車銑加工中心動(dòng)態(tài)特性的研究
第3章車銑加工中心動(dòng)態(tài)特性的仿真與實(shí)驗(yàn)的研究 車銑加工中心需要具有良好的動(dòng)態(tài)特性和加工精度，以滿足現(xiàn)代 機(jī)械加工工藝要求，因?yàn)闄C(jī)床加工過程的穩(wěn)定性和加工精度，是評(píng)估機(jī) 床動(dòng)態(tài)性能的主要指標(biāo)。機(jī)床切削時(shí)的振動(dòng)和變形直接影響加工質(zhì) 量，因此提高穩(wěn)定性是改善機(jī)床動(dòng)態(tài)性能的主要途徑。隨著現(xiàn)代設(shè)計(jì) 方法的廣泛應(yīng)用，對(duì)機(jī)床進(jìn)行振動(dòng)特性分析，用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)取代靜態(tài)設(shè)計(jì) 已成為現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)發(fā)展的必然趨勢(shì)。現(xiàn)代制造業(yè)要求高精度、低粗 糙度的高自動(dòng)化精密機(jī)床，設(shè)法提高機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能，減少和避免振動(dòng) 的發(fā)生，保證機(jī)床在額定功率范圍內(nèi)使用時(shí)都不會(huì)發(fā)生振動(dòng)，這是機(jī)床 產(chǎn)品的一項(xiàng)重要研究?jī)?nèi)容。但要使其在各種工況下都具有優(yōu)良的動(dòng)態(tài) 性能，目前還有較大困難。除了技術(shù)性的問題，由于生產(chǎn)周期縮短，很 難建立一個(gè)物理樣機(jī)，這就導(dǎo)致必須要有一種方法來預(yù)測(cè)未來產(chǎn)品的 機(jī)械性能。采用虛擬樣機(jī)仿真的方法和實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性， 可以進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)性能、縮短設(shè)計(jì)周期^74091。 本章在第2章基礎(chǔ)上分別對(duì)機(jī)床的關(guān)鍵部件和整機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性 仿真分析，然后在仿真結(jié)果基礎(chǔ)上做了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證該方法的可 行性，因此為高檔精工機(jī)床的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。其機(jī)床車 削主軸和銑刀主軸作為機(jī)床的關(guān)鍵部件對(duì)機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能有非常重要 的影響，關(guān)系到機(jī)床設(shè)計(jì)開發(fā)的成敗。機(jī)床的激振特性是動(dòng)態(tài)特性的 一個(gè)重要指標(biāo)，主要是指其抵抗受迫振動(dòng)及自激振動(dòng)的能力。由于切 削振動(dòng)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(rèn)為主軸前端切削部件激振點(diǎn)的動(dòng)柔度反映r主軸部件的抵抗振動(dòng)能力。采用理論動(dòng)力學(xué)建模和有限元分析的方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床關(guān)鍵 部件的仿真分析，然后通過虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)整機(jī)進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)機(jī)床的 動(dòng)態(tài)性能和實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，因此對(duì)車銑加工中心迸行動(dòng)態(tài)特性仿真和 實(shí)驗(yàn)是非常有意義的。 3. 1 車銑加工中心動(dòng)態(tài)特性的研究 機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性是非常重要的，因?yàn)榧佣^程中機(jī)床的振動(dòng)極大 地妨礙加工精度和生產(chǎn)率的提高。機(jī)床的振動(dòng)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(jī)床主軸支撐軸承的損壞。 機(jī)床動(dòng)態(tài)特性的優(yōu)劣主要是從機(jī)床結(jié)構(gòu)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(dòng)力學(xué)分析及優(yōu)化方法對(duì)機(jī)床的質(zhì)量、剛度和阻尼 分布進(jìn)行優(yōu)化或修正，可以在一定程度上改善其動(dòng)態(tài)性能，在考慮動(dòng)態(tài) 因素的結(jié)構(gòu)修改時(shí)，是以經(jīng)驗(yàn)和反復(fù)實(shí)測(cè)為主要手段。振動(dòng)分析作為 動(dòng)態(tài)分析的一個(gè)重要方面已經(jīng)在工程領(lǐng)域中口益被重視，已經(jīng)成為進(jìn) 行機(jī)械設(shè)計(jì)、制造和機(jī)器使用過程中不可缺少的內(nèi)容。作為振動(dòng)工程 理論的一個(gè)重要分支，模態(tài)分析或試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析為各種產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)和性能評(píng)估提供了一個(gè)強(qiáng)有力的工具。其可靠的實(shí)驗(yàn)結(jié)果往往作為 產(chǎn)品性能評(píng)估的有效標(biāo)準(zhǔn)，而圍繞其結(jié)果開展的各種動(dòng)態(tài)設(shè)汁方法更 使模態(tài)分析和諧響應(yīng)成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)。 3.1.1機(jī)床動(dòng)態(tài)特性的研究?jī)?nèi)容及方法 機(jī)床動(dòng)態(tài)特性的研究包括了動(dòng)力分析和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)兩個(gè)主要部分的內(nèi)容。 動(dòng)力分析就是在已知系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型、外部激振和系統(tǒng)工作條件的基礎(chǔ)上分析研究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。對(duì)機(jī)床而言，其動(dòng)力分析主要指機(jī)床抵抗振動(dòng)的能力。和其他的機(jī)械結(jié)構(gòu)一樣，機(jī)床振動(dòng)也是結(jié)構(gòu)彈性體振動(dòng)的問題，研究?jī)?nèi)容包括機(jī)床結(jié)構(gòu)的固有頻率及其相應(yīng)的振型和強(qiáng)迫振動(dòng)時(shí)的響應(yīng)等靜、動(dòng)態(tài)特性的計(jì)算。動(dòng)力分析問題進(jìn)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(jì)算方法，即使是比較復(fù)雜的系統(tǒng)，其動(dòng)力分析也可以得到比 較準(zhǔn)確的結(jié)果。