【毕业设计论文】卧式铣床主轴悬臂梁系统振动减振问题的模拟实验研究-毕业设计论文【有对应的CAD图】

订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 毕业设计（ 论文） 题 目 卧式铣床主轴悬臂梁系统振动 减振问题的模拟实验研究 卧式铣床主轴悬臂梁系统振动减振问题的模拟试验研究 第 2 页 共 40 页 卧式铣床主轴悬臂梁系统振动减振问题的模拟实验研究 摘要 机床工作时产生振动，不仅会影响机床的动态精度和被加工零件的质 量，而 且还要降低生产效率和刀具的耐用度。随着科学技术的飞跃发展，对机器 零件的制造精度和表面质量提出了更高的要求，从而机床振动问题的研究 成为研制、生产和使用机床部门必须面对的重大课题。本文主要是针对卧 式铣床的振动及减振问题的研究。首先，参照 X 6 2 W 型铣床，设计了一台用 于减振试验的铣床模型机。其中，盛放不同规格钢球的减振槽相当于一个 阻尼消振器，利用钢球之间及其与槽壁之间的碰撞摩擦，消耗铣床模型机 的振动能量，以达到减振的目的。其次，利用正弦信号激励的方法测试寻 找了模型机的各阶主要频率，并分析了其结构的固有特性。最后，利用正 交表安排了五组钢球减振实验以及一组沙子减振实验。六组实验的数据对 比及结果分析从一定程度上说明了利用钢球减振的可实施性。 关键词：振动减振，主轴悬臂梁系统，模拟实验研究，固有频率，钢球减 振 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 The horizontal milling machine cantilever beam vibrates the antivibration system the experimental characteristic research。 ABSTRACT The engine bed has the vibration when it works .Not only can affect the dynamic precision and the part precision of the engine bed, but also reduce the production efficiency and the cutting tool abrasive resistance. With the leap development of the science and technology .It has put forward a higher request to the manufacture precision and the surface quality of the machine part .The engine bed vibration has became a important issue to the development, production and implementation department. This article is focus on the research of the horizontal milling machine vibration and the antivibration question. On the one hand, I has designed a milling machine molding machine that can be used for antivibration experiment refer to the X62W milling machine. The machine has a antivibration trough, we can put different specification steel ball according to our needs, which serve as a damping shock absorb. Utilizing the collision among the steel balls and the collision between the balls and the trough wall, the vibrational energy of the milling molding machine can be seriously