数控转塔冲床床身的振动控制研究

聂笃伟

摘 要：为了对数控转塔冲床床身在运行过程中的振动频率、振动幅度等情况进行深入的研究，以便于更好的采取相应的振动控制措施。本文通过瞬态动力学理论与有限元软件对数控转塔冲床床身振动进行了分析，并采用快速傅里叶变换方法对加速度时间历程曲线进行了处理，从而获得数控转塔冲床床身的频谱分析结果，以对床身所具备的振动特性进行了解，并根据其振动特性采取相应的振动控制措施。

关键词：数控转塔冲床；床身振动；振动控制

依靠以往的振动控制经验来对数控转塔冲床进行静态设计，很难达到理想的振动控制效果，因此急需探寻一种动态的振动控制方法。为此，以下便对数控转塔冲床床身的振动控制进行深入的研究。

一、以瞬态动力学对数控转塔冲床床身进行分析

（一）瞬态动力学的相关理论

瞬态动力学又被称之为时间历程，该理论主要是对机械在受到时间变化载荷时，其结构对这种变化载荷进行响应时所具备的动力学规律进行确定，从而通过该理论对其结构中的稳态载荷、瞬态载荷与简谐载荷采取任意的组合方式，以使载荷能够施加到机械设备中的待分析结构中，进而得出待分析结构在时间变化过程中的速度、应力、位移及加速度等响应规律。利用公式可对瞬态动力学方程进行表示，即Zii+Mii+Ku=Ft，在该公式中，质量矩阵由Z进行表示，阻尼矩阵由M进行表示，刚度矩阵由K进行表示，位移向量由u进行表示，外激励的向量则由Ft进行表示。[1]

（二）建立有限元模型

通过ANSYS有限元分析软件来对数控转塔冲床床身的有限元模型进行建立，考虑到其床身模型体积是比较大的，如果通过实体建模来对床身中的有限元网格进行计算，势必会造成计算工作量过大，而且计算时间也非常长。由于数控转塔冲床的床身绝大部分都是利用钢板进行焊接的，因此依据经典板壳理论，如果板厚和板的最小边长之比在1/5以内时，则该钢板属于薄板。当然，在数控转塔冲床床身中的加强筋、隔板等部位中可能不会与板壳理论相符，因此在建模时可采用壳单元和实体单元进行结合的方法来实现。利用ANSYS软件中的Workbench来对待划分壳单元区域实施抽中面处理，并对其接触关系进行设置，将床身中的侧板、主板等网格的尺寸设置成3cm，这样便可得出数控转塔冲床床身有限元模型中的网格分布，在该有限元模型中，网格节点数量共计17221个，网格单元的数量共计82466个。

（三）有限元模态的分析

对数控转塔冲床床身进行有限元模态的分析，能够对其床身结构所具备的振动特性进行确定，并且还能够为其他动力学的分析提供基础。本文便通过有限元模态分析方法来对数控转塔冲床的床身进行分析，以得到结构在振动时的固有频率，然后依据其结构中的固有频率来对结构瞬态动力学理论中的时间步长进行计算，以得到其模态阻尼。通过ANSYS Workbench的应用能够获得床身在三个阶段中的振动频率和振型，根据其模态分析结果可知，在第一阶段中，床身的模态振动频率强度是38.5Hz，床身的振型则是沿着Z方向进行左右晃动，并且振动幅度是按照从下至上逐步增加的。在第二阶段中，床身的模态振动频率强度是64.1Hz，床身的振型沿着Y方向进行上下晃动。在第三阶段中，床身的模态振动频率强度是68Hz，床身的振型是在Z方向中发生弯曲振动。[2]

（四）瞬态动力学的分析

在ANSYS Workbench中，对于结构动力学分析时经常采用三种方法，分别是刚体动力学分析、显示结构的动力学分析以及结构的瞬态动力学分析。而在本文中对数控转塔冲床床身的振动动力学分析方法则是使用的瞬态动力学分析方法，该分析方法在实施过程中需要对一个冲压周期进行选择，该冲压周期的持续时间是0.2秒，以两个时间步来对周其进行划分，首个时间步中，冲压力对结构的作用持续时间是0.026秒，另一个时间步则是冲压力在卸载后所具有的响应时间。将该冲压周期按照512步进行计算，每步的持续时间为1/2560s。在计算完毕后需要采取后置处理方式对数控转塔冲床床身在整个冲压过程中的位移数据进行提取。在对数控转塔冲床床身振动问题进行瞬态动力学分析时，对阻尼的考虑是非常重要的，阻尼类型主要包括α阻尼与β阻尼两种，质量矩阵乘子由α表示，其代表Rayleigh中所有的质量阻尼常数。由于数控转塔冲床的床身结构是由钢板焊接的，因此该结构是弱阻尼系统，因此可以对α阻尼进行忽略，利用模态阻尼比λ和机身振动频率f来对β阻尼进行计算，其中，模态阻尼比的数值为0.01，而机身的振动频率值则为38.5Hz，根据计算公式2λ2π×f=β，可求得β阻尼的數值，即0.000083。[3]利用ANSYS Workbench还能对数控转塔冲床床身中各个位置的位移、加速度及速度等变化规律进行计算。通过对床身顶板中的任意一点A进行选取，以将其当作研究对象，并进行标记，使其成为加速度分析点，并对该点的加速度变化规律及其最大位移值进行分析，计算结果可知A点的加速度最大值25m·s-2，其最大位移值是0.5366mm，由此可以了解到，数控转塔冲床床身在总体应力上不高，但在喉口位置中的应力则较大，喉口位置中的应力最大值是27.289MPa。

