數(shù)控機床的動態(tài)特性概述_圖文

1、數(shù)控機床的動態(tài)特性概述李凱旋研究機床動態(tài)特性的重要性和必要性現(xiàn)代機床正向高速,大功率,高精度的方向發(fā)展,除了要求機床重量輕,成本低,使用方便和具有良好的工藝性能外,對機床的加工性能要求也愈來愈高。機床的加工性能與其動態(tài)特性緊密相關(guān)。由于受到理論分析和測試實驗手段落后的限制,傳統(tǒng)的機床設(shè)計的主要依據(jù)是靜剛度和靜強度,對機床的動態(tài)特性考慮較少。結(jié)果常常是以較大的安全系數(shù)加強機床結(jié)構(gòu)。導(dǎo)致機床結(jié)構(gòu)尺寸和重量加大。并不能從根本上改觀機床的動態(tài)特性。機床的動態(tài)特性的基本概念機床的動態(tài)性能是指機床運轉(zhuǎn)之后振動、噪聲、熱變形與磨損等性能的總稱。但長期以來主要指的是機床的振動性能,即主要指機床抵抗振動的能力。

2、【1】=振型振型(一階振型,二階變形大小動態(tài)柔度變形的能力。動剛度:動載荷下抵抗變形的能力。靜剛度:靜載荷下抵抗為臨界阻尼系數(shù)為阻尼系數(shù),阻尼比(固有角頻率固有頻率(/1r r ,r/r 2/f f co co n n n n d k 機床結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性參數(shù)主要參數(shù)包括固有頻率,阻尼比,振型,動剛度等。機床的動態(tài)分析主要是研究抵抗振動的能力,包括抗振性和切削穩(wěn)定性,【2】切削自激振的能力切削穩(wěn)定性(機床抵抗主要零件的固有頻率阻尼特性機床的結(jié)構(gòu)剛度振動的能力抗振性(機床抵抗受迫激振力:由回轉(zhuǎn)的不平衡質(zhì)量作為振動系統(tǒng)的振動源產(chǎn)生的周期性簡諧振動。【1】諸乃雄,機床動態(tài)設(shè)計原理與應(yīng)用M上海:同濟大學(xué)

3、出版社,1987:1-3【2】陳雪瑞,金屬切削機床設(shè)計 M 太原: 山西科學(xué)教育出版社, 1988.147-151主要指標(biāo)外力的激勵頻率與物體的固有頻率相等時,物體的振動形態(tài)成為主振型或一階振型。外力的激勵頻率是物體固有頻率二倍時,物體的振動形態(tài)為二階振型,以此類推.機床的動態(tài)特性基本概念抗振性的衡量標(biāo)準(zhǔn)一般用產(chǎn)生單位振動量所需要的激振力表示。切削穩(wěn)定性的衡量標(biāo)準(zhǔn)一般用切削時開始出現(xiàn)自激振動的極限切削寬度來表示。極限切削寬度越大,切削穩(wěn)定性越好。機床的振動類型及消除措施的頻率自激振動(外部激振力平衡導(dǎo)致受迫振動(旋轉(zhuǎn)體的不的固有頻率自由振動(頻率為系統(tǒng)產(chǎn)生振動的原因機床零部件整體振動動部件結(jié)合

4、面間的相對振整機搖晃振動特性分類振動類型機床動態(tài)特性的基本概念1,消除受迫振動的方法主要有:采用隔振措施合理提高機床的動剛度,使受迫振動的頻率與系統(tǒng)的固有頻率遠離。2,自激振動與切削相關(guān),切削用量愈大,切削力愈大,自激振動愈劇烈。方法:改變切削條件,找出機床的主振型及引起該主振型的薄弱環(huán)節(jié),通過增強機床的動剛度或采取減振措施?？梢娞岣邫C床的動剛度非常重要!下面是提高機床動剛度的措施切削力方向盡量使振動方向垂直于變更振型的振動方向(涂層在支承件表面采用阻尼內(nèi)的空腔尼材料填充機床支承件采用泥芯和混凝土等阻阻尼利用好結(jié)合面間的摩擦性改善機床結(jié)構(gòu)的阻尼特基聯(lián)接處的剛度改善構(gòu)件間或構(gòu)件與地筋條合理布置構(gòu)