reduced, achieving the antivibration goal. Next, the method test which drove using the sine signal has sought the molding machine various steps primary frequency, and has analyzed its structure inherent characteristic. Finally, has 卧式铣床主轴悬臂梁系统振动减振问题的模拟试验研究 第 4 页 共 40 页 arranged five group of steel ball antivibration experiments as well as a group of sand antivibration experiment using the orthogonal array. Six groups test the data contrast and the result analysis showed from certain degree antivibration may implement using the steel ball。 KEY WORDS：Antivibration, Cantilever beam system, inherent frequency, antivibration using the steel ball 目录 第 1 章 前言 1 第 2 章 机床振动问题的分析 3 21 机床减振问题的提出3 22 机床振动产生的原因及减振问题3 221 机床振动产生的原因 4 222 机床减振问题的讨论 5 23 本课题的提出7 第 3 章 铣床模型机的设计 9 31 X62W 型铣床的介绍 9 32 模型机的设计 1 0 321 模型机的总体结构设计1 0 322 模型机的内部选型1 1 第 4 章 固有频率的测定1 3 41 固有频率测定方法的介绍 1 3 411 测定固有频率的意义1 3 412 仪器介绍1 3 42 用正弦激励法测固有频率 1 6 43 用脉冲激励法测固有频率 1 8 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 第 5 章 模型机的减振试验研究1 9 51 正交试验原理 1 9 511 正交试验原理介绍 1 9 512 正交表安排试验步骤 2 0 52 试验方案的选择及试验结果 2 1 521 钢球减振试验 2 1 522 沙子减振试验 2 9 523 结论 3 1 第 6 章 机床动态性能的研究及趋势展望3 3 总结3 6 参考文献3 7 致谢3 8 附图3 9 前言 机床工作时产生振动，不仅会影响机床的动态精度和被加工零件的质 卧式铣床主轴悬臂梁系统振动减振问题的模拟试验研究 第 6 页 共 40 页 量，而且还要降低生产效率和刀具的耐用度。振动剧烈时甚至会降低机床 的使用性能，不仅如此，伴随振动所产生的噪声可能刺激操作工人，引起 疲倦，导致工作效率下降。故振动问题必须引起我们足够的重视。随着科 学技术的飞跃发展，对机器零件的制造精度和表面质量提出了更高的要求， 从而机床振动问题的研究成为研制、生产和使用机床部门必须面对的重大 课题。研究机床振动的目的，在于探究机床振动发生的原因，谋求防止和 消除机床振动的方法，以及研制抗振性更佳的机床。 本文对机床的振动危害及减振方法做了一定的讨论及研究。机床的减 振方法从理论上来说，一般有四种途径：1 、减少激振力 P 。2 、增大系统的 阻尼。3 、增大系统中的刚度 K 。4 、提高系统的固有频率 n 或改变激振 频率，以使两者远离。本文主要是对卧式铣床的振动减振系统的实验特 性的研究，由于铣床的外部环境及本身构造在其的研究中可看做是不可改 变的因素，所以可以实现的减振方法只有附加谐振系统在振动结构上用以 抵消原振动，以达到减振的目的。故本文主要讨论的减振方法属于阻尼消 振的一种，即安装减振器或类似结构以抵消卧式铣床悬臂梁本身的振动， 以达到减振的目的。 本文的研究主要可以分为以下三个部分： 首先，参照 X 6 2 W 型铣床，设计了一台用于减振试验的铣床模型机。铣 床模型机模拟了铣床的主要结构，包括底座、立柱、刀轴等，并根据需要 添加了减振槽、挂架及相当于偏心轮的模拟铣刀等结构。