赵文明，宁平春
（湖南百利工程科技股份有限公司，湖南 岳阳 414007）
摘要：模态试验是研究机械结构动态特性的有效手段，激励点和响应点的选择是模态试验的关键环节。以KVC800立式加工中心为研究对象，通过ANSYS有限元模态分析，获取加工中心的主要振型，以此为依据，确定激振点与响应点的布置方案，并在该方案下开展模态试验，成功获取加工中心主要部件的各阶模态。
关键词：模态试验；激励点；响应点；立式加工中心中图分类号：TP391.7：TG659
0引言
随着机床加工行业的迅速发展，对加工中心的加工性能及加工精度要求越来越高，对加工中心进行动态分析，发现问题并解决问题是提高加工中心的加工性能与加工精度的有效途径。模态试验分析方法是研究数控加工中心动态特性的常用方法，对加工中心结构的动态特性分析有着重要的作用。
在模态试验过程中，激励点以及响应点的正确选择是其关键环节之一。激励点与响应测点布置不仅依赖于工程经验，而且布置规模往往较大，导致试验效率低、成本高。通过理论建模分析的方法研究激励点选择和响应测点布置，可有效提高模态试验分析的效率、降低试验成本，具有重要的工程意义。本文以KVC800立式加工中心整机为研究对象，利用SolidWorks建立加工中心的三维模型，导入ANSYS进行模态分析，得到加工中心的振动特性，结合激励点及响应点的选择原则，确定合适的布置方案，为模态试验的顺利展开提供可靠依据。
1KVC800立式加工中心建模与分析
KVC800是十字滑座移动的立式加工中心。该加工中心结构主要由工作台、床身、床鞍、立柱、主轴箱及刀库6大部分组成，对其建模与分析的具体过程如下：
(1)导人模型：由于机床的床身、立柱、主轴箱都是复杂的薄壁加筋结构，直接在有限元分析软件中建模十分困难，因此，采用常用的三维建模软件Solid-Works进行模型建立，模型建好后再将其另存为“．X-t”格式导人到有限元分析软件中进行振型分析。
(2)设定材料属性：该加工中心的床身、立柱、主轴箱、床鞍和工作台的材料是铸铁，密度为7 300 kg/m3，泊松比为0. 25，弹性模量为135 G Pa;丝杠、丝杠螺母的材料为高性能优质钢，密度为7 800 kg/m3，泊松比为0.3，弹性模量为200 G Pa。
(3)定义接触对：加工中心工作台系统中的滑块通过螺母安装在工作台上，工作台系统的动态性能受到它们之间相互作用的影响较小，可以忽略不计。因此在建模时将滑块和工作台的接触面定义为绑定接触，这样既有利于工作台系统的简化，又可以提高计算效率。同样的，滑块与立柱之间、滑块与床身之间的接触面均定义为绑定接触。加工中心中所有导轨和滑块以及滚珠丝杠和丝杠母座之间的接触类型均定义为不分离接触。在进行切削加工时，导轨和滑块之间本身就是固定连接，丝杠和工作台之间并没有相对运动，这种接触设置是符合实际情况的。
(4)划分网格：该加工中心的床身、立柱、主轴箱、床鞍等结构形状复杂，且均设计有合理的布筋，所以为了减小网格划分的复杂度，在分析中采用自动划分网格的形式。工作台、滑块、导轨、丝杠母座等零部件同样结构较复杂，故也采用自动划分网格的形式。滚珠丝杠在三维建模时被简化成一个圆柱体，所以采用映射划分网格的形式，得到规则的六面体单元。模态分析中没有应力集中现象，不需要考虑网格的疏密分布，所以要求网格尽可能均匀分布。
(5)施加边界条件：模态分析中的边界条件不包括载荷力，所以进行模态分析时，只需对其作位移边界条件限制即可。为了正确地模拟高速加工中心的工况，采用的约束方法是对工作台系统的导轨进行固定约束，对丝杠两端施加圆柱约束；对于床身、立柱上的导轨及丝杠同样分别施加固定约束以及圆柱约束；立柱是通过螺栓垂直安装在床身后部，所以需对立柱底部添加固定约束；主轴箱只做垂向运动，所以在主轴箱滑块面添加给定位移约束，将横向和纵向位移设置为零来约束主轴箱的横、纵向运动。