5、件的筋板和狀及尺寸合理設(shè)計構(gòu)件的斷面形和固有頻率提高機床構(gòu)件的靜剛度321321機床動態(tài)特性的基本概念小結(jié):現(xiàn)階段,研究機床動態(tài)特性及確定機床動剛度的方法主要是通過對實際機床或模型作激振試驗,采用正弦信號,隨機信號,脈沖信號和非周期信號,根據(jù)不同的輸入信號方式,采用不同的分析,測量方法。通過實驗,找到影響動剛度的薄弱環(huán)節(jié),提出改進措施,以改進結(jié)構(gòu)設(shè)計,或安裝有效的減振裝置,從而達到提高機床的動剛度,使機床有較合適的動態(tài)特性的目的。機床動態(tài)特性的研究內(nèi)容機床動態(tài)特性的研究包括動力分析和動力設(shè)計兩部分。條件,跟自激振動有關(guān)切削顫振和爬行的臨界動力穩(wěn)定性(確定產(chǎn)生一定范圍內(nèi)振力的動力響應(yīng)控制在動力響

6、應(yīng)(將受到的激比值模態(tài)振型(兩個振幅的各階固有頻率固有特性(復(fù)雜系統(tǒng)動力分析1,動力分析指在已知系統(tǒng)的動力模型,外部激勵和系統(tǒng)工作條件的基礎(chǔ)上分析研究系統(tǒng)的動態(tài)特性。包括固有特性,動力響應(yīng),動力穩(wěn)定性三方面?！?】2,自激振動:振動系統(tǒng)在一定的條件和運轉(zhuǎn)狀態(tài)下,可能產(chǎn)生自激振動。自激振動主要由系統(tǒng)本身的動力特性所決定的振動,產(chǎn)生自激振動的系統(tǒng)稱為不穩(wěn)定系統(tǒng)。例如,機床在一定的切削條件下,可能產(chǎn)生切削顫振;低速相對運動在一定條件下,有可能產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。【3】杜君文,機械制造技術(shù)裝備及設(shè)計M天津:天津大學(xué)出版社1998,222一224機床動態(tài)特性的研究內(nèi)容對機床結(jié)構(gòu)進行動力分析有兩種手段:1.對機

7、床結(jié)構(gòu)的動力學(xué)模型進行理論分析。2對機床結(jié)構(gòu)進行動態(tài)測試。【4】手段1優(yōu)點:可獲得機床的各種動力特性和動力分析所需的數(shù)據(jù),還可獲得表示該機床機構(gòu)偏離最優(yōu)化涉及到何種程度的指標(biāo),對哪些部件改進,如何具體改進,并且改進后的效果也可以估計出來。缺點:由于機床結(jié)果十分復(fù)雜,不確定因素很多,有些問題從理論到實踐還未得到解決,在研發(fā)過程中,完全依賴理論分析無法滿足實際要求。動態(tài)測試主要應(yīng)用激振響應(yīng)法測定結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性,包括各階固有頻率,各階主模態(tài)振型,結(jié)構(gòu)上有關(guān)點的動柔度頻率響應(yīng)等,應(yīng)用這些數(shù)據(jù)進行分析,找出機床結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié),加以改進。不足:動態(tài)測試只能定型的指出改進設(shè)計的方向,不能定量確定結(jié)構(gòu)改進的程

8、度,改進設(shè)計效果也需要等到新機床制造出來后進行試驗才知道。【4】王世軍,黃玉美.機床整機特性的有限元分析方法J.機床與液壓,2005( 3 :20-22.機床動態(tài)特性的研究內(nèi)容機床的動態(tài)設(shè)計機床的動態(tài)設(shè)計指的是機床的動態(tài)性能在其圖紙設(shè)計階段就能得到預(yù)測和優(yōu)化,從而尋求一種經(jīng)濟合理的結(jié)構(gòu),使其動態(tài)性能滿足預(yù)先給定的設(shè)計要求。包括:CAD/CAE,計算機圖形學(xué),振動理論,有限元,振動測試技術(shù)等?！?】滿足要求修改動力學(xué)模型檢驗是否滿足要求對系統(tǒng)動態(tài)特性仿真建立動力學(xué)模型設(shè)計要求(機床動態(tài)設(shè)計的一般過程動力分析為動力學(xué)的“正”問題,動態(tài)設(shè)計為動力學(xué)的“逆”問題。動態(tài)設(shè)計師比動力分析更為復(fù)雜的問題,盡

