龙门铣床双摆头动力学特性实验研究

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2013年 10月第 41卷 第 19期机床与液压MACHINE TOOL＆ HYDRAUUCS0ct．2013Vo1．41 No．19DOI：10．3969／j．issn．1001—3881．2013．19．002龙门铣床双摆头动力学特性实验研究陈甜甜(北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京 100191)摘要：结合实验模态分析技术对龙门铣床双摆头的动力学特性进行研究。对双摆头结构进行模态测试，获取频率响应函数，并进行拟合，分析得到结构固有频率、阻尼比与振型等动力学参数；对安装在双摆头上的螺旋立铣刀进行锤击实验，获取机床一主轴一力具系统的加速度频率响应函数，结合再生颤振理论，预测其铣削颤振稳定域。根据可视化的整机振型，提出改进机床结构的方案，并提供合理的切削参数。

关键词：铣床；实验模态分析；动力学；颤振稳定域中图分类号：THI13．I 文献标识码：A 文章编号：1001—3881(2013)19一o07—5Experimental Investigation of Dynamic Characteristics of Dual-rotary-spindleMilling HeadCHEN Tiantian(School of Mechanical Engineering and Automation，Beihang University，Beijing 100191，China)Abstract：The dynamic characteristics of a dual-rotary-spindle miling head were investigated based on the experimental modalanalysis technique．The modal test was performed on the structure of milling head，and the frequency response functions(FRF)wereacquired and drawn up，and the dynamic param eters of the structure such as natural frequency，damping ratio and mode shapes wereobtained by analysis．The helix miling cuter installed on the milling head was tested by hammering，and the function of accelerationfrequency response for the system of machine tool·spindle—tool was obtained．Its chater stability field of miling was predicted by combi-ning with the regenerative chatter theory．According to the visualized mode shape of whole machine，the scheme of improvements on thestructure of machine tool is proposed，and proper cutting parameters are provided.

Keywords：Milling machine tool；Experimental modal analysis；Dynamics；Chater stability field数控机床的动力学特性直接影响其加工性能，对机床进行动态性能测试及优化，可以改善机床的动力学特性，提高机床的抗振性能、加工精度和效率，提高机床的使用寿命和可靠性 。数控机床动力学特性的研究是当今数控机床设计和使用中必不可少的重要环节 ，目前主要通过理论分析和实验模态分析两种途径实现。

理论分析需要对机床整体进行建模，通过对该动力学模型的分析计算 ，可获得结构的固有频率和振型等模态参数。倪向阳等 建立了机床整机有限元模型，并进行了静态 、动态和谐响应分析 ，在此基础上找出机床结构的薄弱环节，为机床结构优化设计提供了技术支持 ；杨毅青等 采用集中参数建模方法，集中质量、弹簧阻尼单元建立了立铣床的7自由度模型，并在该模型基础上合成刀尖频响函数及预测颤振稳定域 ，揭示出机床颤振与振型的联系。

相比理论分析，实验模态分析具有操作简便、可信度高等优点，近年来得到了广泛应用。魏要强 研究了基于空运行激励的数控机床实验模态分析方法，分析了测点布置、基于响应信号的模态多项式模态参数辨识方法，拟合得到系统的固有频率、阻尼比、模态质量和模态刚度等模态参数，并在此基础上开发了一套数控机床动力学特性测试与分析系统。

采用实验模态分析的方法对龙门铣床双摆头的动力学特性开展研究。分别对双摆头结构和机床 一主轴 一刀具系统进行锤击实验 ，获取频响函数，分析得到结构动力学参数。结合可视化的整机振型，对机床结构的改进提供指导；通过加工实例的仿真，预测出刀尖系统颤振稳定域，并提供合理的切削参数。

1 实验准备1．1 龙 门铣床双摆 头收稿 日期：2012—10—24基金项目：高档数控机床与基础制造装备国家科技重大专项 (2010ZX04015—011)作者简介：陈甜甜 (1982一)，女，博士，研究方向为 CAD／CAM。E—mail：candy_ct###163．con。

第 19期 陈甜甜：龙门铣床双摆头动力学特陛实验研究 ·9·对双摆头结构进行锤击实验，使用中型力锤(086C41)和三向加速度传感器 (356A17)。每次用力锤激励 1号关键点并采集冲击力信号；利用 DASP系统对 50个点的 、y、z 3个方向的加速度情况采样；利用软件的信号分析功能对采集到的加速度数据以及冲击力数据进行综合分析，得到所有的加速度频响函数的描述如图2所示。

2．2 结构模态辨识模态辨识算法的实现包括频响函数曲线拟合和模态参数计算，这里采用复模多自由度法，拟合出 11阶频响曲线并计算了相应模态参数。

将拟合得到的频率响应曲线，同实验测试结果进行对比。图3所示为第 1点X方向频响函数的对比结果，其中实线为测试结果，虚线为拟合结果。

． 2O． 30． 40． 5O号-60馨 一80． 90． 100． 11O． 120一 ，生 一 、一 ●I一
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一 1I II100 200 300 400 500 600频率，Hz图 3 第 1点X方向频响函数的拟合结果比较利用 DASP软件的振型分析功能，可以得到各阶模态的整机振型，图4是部分典型模态振型的示意图。