(6)求解：运用ANSYS Workbench自带求解器进行求解，对装配好的加工中心底面施加固定约束来模拟机床固定在地面上，对其进行振型分析。图1为求解得到的KVC800整机主要振型图。
由图1的3个主要模态振型可以得出：工作台及床鞍的振型变化最大的区域主要分布在工作台两端的4个角点处；床身的振型明显变化部位集中在床身上半部分的前后两个自由端；立柱顶部的振型变化最大；主轴箱的振型最大区域在主轴底部以及主轴箱顶部部位。
2激励点和响应点的布置
激励点的选择应以能有效激发起各阶模态为原则，如果激励点正好选择在结构某阶模态的节点或节线（即模态振型变化为0）上，则该阶模态不能被激发出来，即使激励点在节点或节线附近，该阶模态的振动信号也会很弱，因此，应避免将激励点选在结构模态的节点或节线处。同时，激励点不能选择在较为复杂的部件以及结构的薄弱部位上，复杂的结构会消耗能量，影响能量传递导致模态缺失；薄弱部位结构容易被破坏。对于KVC800立式加工中心，激励点则不应选择在电机、薄壁部件（如主轴箱）和重要零部件（如滚珠丝杠）上。加工中心结构的自由端不受约束，振动变化相对较大，所以不存在模态节点，而且可以保证有足够的激励能量传递到结构的每个部位，得到良好的响应信号。所以，结合有限元振型分析结果，在实际模态试验中，将加工中心分为工作台、床身、立柱和主轴箱4个部位。工作台激励点布置在其振型较大的4个角点中任一角点附近；床身激励点则布置在其振型变化大的上半部位右侧面；立柱部位激励点施加在其振型变化明显的上右侧面；主轴箱部位由于其结构特点，将激励点布置在有较明显振动的底部主轴的圆柱面上。具体激励点位置布置见图2。
根据试验的目的，测量尽可能多的响应点是测点布置的基本原则。然而为获得加工中心整机的动态特性，在所有位置上布置测点显然不现实。首先，传感器本身、与传感器配合使用的数据采集系统和分析处理设备的成本都不低；其次，可用的传感器数量，数据采集系统的通道等也限制了一次试验所能同时采集的响应点数。即使是均匀布点也需要大量的加速度传感器，而且响应测点间的间距难以确定。从经济方面考虑，希望采用尽可能少的传感器进行试验，但响应点数量不足或测点位置布置不当，可能会漏掉模态信息，从而影响模态试验的精度。在进行整机结构模态试验时．响应点应该布置在振动幅值比较明显的位置。本文以有限元分析结果为指导，可以避免大量试验的盲目性。工作台响应点主要布置在其上表面的4个顶点处；床身响应点则分布在其右侧面的4个顶点以及前面上端的两顶点处；立柱响应点主要分布在右侧面四角点和顶部两点；考虑到主轴箱属于薄壁结构，它的响应点则布置在下端主轴的两个圆柱面上，呈900夹角来布置两测点。图3为各部分响应点布置示意图。
3试验模态测试
试验模态分析是通过输入装置对结构进行激励，在激励的同时测量结构响应的一种测试分析方法。从实际试验条件和KVC800立式加工中心自身的结构特点出发，本文试验采用单点分区激励多点响应的锤击法，每个响应点测量3个方向的响应加速度来开展模态试验获得整机完整的模态。
基于图2和图3的激励点和测点布置方案，利用丹麦的B＆K测试系统来开展模态试验，成功获取了KVC800立式加工中心主要部件的典型模态频率如表1所示，验证了激励点与响应点布置方案的有效性。
4结语
基于有限元分析理论，利用ANSYS软件对加工中心整机三维模型进行了有限元振型分析，得到了加工中心的振型变化明显区域，为模态试验的激励点与响应点的布置提供了依据。结合激励点及响应点的布置原则，根据有限元分析所确定的振型分析结果，从中选出各部件的代表性测点，得到有限传感器数量下合适的激励点以及响应点的布置方案，并成功获取加工中心主要部件的各阶模态，验证了激励点与响应点布置方案的有效性。
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