9、管理論上已經(jīng)提出了一些動態(tài)設(shè)計的方法,但目前大多數(shù)仍將動態(tài)設(shè)計問題轉(zhuǎn)化為動力分析問題來處理。目前針對機床一般的動態(tài)設(shè)計大多根據(jù)經(jīng)驗和各方面的設(shè)計要求擬出原始的方案進而逐步展開的。【5】王富強,精密機床床身的動態(tài)特性分析與優(yōu)化D.蘭州;蘭州理工大學(xué)2007,06-29機床動態(tài)特性的研究內(nèi)容動態(tài)設(shè)計的基本原則動態(tài)設(shè)計的目標(biāo)是在保證機械系統(tǒng)滿足其功能要求的條件下具有良好的動態(tài)性能,使其經(jīng)濟合理、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、可靠。因此,必須把握機械結(jié)構(gòu)的固有頻率、振型和阻尼比,通過動態(tài)分析找出系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)來改進設(shè)計。動態(tài)設(shè)計的原則是:(1 防止共振;(2 盡量減小機器振動幅度;(3 盡量增加結(jié)構(gòu)各階模態(tài)剛度,并且最好

10、接近相等;(4 盡量提高結(jié)構(gòu)各階模態(tài)阻尼比;(5 避免零件疲勞破壞;(6 提高系統(tǒng)振動穩(wěn)定性,避免失穩(wěn)。具體設(shè)計時,以上述為基本原則,應(yīng)根據(jù)具體設(shè)備的要求,給出動態(tài)設(shè)計指標(biāo)。機床動態(tài)特性的研究內(nèi)容模態(tài)分析相關(guān)概念模態(tài)分析是研究機構(gòu)動力特性的一種近代特性方法。模態(tài)是機械結(jié)構(gòu)的固有振動特性。每一個模態(tài)具有特定的固有頻率,阻尼比和模態(tài)振型。這些模態(tài)參數(shù)可由計算或試驗分析取得,其過程為模態(tài)分析。分析過程由有限元方法得出,稱之為計算模態(tài)分析。若通過試驗將采集的系統(tǒng)輸入與輸出信號經(jīng)過參數(shù)識別獲得,則為試驗?zāi)B(tài)分析。模態(tài)參數(shù)有:模態(tài)頻率、模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)向量、模態(tài)剛度和模態(tài)阻尼等模態(tài)分析的應(yīng)用:1評價現(xiàn)有結(jié)構(gòu)

11、系統(tǒng)的動態(tài)特性。2在新產(chǎn)品設(shè)計中進行結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的預(yù)估和優(yōu)化設(shè)計。機床動態(tài)特性的研究內(nèi)容合建模二者相結(jié)合的方法(綜實驗建模及其分析方法陣分析法(主要采用有限元法矩理論建模及其分析方法1,理論建模及其分析方法是基于結(jié)構(gòu)動力學(xué)原理,根據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案,圖紙和資料等建立起來模擬機床動態(tài)特性的的有限元動力模型而無需依賴已有的機械設(shè)備。優(yōu)點:可經(jīng)濟迅速地達到優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo),把提高機床的動態(tài)特性的問題解決在方案及圖紙設(shè)計階段。缺點:誤差大。2,實驗建模又稱為系統(tǒng)辨識,對機械系統(tǒng)(實物或模型進行激振(輸入,通過觀測到的系統(tǒng)的輸入,輸出數(shù)據(jù),對系統(tǒng)確定一個一個數(shù)學(xué)模型,使這個數(shù)學(xué)模型盡可能精確地放反映系統(tǒng)的動

12、態(tài)特性。優(yōu)點:模型及其動態(tài)特性對機床模擬精度都較高。缺點:投資大,動態(tài)試驗及信號分析數(shù)據(jù)處理過程中都要受到各種隨機噪聲的干擾,測試儀器誤差,各種信號誤差,從而給動態(tài)性能帶來一定誤差。3,綜合建模將有限元分析技術(shù)和模態(tài)分析技術(shù)有機的結(jié)合起來,發(fā)揮各自的長處,以得到能確切反映實際,實用的動態(tài)特性分析技術(shù)。機床動態(tài)特性的研究現(xiàn)狀機床的動態(tài)特性研究主要包括機床分部件和整機的動態(tài)特性分析。整機的動態(tài)特性又是與分部件的動態(tài)特性和結(jié)合面的動態(tài)特性相關(guān)的。國外研究現(xiàn)狀國外的機床動態(tài)分析和動態(tài)設(shè)計領(lǐng)域的研究較多,并在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方面取得了很多的成績。特點如下:【6】(1設(shè)計與分析平行。機床結(jié)構(gòu)設(shè)計的各個階段均有

