数控铣床振动模态分析

摘要：铣床是机械加工制造过程中十分常用的一项基本设备，加工工件时铣床会发生振动，在振动的作用之下，不管是工件还是刀具其位置、相对速度均会有一些变化发生，势必会对加工精度造成影响。若实际操作中可以将铣床固有频率避开工作频率，那么从原理上来说就可以有效规避共振情况的出现，因此当前针对针对铣床结构动态特性分析的分析非常必要。鉴于此，文章主要从多角度进行数控铣床振动模态分析，供大家参考。

关键词：数控铣床；振动；模态分析

当前数控机床正朝着高精度方向发展，这种新形势下研发出的铣床其动态特性非常好，充分满足了社会发展需求。然而建立接头力学模型，往往需要事先了解机床整体结构的动态特性及其中的薄弱环节，这样才能确保数控机床整体结构的优化，对于加工精度的提升具有非常重要的现实性意义。振动模态分析实际上就是确定铣床振动特性，固有频率与主振型承受动荷载的重要参数，通过模态分析可以对振型是否会对加工精度带来影响进行科学判断，进而实现铣床部件的优化设计。

1 模态测试与分析系统概述

所谓模态分析，是指利用多点激振单点拾振锤击法，在振动与动态信号采集分析系统CRAS中进行激励信号与响应信号的采集及分析处理。锤击激振作为瞬态激振的一种形式，其应用的设备非常简单，在实际使用中也十分简单灵活，现场与在线测试都非常简单，整个实验的整体周期较短。按照测试的实际情况与铣床结构特点来看，可以利用力锤进行激振，这种激振方式与使用其他激振装置相比灵活性更高，足以激励起小型数控铣床，因此在小型结构模态分析中比较适用。在模态分析中计算机系统主要起到分析、控制数据存储的作用，利用CRAS作为模态分析软件，其中主要涉及到的模块有很多，例如数据采集与处理模块、机械与结构模态分析模块等，应用该系统利用计算机可以发出的控制信号可以有效采集各种数据，对其采集数据过程进行控制，同时将信号以数据文件方式硬盘上记录，待信号采集工作完成之后，由该系统完成函数传递分析及模态参数辨识等相关工作。

2 分析建立有限元模型的过程

主轴箱、立柱与导轨共同组成了铣床的整体结构，有限元模型建立可以充分反映出整体结构的动态特性，与此同时，还能利用其在局部区域中适当简化，基于其中的重要构件建模，例如结构主轴、立柱等，在此基础上利用ANSYS建立铣床三维实体模型。有限元模型建立步骤：首先，由于铣床中都是简单的平面，并不存在复杂的曲面，因此建立模型的过程中通常以十节点四面体等为参数单元，以便于满足计算精确度要求；其次，铣床的铸造材料选择16Mn钢，这类钢材弹性模量E=206GPa；第三，划分网格，这里建模利用ANSYS人工控制网络划分方式来划分网格，将网格单元边场地设定为0.005m，这样既可满足在计算精度方面提出的要求；第四，严格按照铣床工作的实际情况固定铣床底部的自由度。

3 模态分析

铣床模态的求解过程中会用到ANSYS中提供的Block Lanczos法，由于利用Block Lanczos法求解得到的值其精度通常比较高，同时计算速度也比较快，在大型结构求解问题中比较适用。从构件立柱模态分析的角度来看，在铣削交工时其振源频率处于低频范围，所以振动影响比较大，换句话说低阶时带来的影响就是很大的，按照该理论来看低阶振型将直接决定着立柱的动态特性。本次研究中求解主要进行了10阶模态的扩展，下面从这10阶模态中提取5阶对其振动特性展开分析。

从前5阶固有振动频率情况可以找到铣床立柱变形有哪些特点。前5阶固有频率振型：

1.阶振型以主轴箱和立柱为振动主体，他们相对扭转运动的过程中，不会发生变形的部分是铣床的底座，而发生位移量最大的地方是立柱顶端，其位移量是0.0296m；

2.阶振型以主轴箱和立柱为振动主体，他们会沿着底座短边的方向发生相对摆动运行，这种情况下铣床的底座不会有变形情况发生，其中立柱顶端是发生最大相对位移的地方，其位移量是0.0259m；

3.阶振型以主轴箱和立柱为振动主体，他们按照顺时针发生相对扭转运动，而扭转运动的过程中不会发生变形的是铣床的底座部分，而立柱顶端是发生最大相对位移的地方，其位移量是0.0322m；

4.阶振型以主轴箱和立柱为振动主体，这些振动主体会沿着底座部位最短边做弯曲运动，运动过程中习作底座不会有变形发生，立柱顶端是发生最大相对位移的地方，其位移量为0.0318m；

5.阶振型中立柱均为振动主体，两个振动主体分别沿着底座短边方向，向内凹做弯曲运动，弯曲运动过程中不会有变形发生的是铣床底座，其中立柱中间部位会发生最大相对位移，其位移量是0.0382m。

4 结语

总而言之，通过这篇文章中对有限元模态分析的论述我们可以了解到前5阶固有频率及振型，从分析中可以看出，前5阶振型中的主轴箱和立柱均为振动主体，并且发生扭转运动的有第1阶、第3阶，而第2阶则发生了摇摆运动，发生弯曲运动的有第4阶、第5阶。在加工工件、铣床设计中，本文模态分析结果主要起到了非常重要的指导性意义，从上述分析中可见，新产品开发过程中利用ANSYS有限元分析软件，很多工程技术上的问题均可以得到有效解决，这是当前工程设计中非常重要的一个环节。通过本文的铣床模态分析可以深入了解铣床受力构件立柱振动特点，进而为后续的产品改进、设计提供有效依据。

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