(a)第1阶模态振型(b)第3阶模态振型一
阳 一固y一 (c)第5阶模态振型图4 典型模态振型通过模态参数计算得到各阶模态固有频率、阻尼比，并结合图3可视化的振型给出各阶模态振型的描述。经过数据的分析对比剔除了若干虚假模态，最终得到8阶模态，其模态参数及振型如表2所示。

表2 模态参数及振型
第19期 陈甜甜：龙门铣床双摆头动力学特胜实验研究 ·11·由于铣刀2的刚度较低，因此许用的临界稳定切深也较小。由颤振稳定域 图可知，在主轴转速15 000～17 000 r／min段，铣刀 2有相对较大的可用切深；由颤振频率图可知，发生颤振的频率主要集中在高频模态 (>1 100 Hz)，接近刀具固有频率，引发颤振的模态来 自于刀具。

4 结果与讨论通过实验模态分析，辨识出双摆铣头的8阶典型模态及可视化振型，得到以下结果：(1)第 1阶 (11．232 Hz)、第 5阶 (235．980Hz)模态在双摆铣头工作时对 A轴位置精度的影响较大，对 c轴位置精度的影响较小，所以在切削加工中使用A轴时，应该避免第 1阶和第5阶固有频率及谐振频率 ；(2)第2阶模态 (21．74 Hz)在工作时对 A轴及 c轴位置精度的影响都比较大，但此阶模态的阻尼比也较大 ，在实际工作中会减小振动 ，所以该模态对切削加工的影响不会很大 ；(3)第 3阶 (41．383 Hz)、第 4阶 (81．019Hz)、第六阶 (308．476 Uz)、第 8阶 (498．605 nz)模态在工作时对A轴及 C轴位置精度的影响都比较大，所以在切削加工中使用 A和 c轴时，应避免其固有频率及谐振频率；(4)第 7阶模态 (365．648 Hz)在双摆铣头工作时对 C轴位置精度的影响较大，对 A轴位置精度的影响较小，所以在切削加工中使用 c轴时，应该避免其固有频率及谐振频率。

根据实验模态测试及模态分析的结果，可根据机床的设计参数对结构做相应调整，提高 c轴的扭转刚度，或者在切削加工中避免激励上述模态，能达到提高机床切削性能的目的。

两种螺旋铣刀的颤振稳定域预测结果表明，刀具1最 小 稳 定 临界 切 深 仅 为 0．05 mm，在 转 速 为10 000～14 000 r／min之 间，稳 定切 深 可 达 到 1．5mm；刀具2最小稳定临界切深仅为 0．3 mm，在转速为 13 000～18 000(r／min)之间，稳定切深可达到10 mm。切削加工中根据上述转速区间选择切削参数，能避免颤振的发生 ，达到充分利用刀具的目的。

5 结论用实验模态分析的方法，得到了龙门铣床双摆头的动态特性。通过对双摆头结构进行锤击实验及模态分析，得到了结构的8阶典型模态的模态参数；通过对机床一主轴一刀具系统进行锤击实验及切削动力学仿真，预测了两把铣刀的颤振稳定域，得到了可用的切削参数范围。上述结果可以为实际生产中切削参数的选择及机床的后续改进提供技术指导。

参考文献：【1】刘强，尹力．一种面向数控工艺参数优化的铣削过程动力学仿真系统研究[J]．中国机械工程，2005，16(13)：1146—1149.

【2】倪向阳，张建润，彭文．高架桥式五坐标龙门加工中心整机动特性分析[J]．精密制造与自动化，2005(1)：24—26.

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【6】ALTINTAS Y．Manufacturing Automation[M]．CambridgeUniversity Press，2000.

【7】刘强，李忠群．数控铣削加工过程仿真与优化[M]．北京 ：航空工业出版社，2011新兴金特钢铁成功研制全自动液压加油设备经过不断摸索实验，新兴金特钢铁公司成功研制出了全自动液压加油泵设备，该技术有效克服了普通加油设备加油速度缓慢、加油质量差 ，继而影响正常生产的难题。

在钢铁行业，对高炉泥炮和开口机的日常维护中，准确及时加油非常重要。但 日常生产作业中，为这些设备加油只能利用高炉出完铁的间隙进行加油，否则将影响正常生产秩序。此前，原有的气动干油泵压力较小、加油速度缓慢，不能在短时间内完成为泥炮和开口机加油，继而不能起到很好的润滑作用，不但影响正常生产且对这些设备的关键部位磨损较大，导致物料消耗成本升高。

研制成功的新型全自动液压加油设备很好地解决了这一问题。该自动加油设备由液压站、润滑油腔、液压油缸、加油桶等组成。加油过程中，操作人员通过启动液压站带动润滑油腔的活塞杆做往复运动，继而利用润滑油腔的自吸原理 ，将油桶中的润滑油吸入腔内，打入加油系统，从而完成整个加油过程。

此举不仅提高了加油效率，且降低了设备磨损率，在当前严峻的钢铁形势下，均为公司降本增效做出了积极贡献。 (内容来源：中国钢铁现货网)