盛放不同规格钢 球的减振槽相当于一个阻尼消振器，利用钢球之间及其与槽壁之间的碰撞 摩擦，消耗铣床模型机的振动能量，以达到减振的目的。 其次，是对模型机固有频率的测定。这是试验最基本和首要的一步， 用以作为标准衡量之后减振试验效果的好坏。本文讲述了三种模型机的激 振方法：1 、稳态正弦激励法：稳态正弦激励又称简谐激振，它是通过激振 设备对被测试对象施加频率可控的简谐激振力，常用的激振设备是频带宽、 波形好的电磁激振系统， 由扫描信号发生器， 功率放大器和激振器组成。 2 、 脉冲激励法：脉冲激振是用一把装有力传感器的锤子（又叫脉冲锤）敲击 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 试件，它对试件的作用力为近似正弦波，其有效频率范围决定于脉冲持续 时间，锤头垫愈硬越小，则频率范围愈大。使用适当的锤头垫材料可 以得到要求的频带宽度，改变锤头配重块的质量和敲击加速度可调节激振 力的大小。3 、施加偏心激振力法：在模型机设计中，在模拟铣刀上设计了 一通孔，使模拟刀具相当于一偏心轮，在高速旋转的状态下，即对系统产 生一离心激振力，对调频电动机转速进行调节可改变激振力的大小。在本 次试验中，主要是利用正弦激励法测定了模型机的固有频率，由于时间和 条件限制，脉冲法只做了一组用于对比，最后一种方法仅作为设想来介绍。 最后，减振试验由于是多因素，多水平试验，要得到全面准确的试验 结果，工作量十分大。故采用了科学的正交试验方案，既减少了试验次数， 又可得出全面的结论。正交设计（O r t h o g o u a l d e s i g n ）简称正交设计 （O r t h o g o u a l ）, 它是利用规格化的正交表（O r t h o g o u a l t a b l e ） ，科学的 安排与分析多因素试验的方法，使目前最常用的方法之一。正交表是指利 用“均衡搭配”与“整齐可比”这两条基本原理，从大量的全面实验方案 中，挑选出少量具有代表性的实验点，所制成的排列整齐的规格化表格。 在本次的实验中，安排了五组钢球减振实验以及一组沙子的减振实验。其 中，钢球减振的前四组分别是根据钢球排列层数（包括两层及三层） 、重量 及规格设计的正交试验方案，第五组是一组为更好得到钢球大小和槽数对 实验结果影响的对比而做的全面试验。另外，为对比钢球及其他材料的减 振效果，还做了一组根据沙子重量设计的正交试验。六组实验的数据对比 卧式铣床主轴悬臂梁系统振动减振问题的模拟试验研究 第 8 页 共 40 页 及结果分析从一定程度上说明了利用钢球减振的可能性。 在对振动问题的研究分析之外，本文也对现今国内外机床动态性能的 研究作了一定的介绍，并指出了未来的研究趋势。 在本文的撰写过程中，参考了大量有关机床振动、动力学及冲击测试、 试验模态分析等的有关书籍，并且得到了指导老师及同学的帮助。但由于 时间及条件限制，可能存在一些不足之处，希望评阅老师指出并原谅。 第 2 章 机床振动问题的分析 21 机床减振问题的提出 机床工作时产生振动，不仅会影响机床的动态精度和被加工零件的质 量，而且还要降低生产效率和刀具的耐用度。振动剧烈时甚至会降低机床 的使用性能，不仅如此，伴随振动所产生的噪声可能刺激操作工人，引起 疲倦，导致工作效率下降。故振动问题必须引起我们足够的重视。 当开动机床进行加工时，由于机床各运动部分彼此发生一定规律的相 对运动，因而其摩擦表面上必然有摩擦力作用着。机床迴转部分不平衡等 因素必将使迴转系统受到离心力的作用。切削过程中刀具切入工件去除金 属层，将会使整个机床系统受到切削力作用。这些作用力并非保持常值， 有的是周期性变化的，有的可能同系统某些元件的刚度轴线有一定的方位 关系等。这些力在某些条件下会起一定的激振作用，从而使整个机床系统 或其零部件发生各种类型的振动。机床振动一般分为三大类：1、自由振动 2、受迫振动 3、自激振动。 铣床的振动主要与切削过程有关，它包括由于铣刀齿间断切削和切削 截面积变化所引起的受迫振动，以及由于切削力的变化所激发的颤振，从 抗振角度来看，铣床是在繁重的条件下工作的，这是由于：1、切削力的变 化较大。2、切除薄而宽的切屑，特别是用圆柱铣刀铣平面时。3、在使用 最普遍的升降台铣床上，工作台必须按三个互相垂直的方向相对于主轴移 动，这样就影响到铣床的刚度。 综上所述，机床振动是必须引起注意的一个重要的问题。