(lián)動雕銑機(jī)床，采用內(nèi)裝式主軸電機(jī)一體化的主軸單元，即內(nèi)裝式電機(jī)主軸，簡稱電主軸［1］。該機(jī)床主要應(yīng)用于小刀具精密加工領(lǐng)域，主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)24000r/min。當(dāng)主軸以超高速運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行實(shí)際切削加工時，容易引發(fā)整個系統(tǒng)共振，加劇刀具磨損或破損，增大機(jī)床導(dǎo)軌的動態(tài)載荷，從而降低整機(jī)壽命，且無法保持機(jī)床的精度［2］。同時，動態(tài)切削力也會引起機(jī)床的受迫振動，從而影響工件的加工精度和表面質(zhì)量。因此，對電主軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)分析是非常必要的，模態(tài)分析法就是一種非常有效的動力學(xué)分析方法。筆者利用模態(tài)參數(shù)識別的新技術(shù)———多參考點(diǎn)最小二乘復(fù)頻域（PolyMAX）法對五軸聯(lián)動雕銑機(jī)床電主軸進(jìn)行模態(tài)試驗與分析，研究其動力學(xué)特征，將試驗結(jié)果和有限元模態(tài)分析結(jié)果進(jìn)行比較，驗證有限元模型的有效性，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

2試驗?zāi)Ｐ秃蜏y點(diǎn)配置

模態(tài)試驗與分析時，通過激勵設(shè)備對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行激振，測量系統(tǒng)的激勵和振動響應(yīng)信號，處理相關(guān)數(shù)據(jù)，擬合曲線，識別參數(shù)，計算出決定結(jié)構(gòu)動力學(xué)特征的模態(tài)參數(shù)，包括模態(tài)頻率、模態(tài)阻尼比、模態(tài)振型、模態(tài)參與因子、模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)剛度和模態(tài)阻尼矩陣［3］。模態(tài)參數(shù)能夠直觀、準(zhǔn)確地反映系統(tǒng)的動態(tài)特性，具有簡明、直觀和物理概念清晰等優(yōu)點(diǎn)，因此常用于結(jié)構(gòu)動態(tài)特性分析。筆者在所測電主軸上布置了20個測點(diǎn)，主要根據(jù)電主軸系統(tǒng)振型圖中的振動方向和振動薄弱環(huán)節(jié)來確定測點(diǎn)位置［4］。

3電主軸模態(tài)試驗與分析

采用LMS振動、噪聲、模態(tài)測試系統(tǒng)，傳感器采用PCB三向加速度傳感器，力錘采用與之配套的PCB力錘。試驗時采用錘擊法單點(diǎn)激振，利用多個頻響函數(shù)作整體曲線擬合。支承方式為采用布帶將主軸懸掛起來，使主軸處于自由狀態(tài)，這可近似作為一種最佳支承方式，避免環(huán)境振動和支承剛度對測試的影響，重復(fù)性好。分析軟件采用LMSTest.Lab中的ModalAnalysis與ModalImpact模塊。在建立好試驗裝置后，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并完成數(shù)據(jù)處理工作。考慮到隨機(jī)誤差，對每個測試點(diǎn)分別敲擊五次，對測量數(shù)據(jù)作線性平均處理，盡量減小誤差，以得到更為準(zhǔn)確的頻響函數(shù)。

4結(jié)論

采用PolyMAX法對電主軸進(jìn)行了模態(tài)試驗與分析，得到了0～3200Hz頻段內(nèi)的固有頻率及振型，并與對應(yīng)的ANSYS模態(tài)分析結(jié)果進(jìn)行誤差比較，得出理論和試驗?zāi)B(tài)分析結(jié)果基本吻合，驗證了有限元模型的正確性。通過對電主軸進(jìn)行模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)主軸一階固有頻率約為211Hz，即在該頻率附近會引發(fā)主軸系統(tǒng)共振，對應(yīng)的工作轉(zhuǎn)速為12680r/min，機(jī)床工作時應(yīng)盡量避免涉及該轉(zhuǎn)速。從模態(tài)振型圖來看，共振時最大響應(yīng)出現(xiàn)在主軸后端，容易引起結(jié)構(gòu)磨損。這說明電主軸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)還不太合理，進(jìn)行需要改進(jìn)。

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作者：李林1；馬平2 單位：1.廣東白云學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院2.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院