基于模态分析优化人机界面振动工装.pdf

412023,61(10)总第7 10 期机械制造装备基于模态分析优化人机界面振动工装吕干傅立丰徐小兵陆钰靳光磊施耐德电气有限公司上海分公司上海201203摘要：对六面体铁制工装和T形铝制工装两种常用振动工装的架构进行模态分析，结合分析结果，基于T形铝制工装，对人机界面振动工装进行优化。通过加装铁板、改变开口尺寸、改变加装铁板厚度，进行模态分析，并进行振动测试验证。关键词：人机界面振动工装模态分析优化中图分类号：TH122文献标志码：A文章编号：10 0 0-49 9 8(2 0 2 3)10-0 0 41-0 5Abstract:The modal analysis of the structure of hexahedral iron tooling and T-shaped aluminum toolingwas carried out.Combined with the analysis results,the human-machine interface vibration tooling was optimizedbased on T-shaped aluminum tooling.By installing iron plate,changing opening size,varying thickness of ironplate,the modal analysis was carried out,and the vibration test was carried out for verification.Keywords:Human-machine InterfaceVibration ToolingModal AnalysisOptimization1优化背景人机界面广泛用于工业控制领域。面对各种复杂的工况，人机界面在使用中会出现机器安装松脱、白屏、通信中断等故障。这些故障的产生很大比例与前期设计有关，所以在产品开发中，需要进行严格的操作环境模拟测试，即振动测试。为了最大程度减少产品振动测试的干扰，需要设计合理的工装。部分设计模型基于静力学分析满足结构强度，但是在动力学方面存在一定的设计不足。笔者基于有限元模态计算结果及试验验证，对人机界面振动工装进行分析和优化，提供一种振动工装的设计方法。2常用振动工装架构模态分析模态分析主要用于计算结构的振动频率和振动形态，判定在一定振动激励下是否发生共振。六面体铁制工装如图1所示。这类架构采用六个面板焊接而成，工装制作工艺复杂，整体笨重。T形铝制工装如图2 所示。这类架构由一个底板、一个立板及两个支撑板组成，采用螺栓安装，工装制作相对简单，质量较轻。建立两种工装的三维模型，去除圆角等细小的结构特征。借助CREO有限元模块导人模型，赋予零件材料属性。属性设置如图3所示。由于模型形状较为简单，因此采用混合网格自动划分。网格划分如图4所示。接合面分别处理为局部刚性连接和整面焊接。面板面板面板一图1六面体铁制工装立板支撑板支撑板底板图2T形铝制工装图3属性设置422023,61(10)总第7 10 期机械制造装备图4网格划分在有限元仿真软件中，对两种工装模型的前12 阶固有频率及振型进行仿真计算。六面体铁制工装模态分析如图5 所示。六面体铁制工装的一阶固有频率为37 6.6 Hz，振型为垂直于立方体六个面前后方向的振动。Mode1(376.64 Hz)Mode2(400.68Hz)Mode3(409.67 Hz)Mode4(416.05 Hz)Mode5(462.27 Hz)Mode6(474.34 Hz)A图5六面体铁制工装模态分析T形铝制工装模态分析如图6 所示。T形铝制工装的一阶固有频率为2 18.1Hz，振型为垂直于立板前后方向的扭动。Mode1(218.12 Hz)Mode2(399.82 Hz)Mode3(556.75 Hz)Mode4(578.91 Hz)Mode5(743.23 Hz)Mode6(761.18 Hz)图6六面体铁制工装模态分析3工装测试验证对于工装测试条件，依据EN/IEC61131-2标准，正弦振动扫频为0 15 0 Hz，加速度为2 g，g 为重力加速度，振动激励施加在垂直于板面的方向。振动发生器发出0 15 0 Hz的正弦振动，通过测试工作台施加至工装上。工装上的振动传感器采集振动信号，通过软件计算显示，得到振动加速度波形。六面体铁制工装测试如图7 所示，结果如图8 所示。T形铝制工装测试如图9所示，结果如图10 所示。振动发生器振动传感器汽测试工作台图7六面体铁制工装测试3.0g2.5g2.0g1.5g1.0g0.5g0020406080100120140160频率/HzA图8六面体铁制工装测试结果振动发生器振动传感器测试工作台图9T形铝制工装测试3.0g2.5g2.0g1.5g1.0g0.5g0020406080100120140160频率/HzA图10T形铝制工装测试结果从两种工装的测试结果可以看出，在0 15 0 Hz的正弦扫频振动条件下，工装上响应的振动振幅相等，并且没有发生共振现象。理论分析中，两种工装架构的一阶固有频率皆在2 0 0 Hz以上，与试验结果一致。因此，在15 0 Hz以内正弦振动，两种工装架构都不会产生共振，不会影响产品的振动测试。432023,61(10)装备4振动工装优化结合上述分析结果，从轻便和经济性出发，笔者选择T形铝制工装架构进行进一步分析，分析分为加装铁板和改进开口尺寸两方面。4.1加装铁板T形铝制工装架构上安装36 0 mm280mm2mm固定安装板，开口尺寸为110.2 mm80mm。加装铁板T形铝制工装模态分析如图11所示。