随着科学技 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 术的飞跃发展，对机器零件的制造精度和表面质量提出了更高的要求，从 而使机床振动问题的研究成为研制、生产和使用机床部门必须面对的重大 课题。研究机床振动的目的，在于探究机床振动发生的原因，谋求防止和 消除机床振动的方法，以及研制抗振性更佳的机床。本文主要是针对卧式 铣床的振动及减振问题的研究。 22 机床振动产生的原因及减振方法 221 机床振动产生的原因 机床振动按产生的原因一般分为：自由振动、受迫振动、自激振动。 一般来说，我们主要是研究受迫振动及自激振动的产生原因，并寻找减少 及消除这两种振动的方法。 1 、自由振动：自由振动是指当系统的平衡被破坏，只靠其弹性恢复力 来维持的振动。振动系统作自由振动时的频率就是系统的固有频率。 2 、受迫振动：受迫振动是指在外激振力扰动下激发的振动。例如在车 床，铣床和磨床上，常见到迴转主轴系统的受迫振动，其频率取决于迴转 主轴系统的转速。发生受迫振动的原因是多种多样的，主要振源有以下这 些： （1 ）地基引起的机床振动。一般说来，如果不把机床与地基的振动隔 绝起来，那么要在机床上加工出精度和表面光洁度很高的零件是不可 能的。地基振动程度的大小取决于两个因素，一是由附近设备和通道 卧式铣床主轴悬臂梁系统振动减振问题的模拟试验研究 第 10 页 共 40 页 运输引起的振动强度，二是土壤，楼板和建筑承载结构的谐振特性。 地基的固有振动频率常在由上述设备产生的激振力的频率范围内。 （2 ）高速迴转的机床不平衡部件和工件引起的振动。当机床的迴转运 动装置工作时，最强烈的受迫振动就是不平衡部件高速迴转时所产生 的激振力。例如电机的转子、主轴部件，装刀具的不平衡的刀杠。由 此引起的受迫振动的频率，大致是这些部件每秒钟相应的转速。当用 迴转刀具工作时，例如在坐标镗床或金刚镗床上，强烈的振源来自刀 具系统主轴部件的不平衡度。 （3 ）机床传动机构的缺陷所引起的振动。制造不精确或安装不良的齿 轮会产生周期性的力而传动到机床迴转或移动部件上，并在一定条件 下可能成为受迫振动的振源。皮带传动中皮带的接头，三角皮带制造 上的缺陷，轴承滚动体的不均匀等都会引起受迫振动。 （4 ）切削过程的间歇特性引起的振动。在许多情况下，加工方法本身 导致切削力的周期性变化，这种变化是由于刀齿间歇地依次工作所引 起的。在铣削加工时，一个周期性变化的切削力作用在铣刀上，在间 歇切削时这个力的峰值是很高的，从而使铣床主轴系统承受更大的负 荷。从动力学的观点来看，如果铣床使用不同刀齿数的铣刀，就一定 会碰到各种可能的频率，当切削力的某些频率接近传动系统的某些扭 转振动的固有频率时，会有一些危险。 （5 ）往复运动的机床部件的惯性力所引起的振动。具有往复运动部件 的机床中，最强烈的振源就是部件改变运动方向时所产生的惯性力。 3、 自激振动： 自激振动是指机械系统由于外部能量与系统运动相耦合， （即系统的非振荡性能源通过反馈装置）形成振荡激励所产生的振动，当 振动停止，振荡激励随之消失。振动频率接近于系统固有频率。此外，还 有机床工作台等移动部件在低速运行时所发生的张弛摩擦自激振动（俗称 爬行） 。 在自激振动中，把金属切削过程中表现为刀具与工件之间强烈相对振 动的一种称为“颤振” 。机床颤振一般分为两类：第一类颤振出现于未经切 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 削加工的毛胚表面。当第一次切削毛胚时在加工表面留下波纹（振纹） 。这 种颤振称为“初生颤振” 。第二类颤振是在经过一次切削加工并留有振纹的 工件表面进行第二次切削加工时形成的。 发生自激振动的原因，主要有以下这些： （1 ）切削过程中，由于存在欠阻尼特性而引起初生颤振。 （2 ）前一次在工件表面产生的振纹，将使第二次走刀的切削深度发生 周期性的变化，从而产生交变力而加强颤振。 （3 ）由于机床结构本身特性所引起的机床颤振。 222 减振方法的讨论 一般说来，许多弹性振动部件系统都可背简化成单自由度振动系统， 其振幅的一般表示为： 2 22 2 1 14 nn P A K = + （2 . 1 ） 式中: A 振幅。 P 激振力。 K 系统刚度。 n 固有频率。 激振频率。 阻尼。 