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摘要：電主軸是高速機床的關鍵部件。應用多參考點最小二乘復頻域法對五軸聯動雕銑機床電主軸進行模態分析，通過對比計算模態與試驗模態，驗證有限元模型的合理性，為電主軸結構的優化設計提供理論支持。

關鍵詞：機床；電主軸；模態分析；多參考點最小二乘復頻域

1研究背景

主軸系統是高速機床的關鍵部件，對機床的加工精度和穩定性起決定性作用。筆者研究的五軸聯動雕銑機床，采用內裝式主軸電機一體化的主軸單元，即內裝式電機主軸，簡稱電主軸［1］。該機床主要應用于小刀具精密加工領域，主軸轉速可達24000r/min。當主軸以超高速運轉進行實際切削加工時，容易引發整個系統共振，加劇刀具磨損或破損，增大機床導軌的動態載荷，從而降低整機壽命，且無法保持機床的精度［2］。同時，動態切削力也會引起機床的受迫振動，從而影響工件的加工精度和表面質量。因此，對電主軸結構進行動力學分析是非常必要的，模態分析法就是一種非常有效的動力學分析方法。筆者利用模態參數識別的新技術———多參考點最小二乘復頻域（PolyMAX）法對五軸聯動雕銑機床電主軸進行模態試驗與分析，研究其動力學特征，將試驗結果和有限元模態分析結果進行比較，驗證有限元模型的有效性，為結構優化設計提供依據。

2試驗模型和測點配置

模態試驗與分析時，通過激勵設備對機械結構進行激振，測量系統的激勵和振動響應信號，處理相關數據，擬合曲線，識別參數，計算出決定結構動力學特征的模態參數，包括模態頻率、模態阻尼比、模態振型、模態參與因子、模態質量、模態剛度和模態阻尼矩陣［3］。模態參數能夠直觀、準確地反映系統的動態特性，具有簡明、直觀和物理概念清晰等優點，因此常用于結構動態特性分析。筆者在所測電主軸上布置了20個測點，主要根據電主軸系統振型圖中的振動方向和振動薄弱環節來確定測點位置［4］。

3電主軸模態試驗與分析

采用LMS振動、噪聲、模態測試系統，傳感器采用PCB三向加速度傳感器，力錘采用與之配套的PCB力錘。試驗時采用錘擊法單點激振，利用多個頻響函數作整體曲線擬合。支承方式為采用布帶將主軸懸掛起來，使主軸處于自由狀態，這可近似作為一種最佳支承方式，避免環境振動和支承剛度對測試的影響，重復性好。分析軟件采用LMSTest.Lab中的ModalAnalysis與ModalImpact模塊。在建立好試驗裝置后，進行數據采集，并完成數據處理工作。考慮到隨機誤差，對每個測試點分別敲擊五次，對測量數據作線性平均處理，盡量減小誤差，以得到更為準確的頻響函數。

4結論

采用PolyMAX法對電主軸進行了模態試驗與分析，得到了0～3200Hz頻段內的固有頻率及振型，并與對應的ANSYS模態分析結果進行誤差比較，得出理論和試驗模態分析結果基本吻合，驗證了有限元模型的正確性。通過對電主軸進行模態分析，發現主軸一階固有頻率約為211Hz，即在該頻率附近會引發主軸系統共振，對應的工作轉速為12680r/min，機床工作時應盡量避免涉及該轉速。從模態振型圖來看，共振時最大響應出現在主軸后端，容易引起結構磨損。這說明電主軸系統的結構還不太合理，進行需要改進。

參考文獻

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作者：李林1；馬平2 單位：1.廣東白云學院機電工程學院2.廣東工業大學機電工程學院