全 文 ：第 v|卷 第 v期
u s s v年 x 月
林 业 科 学
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精密裁板锯试验模态分析
齐英杰 张兆好
k东北林业大学 哈尔滨 txsswsl
齐晓杰
k黑龙江工程学院 哈尔滨 txssxsl
摘 要 } 以 ≤ttux型精密裁板锯为样机 o对机床的动态特性进行了研究 ∀在研究过程中 o选取了与产品的
表面精度有主要关系的固定工作台 !双滚轮式移动工作台 o并通过锤击法进行实验模态分析 o得到了模态参
数 o从而评估了机床的动态特性 o同时为该机床的动态优化设计提供了坚实的理论基础和可靠的数据 o也为同
类木工机床的动态特性研究提供了有效的途径 ∀
关键词 } 试验模态分析 o精密裁板锯 o动态特性 o模态参数
收稿日期 }usst p ts p u| ∀
ΕΞΠΕΡΙΜΕΝΤΑΛ ΜΟ∆ΑΛ ΑΝΑΛΨΣΙΣ ΦΟΡ ΠΑΝΕΛ ΣΑΩ
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k Νορτηεαστ Φορεστρψ Υνιϖερσιτψ Ηαρβιν txsswsl
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Κεψ ωορδσ} ∞¬³¨µ¬°¨ ±·¤¯ °²§¤¯ ¤±¤¯¼¶¬¶o°¤±¨ ¯¶¤º o⁄¼±¤°¬¦¦«¤µ¤¦·¨µ¶o ²§¤¯ ³¤µ¤°¨ ·¨µ
工程技术发展的实践证明 o传统的静态设计和经验设计方法已经远远满足不了现代工程技术发展
的需要 ∀在飞机 !火箭 !车辆 !船舶 !化工 !兵器和各种机床的研究和设计过程中 o许多技术问题均与它们
的动态特性有关 o因为它们处在动态载荷工作环境中 o因此必须研究它们的动态特性 o预示其动力响应 o
对它们进行动态分析和动态设计 ∀
对机床结构进行动态分析 o首先必须建立足够精确的动力学模型 ∀目前工程技术人员广泛采用有
限元方法作为建模和分析计算的有效工具 ∀但是 o由于实际机械结构比较复杂 o阻尼特性及边界条件的
处理比较困难 o建模时必不可少地加入人为的主观因素 o如对结构的理解和经验等 o使所建立的有限元
模型具有不确定性 o常常要辅之于试验进行验证 ∀模态分析技术是验证和修改有限元模型的主要手段 o
在机床结构的动态分析和动态设计中 o模态分析技术已被工程技术人员采用 ∀
t 试验方法及试验装置
1 .1 试验方法
t qt qt 试验场地与样机 场地选在牡丹江木工机械厂装配车间 o其各种电器设备都齐全 ∀样机选用牡
丹江木工机械厂生产的 ≤ttux型精密裁板锯 ∀考虑到为了研究整机动态特性 o采用了接地支持k现场
支持l形式来进行试验 ∀
由于引起精密裁板锯运转时产生振动的原因很多 o如电机 !皮带 !锯轴 !主锯片 !划线锯片 !轴承等
k李志仁 ot||sl o所有这些部件的振动互相合成和干涉 o再加上机床的安装部件 o这些振动必然要传到固
定工作台表面及双滚轮式移动滑台表面 o而且其振动特点对加工件表面的加工质量影响极大 ∀由此选
定固定工作台 !双滚轮式移动滑台表面作试验模态分析 o主要考查有价值的 方向 o从而来研究整个机
床的动态特性 ∀
t qt qu 测点布置与测振方法 本试验对固定工作台布置了 {w个测点 o如图 t所示 o对双滚轮式移动滑
台布置了 xw个测点 o如图 u所示 ∀由于固定工作台和双滚轮式移动滑台是一种阻尼小的整体结构 o用
力锤作冲击激振 o能够满足测量精度要求 o同时也能缩短测量传递函数的时间 ∀锤击法的主要缺点是激
振能量小 o信噪比低 o为了保证测量精度 o减小误差 o得到较宽的频谱 o我们选用了钢质锤头 o每个激励点