卧式铣床主轴悬臂梁系统振动减振问题的模拟试验研究 第 12 页 共 40 页 由上可知，为了减少机床振动时的振幅 A ，一般说来可以通过四个途径： 1 、减少激振力 P 2 、增大系统的阻尼 3 、增大系统中的刚度 K 4 、提高系统的固有频率 n 或改变激振频率，以使两者远离 目前机床减振主要方法由如下几方面： 1 、消除机床受迫振动的方法。在确定引起机床振动的振源后，一般可 采取下述措施： （1 ）减少外激振力。 （2 ）改变振源频率。在选择转速时，使可能引起受迫振动的振源的频 率离机床主轴等部件的固有频率远一些，即要符合下列要求： 0.250.3 n ff f （2 . 2 ） 式中： n f 机床主轴等部件的固有振动频率( H z ) 。 f外激振力的频率( H z ) 。 （3 ）采取隔振措施。主要分为两种，一是积极隔振，即阻止振动由振 源传到地基而外传。二是消极隔振，阻止由地基传来的振动进入机床。 目前隔振材料主要是橡皮、金属弹簧、软木等。 （4 ）减少惯性力。采用平稳的换向机构，保证换向机构没有间隙，用 焊接的钢板结构或轻合金制造的结构，以减轻往复移动或摆动的构件 的重量。 2 、设计机床时提高机床的抗振性。机床设计过程中要解决的问题，提 高其抗振性只是其中一方面，但在精密机床和重型机床的设计中，这方面 的考虑也是十分必要的。从总的原则来看，机床结构要力求刚度高，重量 轻，阻尼好。提高机床抗振性的途径主要有以下几方面： （1 ）提高机床系统的刚度。在机床中直接影响抗振性能的因素主要是 在切削力传递的循环路线中最薄弱的环节刚度，对于一种类型的机床 可以通过试验测量切削力传递循环路线的静挠度和动挠度曲线中斜率 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 发生突变的区域来找这些薄弱环节。 （2 ）增大系统的阻尼。在机械系统中，阻尼力虽小，但对系统运动特 性影响最大。阻尼是决定机床发生受迫振动或颤振振幅大小的主要因 素之一，增大机床结构阻尼是提高机床抗振性的一个极其有效的措施。 （3 ）调整系统的固有频率。调整系统的固有频率 n ，使其远离激振频 率，对提高系统的抗振性是比较有效的。在实践中，改变机床某些可 移动部件的相互位置，调整轴承的间隙等，在一定程度上都能起到调整 系统固有频率的作用。 3 、设计减振器。在通过调整机床本身的方法不能有效的消除机床已发 生的振动时，就只能采用附加的专用装置减振器，以吸收或耗散激振 的能量。减振器按工作原理分为两类, 一是吸振器靠吸收激振能量来 达到减振目的。二是阻尼器靠阻尼作用来耗散激振能量，通常也称为 消振器。 23 本课题的提出 由于振动问题的研究在科研及生产中的重要作用，故在对其的理论研 究之外，需要更深一步的通过模拟试验研究，将理论分析上升到实践中。 本文主要是对卧式铣床悬臂梁系统振动减振问题的模拟实验研究，在对振 动及减振问题做了一番讨论之后，发现通常增加系统的刚度是有限的，减 轻主振系统的质量又涉及到刚度，往往会使其刚度受到影响，而且对已制 造好成型的机床来说，刚度和质量为确定值，必须重新改造，经济上来说 卧式铣床主轴悬臂梁系统振动减振问题的模拟试验研究 第 14 页 共 40 页 是一种浪费，所以具体可以实现的减振方法只有附加谐振系统在振动结构 上用以抵消原振动，以达到减振的目的。 在本次设计中，主要采用钢球减振，钢球减振的原理应该属于动态吸 振的方式。该方式的工作原理是：以一个电子或机械的谐振系统附加在振 动结构上去抵消原振动，从而达到减振的目的。钢球是附加的系统，振源 的振动通过机床与钢球的接触传递给钢球，引起钢球振动，吸收了振源振 动的能量，从而达到减小振动振幅的目的。根据这一原理知道为了增大减 振效果应该增大附加系统阻尼，并且使附加系统在机床工作频率内不发生 共振，即使附加系统共振频率远离机床共振频率。具体在钢球上就应该使 每一个钢球的共振频率都不一样，并且两两之间的共振频率相隔越大越好， 为此，可以使钢球的直径范围大一些，种类多一些，材料上，可以选择密 度大一些的材料，并且可以不采用一种而是采用多种材料混用的方式来提 高减振效果，例如，沙子及其他材料。 本次的模拟试验主要是以参照X 6 2 W 型铣床设计的主轴悬臂梁系统模型 机为载体，利用正交表安排减振槽中钢球的不同排放方式，以寻求最佳的 减振效果。 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 第 3 章 铣床模型机的设计 31 X 6 2 W 铣床的介绍 参照左图，X62W 型铣床的构 造介绍如下： 床身：床身为机床的主体，用来支 持和连接机床其他的部件。