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前言：

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，加工中心曰益向高速化,高精度化的方向發(fā)展。加工中心在加工時(shí)因?yàn)檎駝?dòng)而引起的加工速度不高，加工精度不夠的問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重。在加工中心的設(shè)計(jì)過(guò)程中，越來(lái)越多的研究人員開(kāi)始考慮加工中心加工時(shí)的振動(dòng)特性¹^s。

楊亞明等2011年對(duì)某一小型車(chē)銑復(fù)合加工中心進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，得到了其低階模態(tài)振型⁶。褚志剛等2012年某加工中心床身進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)，并且利用最小二乘復(fù)頻域法和最小二乘復(fù)指數(shù)法對(duì)其模態(tài)參數(shù)進(jìn)行了識(shí)別。周莉等2014年以一臥式加工中心的立柱為研究對(duì)象，利用MFd«_ipe軟件對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析⁰。曹力等²1〇5年利用ANSYS Workbench軟件對(duì)床身材質(zhì)對(duì)一高精度磨床動(dòng)態(tài)特性的影響做了分析¹。劉成穎等2016年利用有限元法對(duì)一臥式加工 ^{^[1]}^{^[2]}

中心進(jìn)行了整機(jī)計(jì)算模態(tài)分析^。Wd₍m等在非穩(wěn)態(tài)情況下對(duì)某一加工中心主軸進(jìn)行了模態(tài)分析^S。TnmTI)等對(duì)_加工中心進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，并將其應(yīng)用在其傳動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)試中^:14。

從以上可以看出針對(duì)加工中心類(lèi)復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，研究者大多以加工中心的某個(gè)關(guān)鍵部件進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性研究。有些研究者對(duì)整機(jī)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行計(jì)算模態(tài)分析或是實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，但是很少有研究者將計(jì)算和實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果進(jìn)行比較。

本文針對(duì)某_CNC加工中心，首先利用計(jì)算模態(tài)分析的方法對(duì)某_加工中心進(jìn)行了整機(jī)計(jì)算模態(tài)分析。然后利用實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的方法對(duì)加工中心進(jìn)行了整機(jī)模態(tài)測(cè)試。并將計(jì)算模態(tài)分析和實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了計(jì)算模態(tài)分析結(jié)果的正確性。分析了該加工中心動(dòng)態(tài)特性設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié)。本文的方法對(duì)加工中心的動(dòng)態(tài)特性設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

1加工中心的計(jì)算模態(tài)分析

加工中心的振動(dòng)特性主要可以用模態(tài)分析的方法進(jìn)行研究。目前模態(tài)分析的方法主要有計(jì)算模態(tài)分析方法和實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法兩種。其中計(jì)算模態(tài)分析方法首先利用三維建模軟件，對(duì)加工中心進(jìn)行實(shí)體建模。然后將模型導(dǎo)入有限元分析軟件，進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件設(shè)置后劃分網(wǎng)格，進(jìn)行計(jì)算。求出加工中心的各階固有頻率、阻尼比和振型。

本文研究對(duì)象為_(kāi)立式的CNC加工中心，其主要由床身，立柱，主軸箱，拖板，工作臺(tái)等部件構(gòu)成，如圖1所示。因加工中心是大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)綜合考慮后采用NAS-TRAN有限元分析軟件對(duì)其進(jìn)行分析。因在NAS-TRAN軟件中直接建模較為復(fù)雜，所以采用UG三維建模軟件進(jìn)行建模組裝后導(dǎo)入NASTRANR軟件中進(jìn)行分析。在處理CNC加工中心結(jié)合面時(shí)均采用彈簧阻尼單元法進(jìn)行處理。加工中心的材料主要為鑄鐵，參數(shù)為:泊松比〇. 28,彈性模量1 lOGPa密度為7200kg/m³。在實(shí)體建模時(shí)對(duì)細(xì)小的零部件進(jìn)行省略。進(jìn)行網(wǎng)格劃分后得到具有610023個(gè)單元和1246990個(gè)節(jié)點(diǎn)的有限模型。進(jìn)行求解后得到其前三階模態(tài)的固有頻率，阻尼比與振型。

計(jì)算模態(tài)分析的方法，在計(jì)算的過(guò)程中不需要實(shí)體加工中心，在加工中心設(shè)計(jì)之初即可對(duì)加工中心的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行預(yù)估。但是因?yàn)榧庸ぶ行牡慕Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工中心實(shí)體建模的精度^幾床各部件結(jié)合面的處理，以及邊界條件的預(yù)設(shè)等都會(huì)影響計(jì)算結(jié)果的精度。計(jì)算模態(tài)分析的方法的結(jié)果往往需要實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。

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結(jié)束語(yǔ)：

本文分別利用計(jì)算模態(tài)分析和實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的方法對(duì)一加工中心整機(jī)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了研究,，主要結(jié)論可歸納如下：

(1) 在低頻段（1501 [_z以?xún)?nèi)，前三階），計(jì)算模態(tài)分析和實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析結(jié)果基本一致。但在高頻段兩者相差較大，無(wú)可比性。

(2) 發(fā)現(xiàn)該加工中心整機(jī)的前三階模態(tài)分別為立柱的前后擺動(dòng)，左右擺動(dòng)與扭轉(zhuǎn)擺動(dòng)，對(duì)應(yīng)的固有頻率均在150Hz以?xún)?nèi)。

(3) 該加工中心的切削激勵(lì)最高頻率為1501 l_z,在此頻段內(nèi)加工中心均有可能發(fā)生顫振，其薄弱環(huán)節(jié)為其立柱,，

文中的計(jì)算模態(tài)分析方法和實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)方法可應(yīng)用于加工中心的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中。計(jì)算和實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果對(duì)改進(jìn)加工中心動(dòng)態(tài)特性具有一定的指導(dǎo)意義。

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某加工中心計(jì)算模態(tài)分析及其實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

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