敲击 vs次 ∀为了减少输入及输出端噪声的影响 o使频响函数k传递函数l和相干函数都得到改善 o所以 o
每次测量的测次平均为 ts次k陈守谦 ot||ul ∀
1 .2 试验设备和试验过程
试验采用的仪器设备有 °≤…力锤 !wv{w加速度计 !uyvx电荷放大器 !÷•2xts≤ 磁带机 !‹°vxyu„动
态信号分析仪 !‹°|sss计算机 !‹°zxxs绘图机 !≥≥v1s模态分析软件 !vux示波器 !u|vu„打印机 ∀
试验时采用 ÷•2xts≤磁带机把信号记录下来 o然后用 ‹°vxyu„动态信号分析仪进行分析处理 ∀测
试系统如图 v所示 ∀
图 t 固定工作台测点布置图
ƒ¬ªqt ƒ¬¬¨ §·¤¥¯¨ ° ¤¨¶∏µ¨ §²·¶ ¤¯¼²∏·§µ¤º¬±ª
图 u 双滚轮式滑台测点布置图
ƒ¬ªqu ⁄²∏¥¯¨¬§¯ µ¨º«¨ ¨¯ ³∏¶«·¤¥¯¨ ¤¯¼²∏·§µ¤º¬±ª
试验前检查试验仪器设备是否正常 o测试装置是否存在振动 o仪器接线是否正确 o加速度传感器灵
敏度和电荷放大器是否相适 o检查完毕后就可进行试验 ∀试验开始时 o把加速度传感器固定在测试面
上 o然后用力锤各点依次敲击 o采用熟练的手法控制敲击力的大小 o使电荷放大器和磁带机既不过载又
有较大的幅值k信号l ∀将各测点的响应信号及相应的力信号通过磁带机记录在磁带上 ∀每次测量完后
均应将磁带回放 o通过示波器观察通道的响应及力信号 o如果响应及力信号波形较好 o能量k幅值l较大 o
yut 林 业 科 学 v|卷
则可继续敲击下一点 o否则重新敲击该点 o直到响应及力信号达到要求为止 ∀
图 v 测试系统框图
ƒ¬ªqv × ¶¨·¬±ª¶¼¶·¨° ¥¯²¦®§¬¤ªµ¤°
1 .3 信号处理
信号分析处理框图如图 w所示 ∀
通过 ÷•2xts≤磁带机将测量的力信号和响应
信号送入 ‹°vxyu„ 动态信号分析仪 o该分析仪首
先对力信号和响应信号进行模拟抗混低通滤波 o目
的是去掉分析频率范围以外的高频成份 o同时也避
免信号采样时出现频率混迭 ∀加力窗抑制输入信
号噪声 o加指数窗抑制响应信号噪声 ∀然后根据采
样定理对力信号和响应信号进行采样 o将模拟信号
转换数字信号 o通过 ƒƒ×变换 o求得信号的自功率谱和互功率谱 o进而求得频响函数 ∀对频响函数采用
⊥Ηv 估计 o采用总体平均的办法可有效地消除或降低随机噪声产生的统计误差k采用了 ts次平均l o如果
Ηkφl的共振峰值相干函数在 s1|以上 o即认为该频响函数数据可靠 o遂存入主机 o留作模态分析之用 ∀
如果相干函数达不到要求 o可采用增加平均次数 o选择平均区段等办法来使其达到要求 ∀所有测点的频
响函数存入主机后 o即可调用主机的模态分析程序 ≥≥v1s进行模态分析 ∀ ≥≥v1s提供了丰富的模态
参数识别方法 o由于把系统看成为多自由度系统 o因此 o须用 ⁄’ƒ法 ∀我们选用了 ⁄’ƒ拟合方法中
的正交多项式法 ∀求出固定工作台 !双滚轮式滑台的各阶模态参数后 o可在屏幕上实现动态显示 o如图
x所示 ∀然后用打印机 !绘图机将各阶模态参数及动画图形打印绘制出来 ∀
图 w 分析处理框图
ƒ¬ªqw „±¤¯¼¶¬¶³µ²¦¨¶¶¬±ª¥¯²¦®§¬¤ªµ¤°
u 数据处理结果分析
通过模态参数识别 o获得了前 z阶固定
工作台和双滚轮式移动滑台的模态参数 ∀对
已识别出的振型 o≥≥v1s模态分析软件还提
供了模态安全判据 „≤精度检验 ∀
模态安全判据 „≤ 是两个模态向量
¾7 tÀ和¾7 uÀ的相关系数 o它是介于 s和 t之
间的数值 ∀其原理是 }结构不同模态的振型
是相互正交的 o其相关系数很小 ∀因此求得
的 „≤ 相关矩阵中若对角线元素为 t o非对
角元素很小 o则表明该曲线的拟合精度很高
k„¯ ¯¨ °¤±ªot|{w ~汪凤泉等 ot|{{l ∀
