数控转塔冲床进给系统动力吸振器设计

数控转塔冲床进给系统动力吸振器设计

摘要：木文通过对现有数控转塔冲床进给系统的频率响应分析，找出了冲床横梁振幅最大的

频率点。并针对该频率点处的振型计算出动力吸振器的各项参数，建立了带有动力吸振器的

进给系统模型。对改进的进给系统模型进行频率响应分析，证明了该动力吸振器具有良好的

减振效果。

关键词：数控转塔冲床；动力吸振器；频率响应分析

Abstract:ThroughthefrequencyresponseanalysisofCNCturretpunchpressfeedsystem,the

frequencypointofmaximumamplitudewasfoundout.Theparametersofdynamicvibration

absorberwerecalculatedfbrthevibrationmodesatthefrequencypoint,andthefeedsystem

modelwithdynamicvibrationabsorberwasestablished.Theresultsoffrequencyresponse

analysisoftheimprovedfeedsystemmodelshowedthatthedynamicvibrationabsorberhasgood

dampingeffect.

Keywords：CNCturretpunchpress；Dynamicvibrationabsorber：Frequencyresponseanalysis

数控转塔冲床进给系统在负载较大和X轴溜板位置工况较差的情况下，由于高加加速

度导致振动偏大，振动的衰减时间也较长。为了优化进给系统的动态特性，一般可以从控制

系统和传动结构优化的角度进行研究错误!未找到引用源。。但这些优化手段设计周期较长，

在短时间内难以实现，而且对当前已有的样机无法应用。因此在不修改原有进给系统结构的

基础上，本文通过引入动力吸振器，尝试一种更加实用的进给系统优化方案。

动力吸振器(DynamicVibrationAbsorber,DVA)错误!未找到引用源。作为一种简单易

行的减振手段，在工程实践中得到广泛的应用。其基本原理是：通过在主振系统上附加一个

辅助结构，一般可以简化为由弹簧、阻尼、振子组成的一个单自由度系统。适当的选择动力

吸振器的结构形式、优化匹配其参数，进而改善主振系统的振动传递特性，在振幅较大的频

率范围内减小主振系统的受迫振动响应。

动力吸振器按是否有源，可以分为被动式和主动式两类错误!未找到引用源。。传统的

动力吸振器属于被动式，一经设定，各项参数就固定不变了，仅能够在固有频率附近的频段

内有效。其优点是成本低、结构简单、易于安装。主动式吸振器可以根据主振系的振动状态，

自动调节吸振器的结构参数或振动状态，实现宽频带吸振，从而拓宽吸振器的使用范围，提

高减振效果错误!未找到引用源

1横梁频率响应分析

根据对数控转塔冲床横梁负载工况的分析♦，X轴溜板夹持的板材质量变大时，进给所需

的总时间变长，也即等待衰减的时间变长，这是因为横梁在启停时受到的惯性力也随之增加。

为了更加准确地了解横梁受到激励时Y方向的响应，还需要对其进行频率响应分析错误!未

找到引用源。，找出影响数控转塔冲床横梁动态性能较大的模态振型和固有频率，并对横梁

Y方向动刚度做定量分析。综合动静态分析和动力学分析结果可知当X轴溜板位于远离电机

端时，横梁的动态特性最差，故选定该位置进行分析。

本节采用HyperWorksRADIOSS模块错误味找到引用源。，基于模态直加法对数控转塔

冲床横梁进行频率响应分析。由于板材质量最大为100kg,加速度最大为1g,产生的最大惯

性力为1000N。故而在夹持板材的中间夹头位置处Y方向加载1000N的激励力，如错误!未

找到引用源。所示。我们主要关心横梁低阶模态，频率范围设置为5HZ-85HZ,间隔为O.SHZo

图1频率响应分析激励点示意图

图2中间夹头位置Y方向频率响应结果

如错误!未找到引用源。所示，中间夹头位置Y方向的响应在激励频率为27Hz处出现

一个较大的峰值，振幅为1.02mm,对应该位置工况下横梁在水平面内转动的振型频率。在

30.5Hz处出现的较小峰值是横梁端部振动模态的体现。

针对横梁在水平面内转动的振型，木文设计一款动力吸振器，以抑制频率响应幅值.较

大处的振动。

2动力吸振器设计

2.1动力吸振器设计思路

动力吸振器设计的基础昌定点理论错误!未找到引用源一定点指的岸频率响应函数h

与阻尼无关的特定的点，对于含有阻尼a的振动系统，a=0和a=8的传递函数的交点不

依赖Q。通常定点有两个，不同a的传递函数均经过这两个交点。把这两个定点的高度调整

为等高称为最优同调，而使定点处于曲线最大值位置的。称为最优阻尼。

主振动系统一般为具有许多模态的多自由度系统。其中，我们把对主振动系统，即冲

床横梁性能影响最大，也是我们最关心的一个模态提取出来，将主振动系统等效简化为一个

没有阻尼的、质量为M、刚性为K的单自由度振动系统，作为我们的研究对象。在这个单

自由度系统之上，附加上质量为m、刚度为k、阻尼系数为c的动力吸振器，构成如错误!

