車銑加工中心動態(tài)特性的研究
第3章車銑加工中心動態(tài)特性的仿真與實驗的研究 車銑加工中心需要具有良好的動態(tài)特性和加工精度，以滿足現(xiàn)代 機械加工工藝要求,，因為機床加工過程的穩(wěn)定性和加工精度,，是評估機 床動態(tài)性能的主要指標。機床切削時的振動和變形直接影響加工質(zhì) 量,，因此提高穩(wěn)定性是改善機床動態(tài)性能的主要途徑,。隨著現(xiàn)代設計 方法的廣泛應用，對機床進行振動特性分析,，用動態(tài)設計取代靜態(tài)設計 已成為現(xiàn)代機床設計發(fā)展的必然趨勢?，F(xiàn)代制造業(yè)要求高精度、低粗 糙度的高自動化精密機床,，設法提高機床的動態(tài)性能,，減少和避免振動 的發(fā)生，保證機床在額定功率范圍內(nèi)使用時都不會發(fā)生振動，這是機床 產(chǎn)品的一項重要研究內(nèi)容,。但要使其在各種工況下都具有優(yōu)良的動態(tài) 性能，目前還有較大困難,。除了技術性的問題,，由于生產(chǎn)周期縮短，很 難建立一個物理樣機,，這就導致必須要有一種方法來預測未來產(chǎn)品的 機械性能,。采用虛擬樣機仿真的方法和實驗模態(tài)分析結(jié)構動態(tài)特性， 可以進行優(yōu)化設計,，從而提高產(chǎn)品設計性能,、縮短設計周期^74091。 本章在第2章基礎上分別對機床的關鍵部件和整機進行動態(tài)特性 仿真分析,，然后在仿真結(jié)果基礎上做了相應的實驗以驗證該方法的可 行性,，因此為高檔精工機床的動態(tài)優(yōu)化設計提供參考依據(jù)。其機床車 削主軸和銑刀主軸作為機床的關鍵部件對機床的動態(tài)性能有非常重要 的影響,，關系到機床設計開發(fā)的成敗,。機床的激振特性是動態(tài)特性的 一個重要指標，主要是指其抵抗受迫振動及自激振動的能力,。由于切 削振動頻率往往接近于車削主軸和銑刀主軸部件的低階固有頻率,，可 以認為主軸前端切削部件激振點的動柔度反映r主軸部件的抵抗振動能力。采用理論動力學建模和有限元分析的方法可以實現(xiàn)對機床關鍵 部件的仿真分析,，然后通過虛擬樣機技術對整機進行分析,，預測機床的 動態(tài)性能和實現(xiàn)優(yōu)化設計，因此對車銑加工中心迸行動態(tài)特性仿真和 實驗是非常有意義的,。 3. 1 車銑加工中心動態(tài)特性的研究 機床的動態(tài)特性是非常重要的,，因為加二過程中機床的振動極大 地妨礙加工精度和生產(chǎn)率的提高。機床的振動將加速刀具的磨損和破 裂,，引起加工表面質(zhì)量惡化,，并有可能引起機床主軸支撐軸承的損壞。 機床動態(tài)特性的優(yōu)劣主要是從機床結(jié)構抗振性和切削穩(wěn)定性的角度出 發(fā)來分析,，用傳統(tǒng)的動力學分析及優(yōu)化方法對機床的質(zhì)量,、剛度和阻尼 分布進行優(yōu)化或修正，可以在一定程度上改善其動態(tài)性能,，在考慮動態(tài) 因素的結(jié)構修改時,，是以經(jīng)驗和反復實測為主要手段。振動分析作為 動態(tài)分析的一個重要方面已經(jīng)在工程領域中口益被重視,，已經(jīng)成為進 行機械設計,、制造和機器使用過程中不可缺少的內(nèi)容。作為振動工程 理論的一個重要分支，模態(tài)分析或試驗模態(tài)分析為各種產(chǎn)品的結(jié)構設 計和性能評估提供了一個強有力的工具,。其可靠的實驗結(jié)果往往作為 產(chǎn)品性能評估的有效標準,，而圍繞其結(jié)果開展的各種動態(tài)設汁方法更 使模態(tài)分析和諧響應成為結(jié)構設計的重要基礎。 3.1.1機床動態(tài)特性的研究內(nèi)容及方法 機床動態(tài)特性的研究包括了動力分析和動態(tài)設計兩個主要部分的內(nèi)容,。 動力分析就是在已知系統(tǒng)的動力學模型,、外部激振和系統(tǒng)工作條件的基礎上分析研究系統(tǒng)的動態(tài)特性。對機床而言,，其動力分析主要指機床抵抗振動的能力,。和其他的機械結(jié)構一樣，機床振動也是結(jié)構彈性體振動的問題,，研究內(nèi)容包括機床結(jié)構的固有頻率及其相應的振型和強迫振動時的響應等靜,、動態(tài)特性的計算。動力分析問題進行了 58 多年的研究,，已經(jīng)形成了比較完整的理論,，出現(xiàn)了能適用于不同情況的 各種分析計算方法，即使是比較復雜的系統(tǒng),，其動力分析也可以得到比 較準確的結(jié)果,。