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摘要：在数控系统中，为了保证进给单元的进给精度，必须采用全闭环控制系统，因此反馈检测环节是必不可少的。反馈检测元件本身的误差和被检测量的偏差很难区分，反馈检测元件的动态精度常常严重影响反馈检测的精度。现在PCB数控钻机的电主轴转速可以达到20万转/分钟，电主轴提供了高频激励源，此高频振源影响了反馈检测元件的动态精度。本文使用LMS振动测试系统及模态分析方法，解决了机床精度检测元件的高频共振问题。
关键词：振动测试与分析,动态性能,高频共振
中图分类号:TG502.114
1. 引言
PCB (印制电路板)多轴数控钻机是印制电路板精密孔位加工中关键的工艺装备。精度高（±0.02mm）、速度快（75m/min）、孔小（Φ0.1mm）而多己成为新一代PCB数控钻机发展和提高面临的主要难题。要实现高速一般都要结构轻型化，而轻型化导致机械系统的固有频率下降，而高速就意味着激振频率提高，这就让机器很容易进入共振区工作。所以对于高速、高精、高稳定性的机械设备，设计过程中的振动和模态分析就变得极为重要。
2. PCB多轴数控钻机介绍
PCB数控钻机（如图1所示）是典型的光机电一体化产品。它以数控技术为基础，借助机床X, Y, Z三个坐标系统协调运动，当X, Y轴快速准确地到达目标位置时，控制系统发出指令，Z轴执行机构进行钻孔操作，从而实现精密孔位加工。 （图片）
图 1 PCB多轴数控钻机结构图 光栅尺作为伺服控制环节中检测反馈的工具，其分辨率高达0.1μm。光栅尺的读数反馈给控制器，控制器根据此反馈数据发决定设备的下一步动作。因此，光栅尺安装件的动态性能直接影响光栅尺的读数，进而影响电机的动作，影响机床的动态性能。
PCB数控钻机X轴向光栅尺安装在光栅尺游动座上，光栅尺游动座通过X向滑块转接板与Z轴底板固定在一起，因此光栅尺游动座、X向滑块转接板的动态性能直接影响光栅尺的读数。（图片）
图2 机床Z轴装配图 现在PCB数控钻机的高速电主轴转速可达200000r/min以上。其工作转速如表1所示。表1： 电主轴工作转速
（图片）电主轴作为一个高频激励源，其激振频带广，几乎覆盖了3000Hz以下的所有频带。一般机械系统的模态频率都在其激励频带范围内，这对机械系统的动态性能是一个很大的威胁。
3. 振动测试与分析
3.1 振动响应测试与分析
PCB数控钻机电主轴转速为9万转/分钟时，X轴向电机发出刺耳的声音，经振动测试得知，X轴向光栅尺游动座在985Hz和1467Hz附近频带存在较大振动（如图3所示）。（图片）
图3 游动座的振动响应谱（X 轴向） 3.2 锤击法求频响函数
利用LMS SCADAS Ⅲ 数据采集系统和数据处理软件LMS Test.Lab，对机床Z轴装配体进行锤击振动测试。由力锤敲击产生激励信号，机械系统在激励信号的激励下产生振动，采集输入到机械系统的力信号，以及机械系统的响应信号（加速度信号），由激励信号以及响应信号得到机械系统的频响函数，根据频响函数可以进行模态参数识别，得出机械系统的模态频率、振型、阻尼比等模态参数。
从频响函数（如图4所示）看出，机械系统在930Hz和1370Hz附近有两个峰值，电主轴9万转对应的激励频率是1500Hz。从以上分析可以得出，由于游动座的自身模态被激励而引起的振动导致了光栅尺读数出现误差，才引起电机啸叫。
（图片）
图4 频响函数
锤击主轴夹一侧，测试游动座及X 向滑块转接板的响应（X 轴向）
红色：游动座的频响函数；绿色：X向滑块转接板的频响函数 4、光栅尺游动座的设计改进及有限元模态分析
对光栅尺游动座进行装配状态下的有限元模态分析，分析时只在连接部分施加约束，X轴向自由、其它方向约束。仿真结果表明，游动座原有设计结构件的第2阶模态频率与电主轴9万转的激励频率相近，容易受到激励而产生共振，因此要改进设计。考虑到电主轴的最高转速是18 万转，对应的频率是3000Hz，为了避免共振的发生，应将光栅尺游动座的模态频率提高到3000Hz以上，结构件改进前后有限元模态分析结果如表2所示。表 2 光栅尺游动座结构改进前后有限元模态分析
（图片）5、改进后的振动响应
由测试曲线（如图5所示）可以看出，振动幅值减小到改进前的1%左右，电机啸叫问题得到了解决。（图片）
图5 改进后游动座的振动响应谱（X轴向） 6、结论：
本文使用LMS振动测试系统，对机床光栅尺游动座进行了工作状态下的振动响应测试和锤击激励下的模态测试，找到了机床结构件共振原因，并使用有限元分析手段对改进的结构件进行了模态分析，避开了机床的工作频带。
5/9/2011
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