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(biāo)。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(shè)計 方法的廣泛應(yīng)用，對機床進行振動特性分析，用動態(tài)設(shè)計取代靜態(tài)設(shè)計 已成為現(xiàn)代機床設(shè)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(shè)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(shù)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(dǎo)致必須要有一種方法來預(yù)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?zāi)B(tài)分析結(jié)構(gòu)動態(tài)特性， 可以進行優(yōu)化設(shè)計，從而提高產(chǎn)品設(shè)計性能、縮短設(shè)計周期^74091。
本章在第2章基礎(chǔ)上分別對機床的關(guān)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(chǔ)上做了相應(yīng)的實驗以驗證該方法的可 行性，因此為高檔數(shù)控機床的動態(tài)優(yōu)化設(shè)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(guān)鍵部件對機床的動態(tài)性能有非常重要 的影響，關(guān)系到機床設(shè)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(biāo)，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(rèn)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(xué)建模和有限元分析的方法可以實現(xiàn)對機床關(guān)鍵 部件的仿真分析，然后通過虛擬樣機技術(shù)對整機進行分析，預(yù)測機床的 動態(tài)性能和實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)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(gòu)抗振性和切削穩(wěn)定性的角度出 發(fā)來分析，用傳統(tǒng)的動力學(xué)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(gòu)修改時，是以經(jīng)驗和反復(fù)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(lǐng)域中口益被重視，已經(jīng)成為進 行機械設(shè)計、制造和機器使用過程中*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?zāi)B(tài)分析為各種產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè) 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(biāo)準(zhǔn)，而圍繞其結(jié)果開展的各種動態(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)計的重要基礎(chǔ)。
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(shè)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(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(gòu)一樣，機床振動也是結(jié)構(gòu)彈性體振動的問題，研究內(nèi)容包括機床結(jié)構(gòu)的固有頻率及其相應(yīng)的振型和強迫振動時的響應(yīng)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(fù)雜的系統(tǒng)，其動力分析也可以得到比 較準(zhǔn)確的結(jié)果。動態(tài)設(shè)計是根據(jù)設(shè)計要求，建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，在設(shè) 計過程中尋求一個經(jīng)濟、合理的結(jié)構(gòu)，動態(tài)優(yōu)化設(shè)計比動力分析更復(fù) 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(jié)構(gòu)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(shè)計 圖紙，建立機床結(jié)構(gòu)的動力學(xué)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(shè)計，逐步達到預(yù)先給定的設(shè)計要求；實驗研究方法是 對機床的具體機構(gòu)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(shè)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(chǔ)，建立機床結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型，再根據(jù)這個力學(xué)模 型進行動力學(xué)分析和動力學(xué)設(shè)計，這樣做可以預(yù)測改進設(shè)計的效果，有 效地達到改進設(shè)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(gòu)動力學(xué)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(xué)模型來模擬復(fù)雜的機床結(jié)構(gòu)，而且在進行復(fù)雜結(jié)構(gòu)的動力學(xué)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?zāi)B(tài)分析技術(shù)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?zāi)B(tài)分 析技術(shù)的發(fā)展推動了出實驗數(shù)據(jù)建立系統(tǒng)動力學(xué)模型方法的發(fā)展，是 一種很實用的技術(shù)。此外，由于實驗只能提供結(jié)構(gòu)系統(tǒng)有限幾個低階 模態(tài)，并且實驗?zāi)Ｐ筒槐阌趯⒛B(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)化為實際可以修改的結(jié)構(gòu)尺 寸參數(shù)，因此，單單靠這種方法進行機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計是不現(xiàn)實的。
(3)綜合研究方法：隨著計算機技術(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(shù)。利用測試得到的較準(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)的動力特性，在這樣的動 力學(xué)模型基礎(chǔ)上進行分析和優(yōu)化設(shè)計，就能夠充分發(fā)揮理論分析的作 用。在這個基礎(chǔ)上進行仿真，優(yōu)化和評價其結(jié)構(gòu)，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(zhǔn)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(yīng)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)。
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