未找到引用源。所示的力学模型。主振动系统一般存在阻尼，但正是因为阻尼较小才产生振

动问题错误!未找到引用源。，且冲床横梁主要由两根空心方管焊接而成，因此这里忽略主振

动系统的阻尼来进行动力吸振器的设计。

图3主振动系统上附加了动力吸振器的力学模型

横梁上的激励主要为直接作用在结构上的激振力，在此，假定这些激励具有正弦波的

特征，在错误!未找到引用源。中表示为f(t)=Asin/t。主振动系统与动力吸振器的位移分

别用看和“2表示，则系统的运动方程式为

(MXY+cXi+(K+k)X-cx2-kx2=f

Imx2-cxt-%4-cx2+kx2=0

把激励力写成f=FeW,主振动系统与动力吸振器的位移可以表示为勺=无6川。和

x2=后eWJ町和石为%1和必的复数振幅。求解这个方程组并用无'/F、石/F的形式来表示：

互,、_-ma)2+k-^jca)

F3[(-Ma)2+K'j(^-ma)2+k')-mka)2]+j[-(M+m')a)2+K](ca)')

X7、k+jca)

(z(j[))------------------------------------------------------------(•

F[(-M(D2-i-K}(-m(D2+k')-mka)2]+j[-(M+m')(ji)2+K](ca)')

分子分母同除以(Mm)2,并引入以下各项：

Hn=主振动系统的固有角频率(rad/s)

a)n=y/k/m：动力吸振器的固有角频率(rad/s)

Xxt=F/K：主振动系统的静变形(m)

H=m/M：质量比

f=c/(2mJ2n)：阻尼比

4=3/。“：强迫振动频率比

y=a)n/Qn：固有角频率比

再把复数振幅表示为实振幅与相位的形式，即无=尤，°和石=X2e拉，则有

士I(1一储)2+(2笈)2—

石⑷—J[(1-不)(*一储)一〃产不产+[1-(1+〃)不产(2夕)2

[1-(1+M(2R)(y2-a2)2-[(1--)(1-T)一"2"](20)

~[(1一乃)(产一乃)一"2入2]2+“一(1+〃乂2]2(24)2

{X1，X2，.......,Xj,........,Xn}Tt

与这个固有向量对应的振动模态（3=5）,上的各点速度可以写成

pXi，pX2»pX],—,pXn（m/s）（这里P为系数）

则，系统全体的动能/OH由下式给出

Ttotai=12（四必+m2xf+-?n;x；+-+mnx^

j点的动能

1*.

TJ=qPMj.j

Mg定义为第i阶模态在1点的等价质量，均为其等效刚度，

令Tj=Ttotai，可得

从式（4-9）可以看出：

1）若点j处于模态的最大变形位置，得到的等价质量为最小,

2）若点j处于模态的节点（变形为。的节点），等价质量为无限大。

本文动力吸振器针对横梁溜板在远离电机端位置工况下的约束模态第三阶，即？=3,

根据第二章中的计算结果固有频率力=27.14Hz,那么角频率q=2nft=170.53rad/s.

因为模态变形的比值是一定的，因此可以按照模态变形的比值确定其模态固有向量大小的比

值，针对横梁在水'『面内转动的振型，横梁上任意点的固有向量大小与其到约束位置的距离

成正比。

-«------------------0-------------------->+

D

W-------------------L1=19OO---------><------------------L:=220«-------------->

图4横梁质量分布示意图

如错误!未找到引用源。所示：横梁中间位置到近电机端距离为口=1900mm,到远电

机端距离为l2=2200771771,横梁质量为Mbeam=600kg,近似看成沿釉向质量均匀分布，

长度质量分数力=缶，将横梁沿轴向平均分成八（1+段）段。

其中勺=；Xn=-Xn,Xj=y-Xn=-Xn,p点为横梁上任一点，其坐标为P,j点坐标

yL]n7tjn

为L则

2

Y..f研^beamWZP\即^beam“5712

二M-nS+l)(2-+l)+茨(Q+l)(2加+1)

，产A.%

整理得

3

_/n\2Mbeam(1+昌))

=0.294G)Mbeam

Mjt"⑺3(")(10)

2.3动力吸振器参数计算

根据以下几个准则来确定动力吸振器的安装位置：

1)针对该阶模态制振效果最好。

2)与其他模态不干涉。

3)从实用的角度易于安装和拆卸。

根据在满足最优设计条件时的最大振幅比公式⑺可知，动力吸振器的制振效果取决于

质量比，质量比越大制振效果越好。在动力吸振器质量不变的情况卜.，等价质量最小的位置，

质量比为最大。由(10)式可见，模态质量与该点到约束位置距离的平方成反比，则越接近横

梁端部等价质量越小，故应将动力吸振器安装在尽量靠近横梁端部的地方。由于横梁两侧端

部都有护罩阻挡，而远离电机端部距离中间约束位置更大，所以本文将动力吸振器设计在横

梁远离电机端与中间位置相距/=2000mm处。

根据选择的动力吸振器安装位置，可得2=母=黑智，代入(10)式得等效质量=

j)2zooomm'

180.77kg,故等效刚度勺=%吗/=5256.88N/m.

本文中取4=0.1,则

m=18.08kg

k=434524.96N/m(11)

c=1035.08/V*s/m

此时主振系统的最大振幅比为

3动力吸振器频率响应分析

如错误!未找到引用源。所示，为有限元建模示意图：其中CONM2为质点单元，模拟

动力吸振器质量，而CELAS1为弹簧阻尼单元，模拟动力吸振器的刚度和阻尼，将质点与横

梁方管相连。位置为横梁远中机端横省方管上方，距中间位置2000mm处。各参数按照上

一节的计算结果设置。

图5动力吸振器有限元建模示意图

安装有动力吸振器模型的横梁频率响应曲线如错误!未找到引用源。所示。在该位置安

装动力吸振器后，27Hz处的峰值消失，24Hz处出现一个较为平缓幅值较小的峰。原先30.5Hz

处的峰值变为最大振幅，大小为0.49mm。即X轴溜板中间夹钳位置在各频率激励下最大振

幅为原来的45.4%,减振效果明显。

|*，0，S20S*'gSp954560««80*

图6动力吸振器频率响应

4总结

本文通过对数控转塔冲床进给系统进行频率响应分析，