固定工作台识别出来的模态参数见表 tk前 z阶l ∀
双滚轮式移动滑台识别出来的模态参数见表 uk前 z阶l精密裁板锯整机识别出来的模态参数见表
vk前 w阶l ∀
根据前面的数据和振型图 o以及频响函数及相干函数对于固定工作台 o第 t ∗ y阶都为弯曲振型 ∀
对于双滚轮式移动滑台 o第 t阶振型为扭转振型 o第 u阶振型为扭转和弯曲耦合振型 o第 v !w阶振型为
弯曲和扭转耦合振型 o第 x !y !z阶振型为弯曲振型 ∀对于精密裁板锯整机 o床身受迫振动 o对固定工作
台及滑台都有影响 ∀
zut 第 v期 齐英杰等 }精密裁板锯试验模态分析
图 x ≤ttux型精密裁板锯一阶固有频率振型模态示意图
ƒ¬ªqx ²§¨¯ ≤ttux ³¤±¨ ¯¶¤º ©¬µ¶·²µ§¨µ©µ¨ 2¨µ∏±±¬±ª©µ¨ ∏´¨ ±¦¼ °²§¨¯²©√¬¥µ¤·¬²± °²§¤¯¬·¼ ¶¦«¨ °¨
表 1 固定工作台模态参数表
Ταβ . 1 Τηελιστ οφ φιξεδ ταβλε µ οδαλιτψ παραµετερσ
ƒ• ∞±Π‹½ ⁄„°Πh ⁄„°Π‹½
t uw|1uz t1sxw u1yv
u vuw1tu t1s|y v1xx
v vyv1sx s1ywu u1vv
w wxy1|v s1x{s u1yx
x xs|1z{ s1zvv v1zv
y yww1zv t1tuz z1uz
z zvx1ut s1t|{ t1wx
表 2 双滚轮式移动滑台模态参数表
Ταβ . 2 ∆ουβλειδλερ ωηεελ πυση ταβλε µ οδαλιτψ παραµετερ λιστ
ƒ• ∞±Π‹½ ⁄„°Πh ⁄„°Π‹½
t v|1uu u1zuv t1sz
u uxs1xx s1x|v t1w|
v wty1z{ t1ztw z1tw
w w|x1wv t1ty{ x1z|
x xzz1v| s1{{| x1tw
y ywy1x| s1z{z x1s|
z zzs1xz t1ust |1uy
表 3 精密裁板锯整机模态参数表
Ταβ . 3 Πανελσαω χοµ πλετε µαχηινε µ οδαλιτψ παραµετερ λιστ
ƒ• ∞±Π‹½ ⁄„°Πh ⁄„°Π‹½
t tvz1ty s1yy{ s1|u
u usz1vw t1twt u1vz
v vyy1ws s1xz{ u1tu
w wts1|{ s1y{z u1{u
v 结 论
通过试验分析研究 o精密裁板锯的整机振动
固有频率为 tvz1ty ‹½!usz1vw ‹½!vyy1ws ‹½ !
wts1|{ ‹½它们与工频kxs ∗ tss ‹½l相差较大 o因
此该机不会产生共振现象 ∀从这个意义上讲 o
≤ttux精密裁板锯的动态特性还是较好的 ∀
模态分析表明 o固定工作台第ku{l点处 o双滚轮式移动滑台中部的第kzl点处振动量最大 o因此应对
这两处地方进行动态修改 o以减小振动量 ∀由于振动量最大的两点均在电机附近 o所以本文提出 v点动
态修改建议 }加固电机 ~增加传动稳定性 ~减小锯片轴径向跳动 ∀
通过试验模态分析 o该机刚度较大 o能够满足使用要求 ∀
对于精密裁板锯来说 o采用单点多次锤击激振 o固定工作台 t点测得的加速度响应值来研究其动态
特性是行之有效的 ∀同时也为动态设计精密裁板锯提供了可靠的试验数据 ∀
参 考 文 献
李志仁主编 q木工机床结构 q哈尔滨 }东北林业大学出版社 ot||s
汪凤泉 o郑万泔 q试验振动分析 q南京 }江苏科学技术出版社 ot|{{
陈守谦 q机械振动基础与噪声测试技术 q哈尔滨 }东北林业大学出版社 ot||u
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