曹建华，杨铁牛



专用螺杆数控铣床的动态性能分析

曹建华，杨铁牛

（五邑大学 机电工程学院，广东 江门 529020）

以双铣刀螺杆专用数控铣床为研究对象，利用labVIEW软件和NI数据采集卡等采集机床振动信号，在Matlab软件中采用复模态指示函数法对机床进行试验模态分析，得出其固有频率和相关振型，对比有限元分析结果表明：机床横向振动是影响螺杆加工精度的主要因素，在机床设计时应予考虑.

复模态指示函数法；模态分析；固有频率

目前，我国广东地区对塑机的需求量非常大，且有上升趋势[1]，而塑机的关键部件螺杆的加工一直是限制该行业发展的瓶颈. 为了提高螺杆的生产效率，国外仍在不断研制生产螺杆的专用机床. 我国机床生产龙头企业青海第二机床厂采用旋风铣刀加工长3 750 mm，直径150 mm的螺杆仅需2 h，但造价太高，不适合中小企业. 中小企业现有加工螺杆的铣床普遍采用单铣刀，加工同样一根螺杆大约耗时20h，虽然造价低，但效率不高. 鉴于此，本文将对中山市科技攻关项目组试制的更实用、高效的双铣刀数控铣床进行动态性能分析，以期找出影响螺杆加工精度的因素.

1 试验模态分析

1.1 数据采集

试制的新样机双铣刀数控机床结构如图1所示，它是长5 500 mm，宽约800 mm的大型、复杂机械. 本文用试验模态分析技术对样机作全面的测试、分析，得到产品的动态特性，由此获得系统的模态参数，然后建立数学模型，分析样机使用中的振动、噪声、疲劳等实际问题. 具体步骤如下：

图1 双铣刀数控机床结构及 传感器布点图

1）把加速度传感器、信号调理器、NI数据采集卡（8通道）、电脑按指定的方法连接好.

2）由于机床太大，要激起低阶频率，激振力必须足够大，但激振力过大会导致机床发生非线性变形；因此，采用在激振头上加橡胶片的方式，可以激起低阶频率，同时避免非线性变形的发生[2].

3）测试机床的横向振动和竖直振动. ①设置传感器测试点，各测点间距为0.5m，传感器布点位置如图1所示；②用LabVIEW采集5s内的信号，激振频率为１次/s，第1次激振时间为开始采集信号后0.5s；③采样频率为5kHz，每通道采样点数为25 000，电压为-5～5 V.

1.2 数据分析

由于试制的新样机双铣刀数控机床的阻尼非常大，所以采用复模态参数识别. 复模态指示函数法（Complex Modal Indication Function，CMIF）是频域中用复模态参数识别的一种比较新的方法，它是峰值法的延伸[3].

当观测变量为加速度信号时，机床系统的状态空间模型最终表示为[4]：

将LabVIEW采集的加速度信号数据导入Matlab中进行分析，得到通道的加速度信号图及功率谱图分别见图2和图3.

图2 通道加速度信号图

图3 通道信号的功率谱图

将的对角线元素整理成8×12501矩阵，即为CIMF的离散序列，CIMF每个行序列如图4、图5中的8条曲线.

图5 纵向奇异值曲线图

图６ 横向模态前３阶振型

由式（3）可知，奇异值的峰值对应于系统的模态，由于第1个奇异值的峰值占主导地位，因此可以近似看作在每个峰值处仅存在一个单独的模态. 在图4中近似取3个峰值，对应的横向模态频率为130.8，241，312 Hz；在图5中近似取3个峰值，对应的纵向模态频率为270，348.4，425 Hz. 其横向模态振型如图6所示. 由测试结果分析可得：机床床身第1阶主模态频率在130 Hz左右，且铣床在工作过程中受到多种激振频率的影响，其中以主轴电机、旋转刀具电机和横向进给电机的影响最为明显. 铣床主轴的电机转速为1 470 r/min，旋转刀具电机的转速为1 470 r/min，横向进给电机的转速为750 r/min，由于转子绕组不对称，机床受电机作用的频率是电机转动频率的2倍，即主轴电机引起的振动频率为49Hz，旋转刀具电机引起的振动频率为49Hz，横向进给电机引起的振动频率为25Hz；所以床身的第1阶主模态频率远高于工作频率，可以避免发生共振，其动态性能良好.

3 有限元分析

在UG软件中创建机床整体三维模型，并保存为step格式，然后导入MSC Pantran软件中. 因模型较大，为了节省计算时间和考虑计算机的性能，对模型进行了必要的简化和再分析，计算得到前３阶固有频率分别为160，256.9，342.9 Hz，振型图如图７所示. 由理论计算结果与实测结果比较可知：第１阶主模态频率比实测值高23％，第２阶主模态频率比实测值高6.5％，第３阶主模态频率比实测值高10％. 第１阶主频率误差明显比其他阶误差大，这是因为机床运行时有很多因素影响机床模态，如：周边干扰信号太多且频率接近，床身下的垫片与地面的接触等，且有限元分析的模型是经过简化的，这也使理论值与测量值存在误差.

图７ 有限元分析的前３阶振型图

4 结束语

本文分别采用试验模态分析和有限元分析结果说明：将有限元分析应用于大型机床的计算是可靠的，机床的第１阶主模态频率都远高于其工作频率，可避免机床在工作状态时出现共振及其它振动带来的危害；利用有限元模型对试验条件所产生的误差进行仿真分析，可以得到更精确的结果，为进一步优化机床结构、减轻重量、降低成本提供了理论依据；同时机床的横向振动是影响螺杆加工精度的主要因素，设计时要重点考虑.

[1] 朱复华. 塑料工业的发展趋势[J]. 国外塑料，1998(1): 12-20.

[2] 李长玉. 基于响应信号的数控机床模态参数提取方法研究[D]. 武汉：华中科技大学，2007.

[3] SHIH C Y, TSUEI Y G, ALLEMANG R J, et al. Complex mode indication function and its application to spatial domain parameter estimation[J]. Mechanical System and Signal Processing, 1988, 2(4): 367-377.

[4] 王兆辉，樊可清. 用频域法识别桥梁的模态参数[J]. 五邑大学学报：自然科学版，2005, 19(3): 24-28.

[5] 傅志方，华宏星. 模态分析理论与应用[M]. 上海：上海交通大学出版社，2000: 164-188.

[责任编辑：孙建平]

An Analysis of the Dynamic Performance of the Special Screw CNC Milling Machine

CAOJian-hua,YANGTie-niu

This paper takes the double-cutter special CNC milling machine for screw as the object of study, collects machine tool vibration signals using the labVIEW software and NI data acquisition cards, makes a modal analysis of the machine tool using the complex mode indicator function method in the Matlab software, and derives the natural frequencies and associated mode shapes. A comparison of the finite element analysis results show that the transverse vibration of the machine tool is dominant and has considerable impact on the processing accuracy of the screw and should be taken into consideration in the design process.

complex mode indicator function method; modal analysis; natural frequency

1006-7302（2010）03-0004-20

TH113.1

A

2010-03-15

广东省中山市科技攻关资助项目（2008PT82）

曹建华（1981—），男，湖南郴州人，硕士研究生，研究方向：机械设计，E-mail: a977822@163.com；杨铁牛，教授，博士，硕士生导师，通信作者，研究方向：机械CAD/CAM、反求设计，E-mail: jmniu@wyu.cn.