分析銑床關鍵結合面的動態特性及應用
2017-6-9 來源：重慶五一高級技工學校 作者：鄭雪松
摘要：針對銑床關鍵結合面的動態特性，從參數識別入手，以 XK8150 銑床為研究對象，對動態特性及其造成的實際影響進行了深入分析，得出結合面動態特性的存在會大幅降低模態頻率，會對整機特性造成較大影響的結論。
關鍵詞：銑床；關鍵結合面；動態特性；模態振型
伴隨著工業生產和科技的持續發展，機械裝備制造領域對銑床的運行性能提出了極高的要求，要求銑床要具備足夠的精確度和自動化水平。為滿足實際需求，不僅要應用當前先進的科學技術，還要注重銑床性能的有效提升，所以深入研究銑床性能是開發新型銑床的重要前提。與此同時，在對銑床動態特性進行優化設計時，通常都會忽略各個結合面造成的實際影響，這與工程實際是極不相符的。當前的優化設計方法得到了十分廣泛的應用，通過分析銑床特性，將傳統的靜態設計替換為動態設計已經是銑床設計工作的發展趨勢。現圍繞銑床關鍵結合面的動態特性，以 XK8150 銑床為研究對象，對其造成的實際影響進行分析，具體內容如下。
1.銑床關鍵結合面參數識別技術
1.1 模態分析技術
模態分析技術的主要作用在于求得系統的各階模態參數，其中，各階模態參數指的是系統振型與固有頻率。在對較大的復雜結構進行處理時，需要從理論上算出模態系數，這一計算難度較大。通常情況下，會與實驗分析法共同使用，以此充分發揮分析技術的作用和效果。此次研究主要針對部件對應的模態參數實施識別，與系統相比，部件模態密度相對較低，因此使用共振峰值的方法即可滿足精準度方面的要求。
1.2 參數識別理論
將 ANSYS 作為基礎優化設計，主要運用彈簧阻尼單元Combin14，對各個零部件和結合部進行建模，再進行模態分析，取設計的主要變量為等效阻尼與等效剛度。對于狀態變量，主要取模態頻率。本次研究只取前 5 階，對應的目標函數如下所示：
式（1）中：Wi為各階頻率占有的權重，可根據函數貢獻確定；Fi為模態頻率，即狀態變量；Fti為不同零件對應的模態頻率。
由于 Fti是在整機裝配條件下測出的，存在較大的誤差，因此需采用優化設計方法進行計算，以此得出精確度更高的參數。在對目標函數進行優化并得出最小值后，此時 Combin14 對應的阻尼系數與剛度系數即為銑床關鍵結合面的參數。
2.對部件動態特性造成的實際影響
結合部會對機械結構造成一定影響，主要體現在兩個方面，分別是固有振型與固有頻率。對于銑床而言，導軌是十分重要的組成部分。為保證銑床的穩定運行，導軌需具有較好的靜態特性與動態特性。其中，動態特性不僅有零件自身帶來的固有特性影響，還會受到結合部的實際影響，而且模態頻率造成的影響也不可忽略。本次研究的主要對象為 XK8150 銑床，根據銑床的裝配關系，對銑床結合面的動態特性進行了分析研究。
2.1結合面動態特性參數與部件模態頻率
銑床水平主軸體的模態頻率伴隨等效剛度、阻尼的變化曲線如圖 1 所示。其中，Fti 為前 5 階部件的模態頻率。
圖 1 模態頻率變化曲線
由圖 1 可知，模態頻率的變化曲線為非線性關系。總體上看，隨著剛度值的不斷增大，部件的模態頻率也有所增大，但增幅相對較小。此外，模態頻響的變化曲線也為非線性關系，但等效阻尼存在不變的區間值。
2.2 整機動態特性
按照整機裝配圖在優化分析軟件當中裝配，結合面相應參數需采用 Combin14 進行模擬。經過模態分析得出模態頻率，如表 1 所示。再對非結合面參數進行布爾加運算，得出實測值。相對誤差指的是考慮結合面和不考慮結合面的測試結果差異。
表 1 整機模態頻率
從表 1 中可以看出，在存在結合面的情況下，整機對應的模態頻率和實測結果較為接近，相對誤差可保持在 10%以內，所以充分考慮結合面的參數可更好地契合工程實際情況。通過深入的分析得知，如果考慮結合面的實際影響，則會大幅降低模態頻率，這顯然是極為不利的。這是因為如果固有頻率有所降低，就會對整機動態特性造成十分嚴重的影響。基于此，在實際情況中應不斷提升模態頻率，在設計工作中，就要對結合面帶來的影響進行分析和考慮。
圖 2 為存在結合面時不同階的模態振型，由于篇幅有限，其它階的模態振型在此不一一贅述。從圖 2 中可以看出，模態振型大多集中在局部結構當中，這一特征和部件的模態振型完全不同。從應用角度來看，這對整機優化設計有著十分重要的指導作用和意義。
圖 2 存在結合面情況下的不同階模態振型
3.總結
提出銑床關鍵結合面參數識別技術，將 XK8150 銑床作為研究對象，通過試驗分析和優化設計等方法，得出銑床關鍵結合面對應的動力學參數，再經過對比可以發現，此分析方法是切實可行的，結論可在實際情況中應用。
對銑床關鍵結合面的動態特性進行分析，并探究其對部件特性造成的實際影響。通過分析發現，銑床部件對應的模態頻率與阻尼隨著剛度值的不斷變化而出現非線性關系。總體上看，伴隨著剛度的持續增大，模態頻率也有所增大。此外，模態頻響的變化曲線也為非線性關系，但等效阻尼存在不變的區間值。
對銑床關鍵結合面動態特性造成的整機特性影響進行分析，結果表明，結合面動態特性的存在會大幅降低模態頻率，并對整機特性造成較大的影響。除此之外，模態振型主要體現為局部結構形式，可以為銑床的優化設計和結構改進提供可靠的理論參考。
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