動態(tài)設計是根據(jù)設計要求，建立系統(tǒng)的數(shù)學模型,，在設 計過程中尋求一個經(jīng)濟,、合理的結(jié)構，動態(tài)優(yōu)化設計比動力分析更復 雜,，但兩者之間是互相聯(lián)系的,。W此，對機床進行動力分析即振動分析 是十分必要的"_8],。 機床結(jié)構動態(tài)特性的研究方法大體可以分為理論研究方法,、實驗研 究方法和理論、仿真,、實驗相結(jié)合的研究方法:理論研究方法是按照設計 圖紙,，建立機床結(jié)構的動力學模型，根據(jù)這個模型進行分析,、綜合和計 算,，邊分析邊改進設計，逐步達到預先給定的設計要求,；實驗研究方法是 對機床的具體機構進行動態(tài)測試,，根據(jù)測試數(shù)據(jù)進行動力分析，找出限 制機床動態(tài)性能提高的薄弱環(huán)節(jié)為改進設計提供依據(jù);兩種相結(jié)合的方 法是以測試數(shù)據(jù)為基礎,，建立機床結(jié)構的力學模型,，再根據(jù)這個力學模 型進行動力學分析和動力學設計,，這樣做可以預測改進設計的效果，有 效地達到改進設計的目的,。下面就這三種方法進行簡單介紹,。 (1)理論研究方法:這是早期的理論研究方法，是用簡單梁元素連 接集中質(zhì)量,，建立機床結(jié)構動力學模型的方法,，并計算出了與實測值比 較一致的固有頻率和振型。這種方法的問題在于如何用簡笮合理的力 學模型來模擬復雜的機床結(jié)構,，而且在進行復雜結(jié)構的動力學分析時， 精度比較低,。但是,，這樣可以縮短產(chǎn)品的研制周期，降低研制費用,。 (2)實驗研究方法:實驗模態(tài)分析技術是通過系統(tǒng)辨識理論進行 分析的,。模態(tài)分析理論把理論分析和動態(tài)測試結(jié)合起來，實驗模態(tài)分 析技術的發(fā)展推動了出實驗數(shù)據(jù)建立系統(tǒng)動力學模型方法的發(fā)展,，是 一種很實用的技術,。此外，由于實驗只能提供結(jié)構系統(tǒng)有限幾個低階 模態(tài),，并且實驗模型不便于將模態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)化為實際可以修改的結(jié)構尺 寸參數(shù),，因此，單單靠這種方法進行機械結(jié)構的優(yōu)化設計是不現(xiàn)實的,。 (3)綜合研究方法：隨著計算機技術的發(fā)展,，人們將有限元法和模 態(tài)分析技術有機地結(jié)合起來，發(fā)揮各向的長處,，以得到能確切反映實際 動態(tài)特性分析技術,。利用測試得到的較準確的模態(tài)參數(shù)來修正理論模型，使修正后的理論模型能夠確切地模擬結(jié)構的動力特性,，在這樣的動 力學模型基礎上進行分析和優(yōu)化設計,，就能夠充分發(fā)揮理論分析的作 用。在這個基礎上進行仿真,，優(yōu)化和評價其結(jié)構,，最后釆用實驗驗證其 理論和仿真的可行性。所以這種方法是最有效,、最準確的方法,，本章就 采用該方法對車銑加工中心進行動態(tài)特性分析。 3. 1. 2模態(tài)分析原理 車銑加工中心在不同的方向上有多個自由度（MuhiDegree Of Free- dom,，MDOF),，直接對其進行模態(tài)分析比較難,。由于銑刀相對于加工工 件表面之間的振動是非常重要的，因為它影響工件的最終表面質(zhì)量,、被 切除切肩的厚度和激勵機床的切削力,。因此可以先以兩個自由度系統(tǒng) 模態(tài)分析原理為例，然后擴展為機床多個自由度,。 不論在機械的哪一點測量,，得到的傳遞函數(shù)及其分母值均應相同， 但分子不同,。對于線性系統(tǒng),，傳遞函數(shù)矩陣是對稱的，即利用 模態(tài)矩陣特件和傳遞函數(shù)的對稱性就足以得到完整的模態(tài)矩陣,。利用 計算機中的模態(tài)分析軟件可以測量的頻域傳遞蝸數(shù)矩陣數(shù)據(jù)?轉(zhuǎn)換 成數(shù)字計算形式,。這些頻率是系統(tǒng)的同有頻率，然后系統(tǒng)用分母具有 (2 x〃）階多項式對數(shù)據(jù)進行曲線擬合,。傳遞函數(shù)中包含系統(tǒng)的所有 動力特性參數(shù),，但取得傳遞函數(shù)后，還需要進行模態(tài)參數(shù)識別,，即將實 測的傳遞函數(shù)數(shù)據(jù)與理論的傳遞函數(shù)公式進行曲線擬合,，才可以得到 系統(tǒng)的固有頻率、阻尼比和振型這些模態(tài)參數(shù),。本文由海天精工整理發(fā)表文章均來自網(wǎng)絡僅供學習參考,，轉(zhuǎn)載請注明！