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車銑加工中心動態特性的研究
閱讀：103 發布時間：2020-8-12
第3章車銑加工中心動態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特性和加工精度，以滿足現代 機械加工工藝要求，因為機床加工過程的穩定性和加工精度，是評估機 床動態性能的主要指標。機床切削時的振動和變形直接影響加工質 量，因此提高穩定性是改善機床動態性能的主要途徑。隨著現代設計 方法的廣泛應用，對機床進行振動特性分析，用動態設計取代靜態設計 已成為現代機床設計發展的必然趨勢。現代制造業要求高精度、低粗 糙度的高自動化精密機床，設法提高機床的動態性能，減少和避免振動 的發生，保證機床在額定功率范圍內使用時都不會發生振動，這是機床 產品的一項重要研究內容。但要使其在各種工況下都具有優良的動態 性能，目前還有較大困難。除了技術性的問題，由于生產周期縮短，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品的 機械性能。采用虛擬樣機仿真的方法和實驗模態分析結構動態特性， 可以進行優化設計，從而提高產品設計性能、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特性 仿真分析，然后在仿真結果基礎上做了相應的實驗以驗證該方法的可 行性，因此為高檔數控機床的動態優化設計提供參考依據。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性能有非常重要 的影響，關系到機床設計開發的成敗。機床的激振特性是動態特性的 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 動態性能和實現優化設計，因此對車銑加工中心迸行動態特性仿真和 實驗是非常有意義的。
3. 1 車銑加工中心動態特性的研究
機床的動態特性是非常重要的，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，引起加工表面質量惡化，并有可能引起機床主軸支撐軸承的損壞。 機床動態特性的優劣主要是從機床結構抗振性和切削穩定性的角度出 發來分析，用傳統的動力學分析及優化方法對機床的質量、剛度和阻尼 分布進行優化或修正，可以在一定程度上改善其動態性能，在考慮動態 因素的結構修改時，是以經驗和反復實測為主要手段。振動分析作為 動態分析的一個重要方面已經在工程領域中口益被重視，已經成為進 行機械設計、制造和機器使用過程中*的內容。作為振動工程 理論的一個重要分支，模態分析或試驗模態分析為各種產品的結構設 計和性能評估提供了一個強有力的工具。其可靠的實驗結果往往作為 產品性能評估的有效標準，而圍繞其結果開展的各種動態設汁方法更 使模態分析和諧響應成為結構設計的重要基礎。
3.1.1機床動態特性的研究內容及方法
機床動態特性的研究包括了動力分析和動態設計兩個主要部分的內容。
動力分析就是在已知系統的動力學模型、外部激振和系統工作條件的基礎上分析研究系統的動態特性。對機床而言，其動力分析主要指機床抵抗振動的能力。和其他的機械結構一樣，機床振動也是結構彈性體振動的問題，研究內容包括機床結構的固有頻率及其相應的振型和強迫振動時的響應等靜、動態特性的計算。動力分析問題進行了 58 多年的研究，已經形成了比較完整的理論，出現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，其動力分析也可以得到比 較準確的結果。動態設計是根據設計要求，建立系統的數學模型，在設 計過程中尋求一個經濟、合理的結構，動態優化設計比動力分析更復 雜，但兩者之間是互相的。W此，對機床進行動力分析即振動分析 是十分必要的"_8]。
機床結構動態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、實驗相結合的研究方法:理論研究方法是按照設計 圖紙，建立機床結構的動力學模型，根據這個模型進行分析、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測試，根據測試數據進行動力分析，找出限 制機床動態性能提高的薄弱環節為改進設計提供依據;兩種相結合的方 法是以測試數據為基礎，建立機床結構的力學模型，再根據這個力學模 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 接集中質量，建立機床結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構，而且在進行復雜結構的動力學分析時， 精度比較低。但是，這樣可以縮短產品的研制周期，降低研制費用。
(2)實驗研究方法:實驗模態分析技術是通過系統辨識理論進行 分析的。模態分析理論把理論分析和動態測試結合起來，實驗模態分 析技術的發展推動了出實驗數據建立系統動力學模型方法的發展，是 一種很實用的技術。此外，由于實驗只能提供結構系統有限幾個低階 模態，并且實驗模型不便于將模態參數轉化為實際可以修改的結構尺 寸參數，因此，單單靠這種方法進行機械結構的優化設計是不現實的。
(3)綜合研究方法：隨著計算機技術的發展，人們將有限元法和模 態分析技術有機地結合起來，發揮各向的長處，以得到能確切反映實際 動態特性分析技術。利用測試得到的較準確的模態參數來修正理論模型，使修正后的理論模型能夠確切地模擬結構的動力特性，在這樣的動 力學模型基礎上進行分析和優化設計，就能夠充分發揮理論分析的作 用。在這個基礎上進行仿真，優化和評價其結構，后釆用實驗驗證其 理論和仿真的可行性。所以這種方法是效、準確的方法，本章就 采用該方法對車銑加工中心進行動態特性分析。
3. 1. 2模態分析原理
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，因為它影響工件的終表面質量、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 模態分析原理為例，然后擴展為機床多個自由度。
不論在機械的哪一點測量，得到的傳遞函數及其分母值均應相同， 但分子不同。對于線性系統，傳遞函數矩陣是對稱的，即利用 模態矩陣特件和傳遞函數的對稱性就足以得到完整的模態矩陣。利用 計算機中的模態分析軟件可以測量的頻域傳遞蝸數矩陣數據?轉換 成數字計算形式。這些頻率是系統的同有頻率，然后系統用分母具有 (2 x〃）階多項式對數據進行曲線擬合。傳遞函數中包含系統的所有 動力特性參數，但取得傳遞函數后，還需要進行模態參數識別，即將實 測的傳遞函數數據與理論的傳遞函數公式進行曲線擬合，才可以得到 系統的固有頻率、阻尼比和振型這些模態參數。
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