13、結(jié)構(gòu)分析參與,并且貫穿整個設(shè)計過程。這樣確定的機床結(jié)構(gòu)設(shè)計方案,基本就是定型方案。(2結(jié)構(gòu)優(yōu)化的思想被用于設(shè)計的各個階段。(3大量的虛擬試驗代替實物實驗。國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)對機床的動態(tài)特性研究可按整機分析和部件分析兩個方面歸納如下(1機床整機的研究現(xiàn)狀,在整機建模與分析方面,上交,天大等院校都有一定的研究,提出了整機動態(tài)特性預(yù)測的方法及相關(guān)軟件的研發(fā)。eg:1福州大學(xué)林有希提出整機有限元法,利用靜態(tài)凝聚法和結(jié)構(gòu)技術(shù),大幅度縮減自由度對整機進行建模?！?】楊永亮.基于有限元的車床床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化:D. 大連:大連理工大學(xué)機械系,2006,1-3機床動態(tài)特性的研究現(xiàn)狀2上海交通大學(xué)張廣鵬等運用均質(zhì)梁,集

14、中力量及結(jié)合部單元進行了整機預(yù)測軟件包的研制。3東南大學(xué)毛海軍等利用阻抗匹配法建立了磨床整機的動力學(xué)模型,并進行了實驗驗證。4昆明理工大學(xué)杜奕利用試驗?zāi)B(tài)技術(shù),對MSY7115平面磨床整機結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性進行了模態(tài)分析,并建立了立柱和整機的有限元模型,并對其進行了動態(tài)特性優(yōu)化的改進設(shè)計。梁志強采用理論建模和試驗建模相結(jié)合的方法研究TH6350加工中心整機的動態(tài)特性。5北京機床研究所趙宏林等利用自行開發(fā)的機床整機特性分析軟件包-ANTPOS 軟件包對一臺立式加工中心實現(xiàn)了在圖紙階段預(yù)測其整機綜合特性的目的,并與試驗值進行了比較。6北京理工大學(xué)采用用戶自定義矩陣單元處理機床結(jié)合部的接觸問題,利用I-

15、DEAS Master Series 劃分有限元網(wǎng)絡(luò),主要采用二維殼單元建立了立式加工中心的動力學(xué)模型,并進行了動態(tài)特性分析。機床動態(tài)特性的研究現(xiàn)狀(2機床部件的研究現(xiàn)狀在部件建模與分析方面,研究大多集中在傳統(tǒng)機床的床身和主軸的動態(tài)性能分析和優(yōu)化設(shè)計方面,近年來對精密機床的研究也日漸增多。其中東南大學(xué),天津大學(xué)等對床身進行了大量的研究。1東南大學(xué)機械工程系,利用有限元法對機床床身進行靜、動態(tài)分析,并使用漸進優(yōu)化算法對床身結(jié)構(gòu)進行基于基頻約束和剛度約束的拓撲優(yōu)化,為ESO方法在機床大件結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化中的應(yīng)用做了有益的嘗試。并對床身的隔板厚度對床身的動態(tài)性能進行了研究,對地腳螺栓對床身的動態(tài)性能的影

16、響進行了研究。東南大學(xué)和無錫機床股份有限公司對內(nèi)圓圓磨床M2120A床身結(jié)構(gòu)進行有限元分析,得等到床身前幾階的固有頻率和振型,分析床身的內(nèi)部筋板布置對結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的影響。2天津大學(xué)機械工程學(xué)院利用變量化設(shè)計的技術(shù),將機床的大件結(jié)構(gòu)分割為元結(jié)構(gòu),通過變量化設(shè)計元結(jié)構(gòu),提高整機以及床身動態(tài)特性。機床動態(tài)特性的研究現(xiàn)狀 國內(nèi)機床動態(tài)優(yōu)化設(shè)計的基本思路可歸納為：【7】 1，對機床主要零部件進行CAD三維空間實體建模，建立有限元模型；2，對機床 結(jié)合面問題進行研究，并利用模態(tài)試驗修正其理論模型；3建立整機結(jié)構(gòu)有限元 模型，分析計算結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，使其符合試驗的結(jié)果；4由結(jié)果指導(dǎo)機 床整機和部件優(yōu)化設(shè)計；5利用主動或被動阻尼控制裝置實現(xiàn)在某種激勵下機床 結(jié)構(gòu)的減振設(shè)計；6通過CAD技術(shù)繪制優(yōu)化選型