模態(tài)分析技術(shù)在機床設(shè)計中的應(yīng)用價值分析論文

　　0 前言

　　隨著國內(nèi)重工業(yè)行業(yè)的不斷發(fā)展，國內(nèi)對與高精度、高效率的數(shù)控機床的需求也在不斷增加。因此數(shù)控機床在設(shè)計階段就要盡可能的減小其變形，進而要求設(shè)計者對設(shè)計模型要有準確的分析過程，為機床的生產(chǎn)和使用打下基礎(chǔ)。而對于機床動力學性能的主要分析內(nèi)容便是模態(tài)分析，機床的模態(tài)直接反映了機床的加工性能。隨著理論的不斷成熟，實驗模態(tài)方法被廣泛的應(yīng)用于機床設(shè)計過程中。

　　1 模態(tài)分析起源與發(fā)展

　　模態(tài)分析是近年來出現(xiàn)的一種針對結(jié)構(gòu)動力學問題進行研究的新方法，它的主要內(nèi)容是將系統(tǒng)的辨別方法應(yīng)用于工程振動的領(lǐng)域內(nèi)。所謂模態(tài)是指機械結(jié)構(gòu)在其固有振動中表現(xiàn)出來的特性，對于結(jié)構(gòu)固有振動中的每個振動模態(tài)都有其一一對應(yīng)的振動頻率即固有頻率、阻尼比以及其對用的振動方式即振型。通過大量的計算或者實驗分析可以獲取到結(jié)構(gòu)的這些模態(tài)參數(shù)，而我們定義的模態(tài)實驗指的就是這些計算或者實驗分析過程，若是通過有限元計算的方法得到這些模態(tài)參數(shù)的，就將這個過程稱為計算模態(tài)分析;除了計算模態(tài)分析還有實驗模態(tài)分析，所謂實驗模態(tài)分析是指模態(tài)參數(shù)的獲得是通過實驗獲得的，實驗過程中則通過實驗參數(shù)的識別將采集的系統(tǒng)輸入與輸出信號進行分析獲取。

　　實驗模態(tài)技術(shù)源于20世紀30年代提出的將機電進行比擬的機械阻抗技術(shù)。由于當時測試技術(shù)及計算機技術(shù)的限制，它在很長時期內(nèi)發(fā)展非常緩慢。到20世紀50年代末，該技術(shù)僅限于離散穩(wěn)態(tài)正弦激振方法。60年代末，計算機技術(shù)飛速發(fā)展使得實驗數(shù)據(jù)梳理和數(shù)值計算技術(shù)出現(xiàn)了嶄新的面貌，模態(tài)分析得到快速發(fā)展而日趨成熟。從80年代中期到90年代，模態(tài)分析技術(shù)在各個工程領(lǐng)域得到普及和深層次運用，尤其是在解耦股性能評價、結(jié)構(gòu)動態(tài)修改和動態(tài)設(shè)計、故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測以及聲控分析等方面的應(yīng)用研究異�；钴S，取得了豐碩的研究成果。1947年KenDedy和Pancu在論文中提出了用來精確地確定航空結(jié)構(gòu)的固有頻率和阻尼比的敘述方法，此方法沿用多年，直到流失年代測量和分析技術(shù)的迅速發(fā)展，為更精密的測量和更有效且廣泛的應(yīng)用鋪平了道路。1963年，畢曉普和克拉德威爾的.論文中描述了實驗模態(tài)原理的現(xiàn)狀，其理論大大超出了當時的實驗水平。同時期，salter所著的書中從完全不同的觀點提出用非解析方法來處理測量數(shù)據(jù)。到1970年，傳感器、電子學和數(shù)學分析等方法都有了重要的發(fā)展，從而建立了目前的實驗模態(tài)分析技術(shù)。目前，模態(tài)分析技術(shù)已經(jīng)成為一門重要的工程技術(shù)。

　　2 模態(tài)測試技術(shù)

　　模態(tài)分析技術(shù)得以進行時依賴于測試技術(shù)的發(fā)展。一般來說，振動測量方法可分為兩類。第一類是僅測量響應(yīng)電平，這種方法有一個缺陷，即不能判斷出大響應(yīng)電平的產(chǎn)生原因，其產(chǎn)生可能是由于大激勵力或者力矩，也有可能由結(jié)構(gòu)共振所致。第二種方法是同時測量輸入輸出。在振動測試中，頻響函數(shù)的測試方法一般可分為單點激勵和多點激勵兩種，前者是對結(jié)構(gòu)的某一點激勵，同時測量所有點的響應(yīng);后者是對結(jié)構(gòu)的某些點激勵，同時測量各點的響應(yīng)。振動測試系統(tǒng)一般由以下三部分組成：激振部分、拾振部分、分析、顯示、記錄部分。激振系統(tǒng)包括了信號源，功率放大器和激振器。常用的激勵信號有正弦、隨機、瞬態(tài)和周期等。信號源產(chǎn)生的信號十分微弱，所以需要用功率放大器來放大激勵信號，激振器是用來產(chǎn)生激勵的裝置。常用的激勵方式有兩種：錘擊激勵法和激振器激振法。錘擊激勵的方法是對被測結(jié)構(gòu)用力錘施加一個已知的輸入力，該力錘帶有力傳感器，使用加速度傳感器測量出各個測點的響應(yīng)，利用軟件的頻響函數(shù)分析模塊計算頻響函數(shù)數(shù)據(jù)，并且利用一定的模態(tài)參數(shù)識別方法得到結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。錘擊激勵法又有兩種方法：單點激勵法和單點拾振法。錘擊激勵法的優(yōu)點是不給待測結(jié)構(gòu)附加任何質(zhì)量不會影響結(jié)構(gòu)的動特性;適用于質(zhì)量較輕、比較剛硬的結(jié)構(gòu);實驗操作簡單。

