基于ANSYS的立式加工中心动态分析

赵天义，周俊荣，吕超超，王瑞超，李会军

(五邑大学 智能制造学部，广东 江门 529020)

1 引 言

T-V1165S立式加工中心具有高速、高效率等优点，适用于加工各种精度高、工序多、形状复杂的零件，广泛应用于精密零件、5G产品、五金、汽配、医疗器械等行业。该机床的设计难点主要在于需要保证机床对工件的加工精度，而机床的动态特性会对机床加工质量产生重要影响。使用有限元分析方法分析机床的动态特性，研究机床的性能，同时对样机进行模态试验，使用模态试验数据对有限元分析结果的可靠性进行验证[1-3]，进而获取准确的机床动态性能结果，这对机床的后续设计与优化具有重要意义。

2 立式加工中心动态分析

使用ANSYS Workbench进行立式加工中心的动态分析，设置零部件的材料属性。固有频率是结构的自身属性，所以忽略各种载荷。对模型的地脚螺栓处施加固定约束，对机床与地面接触施加无摩擦约束。在现实情况的应用中，机械结构的高阶固有频率计算精度偏低，而低阶固有频率更容易被激发出来产生共振。因此，本文将分析立式加工中心的前6阶固有频率，分析结果见表1。

表1 T-V1165S立式加工中心的前6阶固有频率与振型描述

3 模态试验

3.1 模态测试

立式加工中心的模态测试试验选择单点激励、多点响应试验法，激振方式选择测试周期短、精度较高的单点脉冲激振。模态试验设备连接示意图如图1所示。

图1 模态试验设备连接示意图

利用ME′scope模态分析软件， 按照机床实际结构尺寸建立机床几何模型，根据模型采取均匀布点试验法布置测点与响应点[4]。本文对加工中心共布置310个响应测点，依据实际工程应用选择在主轴箱前端位置作为激励点(图2中测点309点位置)，进行X向(径向)激励。模态测试模型如图2所示，试验现场图如图3所示。

图2 模态测试模型

(a)力锤脉冲激励位置与主轴箱传感器布置位置

为了验证模态试验分析结果的可靠性，通常使用每一组激励测试产生的相干函数进行检验。图4是立式加工中心模态试验测点的相干函数，从不同点的相干函数曲线上可以看出，相干函数值基本都接近1，说明模态试验每组试验测试结果满足要求。

图4 测点相干函数均值曲线

试验数据经模态分析软件分析处理之后，即可获得T-V1165S立式加工中心的频率响应曲线(如图5所示),T-V1165S立式加工中心的前6阶固有频率如表2所示。

图5 立式加工中心频响曲线

表2 T-V1165S立式加工中心前6阶固有频率

3.2 试验模态结果验证

在模态测试试验中，通常使用模态置信准则验证试验的准确度。模态置信准则主要用来分析被测系统各个振型之间的相关性，其为振型向量的点积，简称MAC(Modal Assurance Criterion)[5]。MAC矩阵直方图是由立式加工中心整机的低阶试验模态参数所得，如图6所示。

图6 模态判定准则MAC

从图6可以清楚地看出，只有对角线同向量之间的MAC值是1，其它各模态向量之间的MAC值均不超过0.1，这表明各模态向量之间是线性独立的，说明本次试验得到的模态参数结果误差较小，试验精度较高。

将立式加工中心仿真分析的结果与模态测试的数据进行对比，检验仿真结果的准确性，对比结果如表3所示。

表3 加工中心试验数据与仿真结果对比

仿真分析与试验结果的对比表明，立式加工中心有限元仿真分析与模态试验结果误差在4.0%～12.7%之间，在工程所允许的范围内，验证了机床有限元模型的可靠性。

4 谐响应分析

机床在工作情况下，由于机床主轴自转，会给予机床自身结构持续稳定的周期载荷，而谐响应分析就是分析机床自身结构在周期载荷激励下的响应情况[6,7]。在立式加工中心主轴3个方向上施加大小为2000N、频率0～250Hz的简谐力，分析机床的振动响应情况，分析结果如图7所示。

图7 T-V1165S立式加工中心幅频响应曲线

从图7可以看出，在机床前6阶固有频率附近均有振幅，引发共振。在频率为50Hz、100Hz时，振动响应幅值分别为6.9μm、7.3μm，分别处于整机模态的前2阶固有频率附近，产生共振时，对加工影响较大。参照整机的模态分析振型，整机的前2阶模态的主振型为主轴箱，确定机床的关键部件为主轴箱。

5 结 论

本文对机床进行了模态分析，获取了机床的前6阶固有频率及相应振型，并根据试验结果验证了有限元仿真分析结果的准确性。同时对机床进行了谐响应分析，根据谐响应与模态分析的结果确定了机床的关键部件为主轴箱，这为后续机床二次设计及优化提供了重要依据与方向。