動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)是根據(jù)設(shè)計(jì)要求，建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，在設(shè) 計(jì)過程中尋求一個(gè)經(jīng)濟(jì)、合理的結(jié)構(gòu)，動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)比動(dòng)力分析更復(fù) 雜，但兩者之間是互相聯(lián)系的。W此，對(duì)機(jī)床進(jìn)行動(dòng)力分析即振動(dòng)分析 是十分必要的"_8]。 機(jī)床結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的研究方法大體可以分為理論研究方法、實(shí)驗(yàn)研 究方法和理論、仿真、實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究方法:理論研究方法是按照設(shè)計(jì) 圖紙，建立機(jī)床結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型，根據(jù)這個(gè)模型進(jìn)行分析、綜合和計(jì) 算，邊分析邊改進(jìn)設(shè)計(jì)，逐步達(dá)到預(yù)先給定的設(shè)計(jì)要求；實(shí)驗(yàn)研究方法是 對(duì)機(jī)床的具體機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)力分析，找出限 制機(jī)床動(dòng)態(tài)性能提高的薄弱環(huán)節(jié)為改進(jìn)設(shè)計(jì)提供依據(jù);兩種相結(jié)合的方 法是以測(cè)試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立機(jī)床結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型，再根據(jù)這個(gè)力學(xué)模 型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析和動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，這樣做可以預(yù)測(cè)改進(jìn)設(shè)計(jì)的效果，有 效地達(dá)到改進(jìn)設(shè)計(jì)的目的。下面就這三種方法進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。 (1)理論研究方法:這是早期的理論研究方法，是用簡(jiǎn)單梁元素連 接集中質(zhì)量，建立機(jī)床結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型的方法，并計(jì)算出了與實(shí)測(cè)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(jiǎn)笮合理的力 學(xué)模型來模擬復(fù)雜的機(jī)床結(jié)構(gòu)，而且在進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析時(shí)， 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(fèi)用。 (2)實(shí)驗(yàn)研究方法:實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析技術(shù)是通過系統(tǒng)辨識(shí)理論進(jìn)行 分析的。模態(tài)分析理論把理論分析和動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)合起來，實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分 析技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型方法的發(fā)展，是 一種很實(shí)用的技術(shù)。此外，由于實(shí)驗(yàn)只能提供結(jié)構(gòu)系統(tǒng)有限幾個(gè)低階 模態(tài)，并且實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒槐阌趯⒛B(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)化為實(shí)際可以修改的結(jié)構(gòu)尺 寸參數(shù)，因此，單單靠這種方法進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是不現(xiàn)實(shí)的。 (3)綜合研究方法：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們將有限元法和模 態(tài)分析技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來，發(fā)揮各向的長(zhǎng)處，以得到能確切反映實(shí)際 動(dòng)態(tài)特性分析技術(shù)。利用測(cè)試得到的較準(zhǔn)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(gòu)的動(dòng)力特性，在這樣的動(dòng) 力學(xué)模型基礎(chǔ)上進(jìn)行分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，就能夠充分發(fā)揮理論分析的作 用。在這個(gè)基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真，優(yōu)化和評(píng)價(jià)其結(jié)構(gòu)，最后釆用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其 理論和仿真的可行性。所以這種方法是最有效、最準(zhǔn)確的方法，本章就 采用該方法對(duì)車銑加工中心進(jìn)行動(dòng)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(gè)自由度（MuhiDegree Of Free- dom，MDOF)，直接對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析比較難。由于銑刀相對(duì)于加工工 件表面之間的振動(dòng)是非常重要的，因?yàn)樗绊懝ぜ淖罱K表面質(zhì)量、被 切除切肩的厚度和激勵(lì)機(jī)床的切削力。因此可以先以兩個(gè)自由度系統(tǒng) 模態(tài)分析原理為例，然后擴(kuò)展為機(jī)床多個(gè)自由度。 不論在機(jī)械的哪一點(diǎn)測(cè)量，得到的傳遞函數(shù)及其分母值均應(yīng)相同， 但分子不同。對(duì)于線性系統(tǒng)，傳遞函數(shù)矩陣是對(duì)稱的，即利用 模態(tài)矩陣特件和傳遞函數(shù)的對(duì)稱性就足以得到完整的模態(tài)矩陣。利用 計(jì)算機(jī)中的模態(tài)分析軟件可以測(cè)量的頻域傳遞蝸數(shù)矩陣數(shù)據(jù)?轉(zhuǎn)換 成數(shù)字計(jì)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(xiàng)式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合。傳遞函數(shù)中包含系統(tǒng)的所有 動(dòng)力特性參數(shù)，但取得傳遞函數(shù)后，還需要進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別，即將實(shí) 測(cè)的傳遞函數(shù)數(shù)據(jù)與理論的傳遞函數(shù)公式進(jìn)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(luò)僅供學(xué)習(xí)參考，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明！