二、数控转塔冲床床身振动的有限元分析

数控转塔冲床在运行过程中，其床身的振动是比较复杂的，因此对其振动进行控制的必要前提便是对其振动信号按照相应的频率来进行分解，以便于判定其振动种类，然后通过针对性的振动控制措施来对不同频率振动加以控制。本文利用MATLAB软件实施了编程处理，并采用了快速傅里叶变换，以实现对其时域信号的计算及时频域处理。[4]在MATLAB软件中将上文中所选取的A点在各个时刻中的加速度值分别导入其中，然后实施快速傅里叶变换，以获得该点加速度在频域中的分布曲线。如图1所示为MATLAB软件中A点加速度在频域中的分布曲线。

三、数控转塔冲床床身振动试验和有限元的结果比较

（一）数控转塔冲床床身振动试验的结果

为了对上文中的有限元分析结果进行正确性验证，并使振动试验结果能够和有限元仿真结果能够便于比较，通过加速度传感器、电阻应变式位移传感器在A点中的布置，并通过数据采集系统与应变放大器来采集该点在机床运行过程中完整周期的加速度和位移响应数据，然后对获得的加速度和位移响应数据显示到频谱中进行分析，以获得相应的频谱分析结果。如图2所示为测试后得出的频谱分析结果，图3为A点位移频谱分析结果。

在得出该点的频谱分析结果后，将该点的有限元计算结果和振动试验结果进行对比分析。

（二）床身振动试验结果和有限元结果的比较

在电压信号的标定时间设置为1mV，经过标定后可以获得相应的标定结果，即0.00749mm/mV，由此可以得出测试信号在位移响应中的计算公式，即测试位移值与标定值和测试信号峰值的乘积相等。对数控转塔冲压床身在振动时的位移进行测试，以得出其在打桩时冲压周期中A点在Y轴中的位移响应情况。设定电压的最大值是66.53mV，可以得出振动试验中A点在Y轴中位移的最大值是0.4986mm。而在有限元分析结果中，其位移最大值是0.5366mm，这两者之间的误差约为7%。在床身A点中的有限元计算结果中，其加速度的最大值为25m·s-2，其振动频率强度是15Hz，而振动试验中的计算结果中，A点的加速度最大值是23m·s-2，其振动频率的强度是16Hz。如下表所示为床身振动试验结果与有限元计算结果。

通过在数控转塔冲床床身中所具有的四个喉口位置中，分别设置相应的电阻应变片，并对冲压周期中各个喉口位置的动应力数据进行采集，可以得出有限元分析结果中这四个测点的应力分別是27.289MPa、35.365MPa、26.843MPa、36.865MPa，而在振动试验中的四个测点应力分别是26.956MPa、36.254MPa、25.636MPa、37.008MPa。上述应力均处于床身的许用应力范围以内，并且两者的误差范围在5%以内。[5]由上述结果比较可知，采用有限元分析方法来对数控转塔冲床床身在具备周期性时间变化载荷作用下的动态响应规律进行研究是非常可行的。并根据该动态响应规律来提出相应的振动控制措施。

四、数控转塔冲床床身振动的控制优化

在振动控制措施上，可通过以下三点措施来达到优化控制效果的目的：其一，对数控转塔冲床床身中的主板结构进行改变，以使其结构的动刚度提高，使其动位移降低，这样能够有效降低振动给床身带来的不利影响。此外，为了降低机床的振动幅度，依据上文中的振型分析，可对筋板位置进行恰当布置；其二，应对阻尼结构进行合理的选择，尤其是喉口位置中的阻尼结构，可采用高阻尼铸铁结构来实现振动控制；其三，利用DEFORM-2D有限元分析软件来对数控转塔冲床在冲压周期中的数值进行模拟，以获得振动和噪声较小的冲压曲线，从而使数控转塔冲床的床身振动得到有效控制。

五、结语

本文通过采用有限元分析与瞬态动力学理论中的振动试验方法对数控转塔冲床床身的振动问题进行了深入的研究，并对两种分析方法的效果进行了对比，证明了有限元分析方法在研究数控转塔冲床床身振动问题中应用的可行性，并根据分析结果提出了相应的振动控制措施。

参考文献：

[1]高健翔，高建和，龚俊杰，韦源源.基于瞬态动力学的数控转塔冲床床身动力学研究[J].机械工程与自动化，2017（01）：74-76.

[2]陈敢.数控转塔冲床机身模态分析[J].农业装备与车辆工程，2017，55（08）：64-67.

[3]韦源源，李新松，高建和，胡金龙，龚俊杰.数控转塔冲床床身振动分析[J].机械工程与自动化，2016（05）：84-85+87.

[4]郭伟，宋爱平，杨益，陶建明.数控转塔冲床振动噪声分析检测及针对性建议[J].机械工程与自动化，2013（03）：115-117.

[5]陈琪，高建和，吴宏祥，徐长奎.数控转塔冲床机身模态分析与优化设计[J].锻压装备与制造技术，2011，46（04）：20-23.