床身前 臂有燕尾形垂直导轨，升降台可沿 此导轨上下升降。床身顶部是水平 导轨，横梁沿此导轨来回移动。床 身后面有电动机。床身内部有齿轮 变速结构。通过床身外面变速操纵 机构，使主轴获得 18 种转速。 横梁：横梁用来支承刀轴。横梁在 床身顶部的水平导轨上移动，可以 图 3- 1 X62W 型铣床外观图 根据需要调整横梁伸出的长度，它 的端部可安装支承架。 卧式铣床主轴悬臂梁系统振动减振问题的模拟试验研究 第 16 页 共 40 页 支承架：支承架悬挂在横梁上，用来支承刀轴，以免在铣削时刀轴发生振 动和弯曲。 升降台：升降台用来支承工作台，并带动它沿着床身垂直导轨上下移动。 升降台安装有进给电动机，进给变速箱和进给传动机构等一套完整的进给 系统。 进给变速箱：进给变速箱主要用来改变工作台和升降的进给速度。 纵向工作台：纵向工作台用来安装虎钳、分度头、圆形工作台及各种夹具、 工件带动工作台作纵向进给， 为安装限位挡铁， 在纵向工作台一侧有一条 T 型槽。 横向工作台：横向工作台在升降工作台的上面。用来带动纵向工作台作横 向移动。 转台：转台是区别万能卧式铣床与普通卧式铣床的标志，它在横向工作台 和纵向工作台之间，可使纵向工作台反转 45 。 刀轴：刀轴也称为刀杆。用刀轴来安装铣刀，它的一端为锥柄，紧固在主 轴锥孔中，另一端由横梁上悬挂的支承架支承。 主轴：主轴用来安装、紧固铣刀轴并带动铣刀旋转，它与主轴变速机构、 主电机一起组成铣床的主传动系统。 主轴变速箱：主轴变速箱里的齿轮用来带动主轴旋转和改变主轴转速。 底座：底座用来盛冷却润滑液，支承床身并承受机床全部重量。 32 模型机的设计 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 321 模型机总体结构设计 图 3 - 2 铣床模型机外观图 参照X 6 2 W 型铣床的结构及一些主要规格参数， 设计铣床模型机外形如上图： 为了提高机床的抗振性，采取了以焊接方式做成的模型机结构，焊接 床身由于焊缝能耗散能量，比一般设计的铸铁床身（它仅靠材料内摩擦的 阻尼性能）具有较好的阻尼性能，而增大机床的机构阻尼是提高机床抗振 卧式铣床主轴悬臂梁系统振动减振问题的模拟试验研究 第 18 页 共 40 页 性的一个极其有效的措施，用薄钢板加筋的焊接结构，比一般铸铁床身刚 度大，重量轻，从而提高了床身的固有频率，改善了抗振性能。 模型机的外部结构主要由减振槽、立柱、底座、挂架几部分组成。总 体尺寸满足长 695，宽 2 0 0 ，高 4 5 0 要求。减振槽是模型机中重要的部分， 与立柱、挂架连接，是由钢板焊接成的三个开口槽，在减振实验中用以盛 放相当于谐振系统的钢球，减振槽的悬臂端是模型机柔性最大的地方，用 以安装激振器、加速度传感器及力传感器。挂架以 M 5 六角头铰制孔用螺栓 与减振槽相连接，用以安装轴承。立柱以 M 5 六角头螺栓分别与减振槽及底 座连接，起支承作用。底座外观如图 3 - 2 示，并在其中加有横向加强板。 减振槽、立柱、底座的具体尺寸见零件图，均采取 A 3 钢板焊接而成， 并且立柱孔与挂架孔满足同轴度要求。 322 模型机内部结构选型 参考 X 6 2 W 型铣床，刀轴直径有 2 2 、2 7 、3 2 m m 三种规格，在模型设计 中考虑到强度要求，选取 2 7 m m 的刀轴直径。轴结构见零件图。 轴承采用深沟球轴承，一端用轴用弹性挡圈及孔用弹性挡圈分别固定 轴承内外圈，另一端只由轴用弹性挡圈固定轴承内圈，采用这种一端固定 方式，当轴受热后可以向另一端伸长，不会产生热应力。参考机械设计 手册选择深沟球轴承代号 6 3 0 4 ，外形尺寸摘自 G B / T 2 7 6 - 1 9 9 4 。轴用及孔 用弹性挡圈外型尺寸摘自 G B / T 8 9 4 . 1 - 1 9 8 6 ，材料采用 6 5 M n ，热处理硬度为 4 7 5 4 . Y 系列三相异步电动机一般为全封闭自扇冷式笼形三相异步电动机。具 有防止灰尘、铁屑或其他杂物侵入电机内部之特点。B 级绝缘，工作环境温 度不超过+ 4 0 0C ，相对温度不超过 9 5 % ，海拔高度不超过 1 0 0 0 m ，额定电压 3 8 0 V ，频率 5 0 H z 。因模型机振动实验为空运转实验，故采用小功率电动机。 据机械设计手册J B 3 0 7 4 - 8 2摘录，选择 Y 8 0 1 - 4型电动机, 额定功率 0 . 