一阶固有频率为6 8.6 Hz，振型为安装板垂直方向振动。Mode1(68.61 Hz)Mode2(111.25 Hz)Mode3(141.44Hz)Mode4(150.61Hz)Mode5(217.83Hz)Mode6(257.12 Hz)图11加装铁板T形铝制工装模态分析五阶固有频率下振型如图12 所示。五阶固有频率为2 17.8 Hz，振型在该频率下显示为整体前后振动。图12加装铁板T形铝制工装五阶固有频率下振型由此可以看出，安装铁板是振动工装设计的薄弱环节，决定了工装振动特性。4.2改进开口尺寸T形铝制工装架构上改进固定安装板开口尺寸为192mm132.5mm。第一种改进开口尺寸T形铝制工装模态分析如图13所示。一阶固有频率为7 7.8Hz，振型为安装板垂直方向振动。五阶固有频率下振型如图14所示。五阶固有频率为2 16.8 Hz，振型在该频率下显示为整体前后振动。T形铝制工装架构上改进固定安装板开口尺寸为255mm185mm。第二种改进开口尺寸T形铝制工装模态分析如图15 所示，一阶固有频率提升至92.4Hz。机械制造总第7 10 期Mode1(77.78 Hz)Mode2(104.23 Hz)Mode3(140.77 Hz)Mode4(145.00Hz)Mode5(216.80Hz)Mode6(245.76 Hz)图13第一种改进开口尺寸T形铝制工装模态分析A图14第一种改进开口尺寸T形铝制工装五阶固有频率下振型Mode1(92.40 Hz)Mode2(98.46Hz)Mode3(153.65 Hz)Mode4(156.40 Hz)Mode5(217.20 Hz)Mode6(244.21 Hz)A图15第二种改进开口尺寸T形铝制工装模态分析五阶固有频率下振型如图16 所示。五阶固有频率为2 17.2 Hz。A图16第二种改进开口尺寸T形铝制工装五阶固有频率下振型T形铝制工装一阶固有频率与开孔比例关系如图17 所示。由图17 可见，开口长度与安装板长度比值越大，共振频率越高，振动特性越好。2023,61(10)44总第7 10 期机械制造装备10092.48882884577.868.630201000.0730.2220.2950.3680.4410.5140.587开口长度与安装板长度比值图17T形铝制工装一阶固有频率与开孔比例关系5优化后振动测试验证搭建振动测试试验台，对T形铝制工装架构安装360mm280mm2mm固定安装板，开口尺寸为2 5 5mm185mm进行振动测试。振动测试试验台如图18所示，振动测试波形如图19 所示，得到一阶固有频率为9 2.5 Hz，仿真结果为9 2.4Hz，误差为0.1%，基本一致。测试工作台信号采集控制系统振动发生器图18振动测试试验台10.0g(92.5,4.74)1.0g0.1g057102030 4060100150频率/Hz0150Hz正弦扫频下采集工装的振动信号图19振动测试波形6改进安装板板厚在T形铝制工装架构上安装不同板厚的固定安装板，平面尺寸为36 0 mm280mm，开口尺寸为2 5 5 mm185mm。不同安装板板厚对应的一阶固有频率及振型见表1。安装板板厚与T形铝制工装一阶固有频率关系如图2 0 所示。板厚与一阶固有频率呈现正相关关系，板厚达到3.5 mm时，一阶固有频率超过测试最高频率(150 Hz)。表1不同安装板板厚对应一阶固有频率及振型板厚/mm一阶振型-阶固有频率/Hz2.5115.53135.33.5154.1180154.1160135.3140115.512092.41008060402001.752.002.252.502.753.003.253.503.75安装板板厚/mm图2 0安装板板厚与一阶固有频率关系7结束语六面体铁制工装和T形铝制工装架构固有频率均高于2 0 0 Hz，对人机界面振动测试没有影响。从制作成本、结构复杂程度考虑，优先选择T形铝制工装。安装板是影响振动的最大因素。经试验验证，安装板板厚越大，共振频率越高。开口长度与安装板长度比值越大，共振频率越高。采用合适的板厚及开口长度与安装板长度比值，可以提高共振频率，避免测试过程的剧烈振动。（下转第5 3页）532023,61(10)总第7 10 期机械制造岚）（编辑A上接第44页）东尔（编辑收稿时间.2 0 2 3-0 5A试验检测7结束语笔者对基于脉振正弦波注人法的位置估算方法进行研究，为解决滤波器对系统动态性能影响的问题，提出了一种位置估算优化方法，使用两个广义二阶积分器代替传统位置估算环节中的带通滤波器和低通滤波器。仿真与试验结果表明，估算优化方法能够减小位置估算时的最大位置误差，改善系统的动态性能。参考文献1GAO Q,SHEN S L,WANG T L.A Novel Drive Strategy forPMSM Compressor C/2010 International Conference onElectrical and Control Engineering,Wuhan,2010.2王庆超.永磁同步电机转子角度偏差对驱动系统性能的影响J.机械制造，2 0 19,5 7（12）：2 7-2 8.3HOLTZ J.Sensorless Control of Induction Motor Drives J.Proceedings of the 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4作者简介：吕干（1990 一），男，工程师，主要研究方向为工业人机界面产品设计开发；傅立丰（197 7 一），男，高级工程师，主要研究方向为工业产品设计开发。