　　3 實驗模態(tài)在機床設(shè)計中的應(yīng)用與過程

　　模態(tài)分析所尋求的最終目標在于改變按機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)有經(jīng)驗、類比和靜態(tài)設(shè)計方法為動態(tài)優(yōu)化設(shè)計方法，對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行是識別、分析和評價，找出問題，并進行優(yōu)化設(shè)計。隨著現(xiàn)代工業(yè)對工藝的要求越來越高，高速高精度高生產(chǎn)率成為現(xiàn)代機床的普遍要求。實現(xiàn)這一要求，就必須保證機床結(jié)構(gòu)具有良好的動態(tài)特性。實驗模態(tài)分析技術(shù)是研究結(jié)構(gòu)動力特性的一種近代方法，他通過模態(tài)分析理論、系統(tǒng)辨識理論把理論分析與動態(tài)測試結(jié)合起來，具有很高的使用價值。

　　實驗模態(tài)分析技術(shù)應(yīng)用于機床行業(yè)，主要目的是改進機床的動態(tài)性能及為優(yōu)化設(shè)計提供客觀的實驗數(shù)據(jù)，其應(yīng)用主要有以下三個方面：

　�。�1）改善產(chǎn)品的抗振性能;

　�。�2）實驗模態(tài)與理論模態(tài)分析相結(jié)合的組合結(jié)構(gòu)分析;

　　（3）結(jié)構(gòu)動力修改。

　　實驗模態(tài)經(jīng)常使用的實驗模態(tài)分析系統(tǒng)是LMS Test. Lab 。LMS Test. Lab是一整套的振動噪聲實驗解決方案，是高速多通道數(shù)據(jù)采集與實驗、分析、電子報告工具的完美結(jié)合。LMS Test. Lab在模態(tài)實驗上的應(yīng)用十分成熟，LMS的模態(tài)分析解決方案還支持LMS Poly MAX模態(tài)識別技術(shù)，以及自動模態(tài)參數(shù)選擇（AMPS）功能，可以在數(shù)分鐘內(nèi)自動地提取高品質(zhì)模態(tài)模型。AMPS功能可以系統(tǒng)地確保獨立于用戶的分析結(jié)果，并且與其它方法相比較能夠更快地提取模態(tài)模型參數(shù)。這樣極大地提高了模態(tài)分析的可靠性、整體質(zhì)量和分析速度。一般進行實驗模態(tài)分析的步驟主要如下：

　　（1）了解機床的結(jié)構(gòu)特點和存在的問題，并進行實驗前的分析;

　�。�2）確定實驗方案，選擇測點的位置;

　�。�3）根據(jù)確定的測點位置進行實驗模態(tài)建模;

　�。�4）測試完畢后根據(jù)測試結(jié)果，對測試不好的結(jié)果進行補測。

　　模態(tài)實驗中的激振方法主要有力錘激振法和激振器激振法，機床的模態(tài)實驗常用的激勵方法是力錘激勵法，使用的拾振方式是單輸入多輸出方式，即一點錘擊激勵、多點拾振的方法。而測點（或響應(yīng)點）的布置要注意以下幾點：

　�。�1）基本反映機床結(jié)構(gòu)輪廓;

　　（2）在結(jié)合面處的兩個部件都應(yīng)該布置測點;

　�。�3）在能夠反映機床結(jié)構(gòu)輪廓的前提下，盡量選擇能夠在XYZ三個方向都容易安裝傳感器的點;

　�。�4）保證所關(guān)心的結(jié)構(gòu)點（如在結(jié)合面處的點）在所選的測點之中。

　　4 結(jié)論

　　本文通過對模態(tài)分析的基本原理及其發(fā)展過程（下轉(zhuǎn)第139頁）（上接第88頁）的介紹，結(jié)合實驗模態(tài)的原理及其分析應(yīng)用系統(tǒng)，主要說明了機床設(shè)計過程中模態(tài)分析的內(nèi)容及實驗模態(tài)分析過程中的基本步驟及需要注意的問題，為機床設(shè)計過程中必要的動力學分析及測試提供了理論基礎(chǔ)。

　　【參考文獻】

　　楊蕭，唐恒齡，廖伯瑜.機床動力學.北京：機械工業(yè)出版社，1983.

　　劉曉東.精密機床的實驗模態(tài)分析.昆明：昆明理工大學，2009.

　　方珠芳.MGK7350平面磨床的實驗模態(tài)分析與磨頭部件的結(jié)構(gòu)改.杭州：浙江工業(yè)大學，2010.

　　楊景義，王信義.實驗模態(tài)分析.北京：北京理工大學出版社，1990.

　　周傳榮，趙淳生.機械振動參數(shù)識別以其應(yīng)用.北京：北京理工大學出版，1990：1-5.