5 5 k w ，满载转速 1 3 9 0minr，同步转速 1 5 0 0minr，质量 1 7 k g ，选择机 座不带底脚，端盖有凸缘型电动机。 联轴器采用套筒联轴器， 材料为 4 5 钢， 采用 66 的普通平键与轴连接。 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 在连轴器与挂架之间轴上, 设计了一阻尼动力吸振器，它采用微孔橡皮 衬垫以达到吸振减振目的，这种吸振器利用橡皮衬垫做弹性元件，有附加 阻尼作用，因而能消除频率范围稍宽的振动。但由于实验设备有限，此设 计结构仅做为设想出现在装配图中，实验模型机上并没有采用。 刀具外形参照直面三面刃铣刀，采用 87的普通平键连接，轴向由轴 肩及套筒固定，具体尺寸见装配及零件图。刀具上钻一孔，在空运转中实 验中起偏心力作用，导致离心振动，但具体实验中由于时间及仪器问题， 只详细做了稳态正弦激振实验，并未采用此方法激振。 卧式铣床主轴悬臂梁系统振动减振问题的模拟试验研究 第 20 页 共 40 页 第 4 章 固有频率的测定 41 固有频率的测定 411 测定固有频率的意义 机床是由许多零件所组成的多自由度系统。每一自由度对应有一固有 频率，机床强迫振动的共振频率与系统无阻尼固有频率是很接近的。在机 床振动试验中，通常都是以共振峰值所对应的频率值作为各个自由度的固 有频率。对于自由振动来说，系统受到一次扰动，所获得的动能为 2 2 0 22 0 2 2)(2121AfmAmmvT= ( 4 . 1 ) 式中: A 最大振幅。 0 f 固有频率。 v振动速度。 当外来扰动的能量一定时，f和 A成反比，所以 0 f 增高，振幅 A就减少。 因此，提高固有频率后，可成比例的减少系统的自由振动。对于强迫振动 来说，干扰频率和部件的固有频率接近时，系统产生共振，振幅迅速增大。 因此，应该使干扰频率远离系统固有频率，对于固有频率的高低是无关紧 要的。对于切削振动，若能使系统各自由度合理安排，则刀具和工件之间 的相对振动便会减小。在一般情况下，提高整个弹性系统的薄弱环节的固 有频率，原则上可以提高系统的抗振性。 因此，对固有频率的测定是研究振动过程中基础的一步。测试设备包 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 电动式激振器 括下面几项：1 、激振设备：激振设备可输出激振力，用以激起结构的振动。 最常用的激振设备是电动激振系统。2 、测量设备：测量设备由力传感器， 加速度传感器，电荷放大器等组成，最常用的力传感器和加速度传感器是 压电晶体式的。3 、分析设备。4 、记录设备。 412 试验仪器介绍 在本次试验中采用的测试设备介绍如下： 首先，因为是小型的模型机，故 采用电动式激振器，如右图所示。它 由弹簧壳体磁钢顶杆磁极板 铁芯和驱动线圈等元件组成。驱动 线圈和顶杆相固连，并由弹簧支撑在 壳体上，使驱动线圈正好位于磁极所 形成的高磁通密度的气隙中。当驱动 线圈有交变电流通过时，线圈受电动 力的作用，力通过顶杆传给试件，即 为所需的激振力。 其次，测量设备包括以下几种： （1 ）压电式力传感器：压电式 图 4 - 1 电动式激振器 力传感器具有频率范围宽，体积小和动态范围大等优点，在频响函数测量 中被广泛应用。工作时将它安装在被测物体受力点上，激振力通过它的晶 卧式铣床主轴悬臂梁系统振动减振问题的模拟试验研究 第 22 页 共 40 页 体压电元件传递到物体上。压电元件受压力时则产生电荷，且电荷与所受 压力成正比。一般都在压电片上通过预压弹簧施加以预压力。因此，它可 以测拉、压两个方向的力。其辐值电荷灵敏度定义为输出电荷辐值 Q与所 受力辐值 F 之比。 （2 ）加速度传感器：在进行模态分析试验的响应测量时，目前用的最 多的还是压电加速度计。它具有重量轻，体积小，频响宽，灵敏度高的特 点。某些晶体（如天然石英晶体或人工极化陶瓷等）在承受一定方向的外 力产生变形时，其晶面或极化面上会产生电荷，即所谓的正压电效应。压 电加速度计正是利用这种正压电效应制成的机电换能器。当它承受机械振 动时，在它的输出端能产生与所承受的加速度成比例的电压或电荷量。目 前常用的有压缩型和剪切型压电加速度计。 （3 ）电荷放大器：与压电式传感器最典型的配置线路是电荷放大器的 输入与传感器的输出相连。电荷放大器基本上是一个具有反馈电容 f c的高 增益运算放大器。 （4 ）阻抗传感器：为测量原点导纳，目前常采用压电晶体机械阻抗传 感器，或称阻抗头，它把力传感器和加速度传感器做成一体，可测出同一 点的激振力和响应。这种结构应确保上端的加速度计有尽可能高的基座刚 度及力端压电元件下面的质量应尽量小。 再次，分析设备采用 H P 3 5 6 2 A 分析仪如下图示 图 4 - 2 H P 3 5 6 2 分析仪面板 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 H P （H e w l e t t - P a c k a r d ）3 5 6 2 A动态信号分析仪是一种双通道系统、频 谱、波形分析仪。有时域和频域两方面的分析能力，它具有 1 0 0 K H z 的频宽， 1 5 0 d B的测量范围和 8 0 d B的动态分析范围，因此，在机械、机电一体化控 制系统中有着强大的分析解决问题的能力。 H P 3 5 6 2 A 动态信号分析仪对双通 道 F F T分析仪的精密度和多功能性提出了一个新的标准。充分完整的测量 和分析能力结合突出的特性使 H P 3 5 6 2 A在测量、分析、设计电子机械和机 械系统方面成为一个无价的工具。 H P 3 5 6 2 A的基本操作是通过逻辑上面板按键群和面板显示器右边一组 八个“软键”按键来执行的。面板上的按键是通过功能分类的而且可以执 行三分之一的操作：能够直接操作例如开始测量、输入数据或是显示一个 “软键”按键菜单。 “软键”按键也可以执行三分之一的功能：选择“1 o f N ”功能例如测量模式，定义一个数据入口参数例如频率间隔和终止适当单 位入口，如“k H z ”或是“m H z ” 。 42 稳态正弦激励法测固有频率 利用激振器对机床或其模型，在一定的部位上施加模拟的切削力进行 交变加载，激起实验对象的受迫振动，并进行振动测量，从而确定机床或 其模型的动态特性，这就是激振试验。激振方式分为绝对激振和相对激振 两种。其中，绝对激振是指激振器悬挂于一个独立机架上对机床一个部件 进行激振，相对激振则是指激振器安装在机床的一个部件上而对另一个部 件进行激振。在此次的正弦激励试验中，采用绝对激振方式。绝对激振中， 卧式铣床主轴悬臂梁系统振动减振问题的模拟试验研究 第 24 页 共 40 页 激振器一般由软弹簧悬挂，为此，要求弹簧在 2 0 3 0 0 赫兹激励频率范围内 均能在空间保持稳定，因而弹簧的固有频率必须很低，例如固有频率为 2 赫兹的弹簧处于 2 0 赫兹激振频率下时其振幅极小，好象起了刚性支承的作 用。因此，在本次试验中，采用相当于固有频率比较低的软弹簧效果的软 橡胶绳悬挂激振器，并且，在对工件激振时注意到以下几点：1 、激振力施 加在了模型机全长上最大柔性的位置（即悬臂梁系统悬臂端） 。2 、垂直方 向激振在工件下方进行，用了一柔性较好的橡皮衬垫。3 、尽管实际切削时 y P力作用在工件圆周上，但现在激振是在工件轴心方向。 稳态正弦激励又称简谐激振，它是通过激振设备对被测试对象施加频 率可控的简谐激振力。常用的激振设备是频带宽，波形好的电磁激振系统， 由扫频信号发生器、功率放大器和激振器组成。简偕激振是要在稳态下测 定响应和正弦力的幅值比与相位差，幅值比为该激振频率时的幅值特性值， 相位差为该激振频率时的相频特性值。为了测得整个频率范围内的频率响 应，必须无级或有级地改变正弦激振力的频率，这一过程称为频率扫描或 扫描过程。在扫描过程中，必须采用足够缓慢的扫描速度，以保证测试， 分析设备有足够的响应时间和被激对象能够处于稳态振动状态。对于激振 力幅值，可进行恒力控制。其方法是采用高阻抗输出的功率放大器。通过 恒定的输出电流来实现恒力，或通过力的反馈对激振信号进行“压缩”控 制，实现恒力。 稳态正弦激励测试的步骤是： （1 ） 、在选定的坐标位置，对试件施加激振力。 （2 ） 、在选定的坐标位置，测量试件的振动响应。 （3 ） 、分析力信号和响应信号，求得机械阻抗的各种数据。 （4 ） 、输出、记录所需的数据。 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 本次试验中主要是采用这种方法测定固有频率，实验仪器及接法如下 图： 图 4 - 3 稳态正弦激励法测固有频率仪器及连接 实验中数据采集频率取 1 - 2 0 0 H z ， 这是因为铣床的工作转速最高只能达 到 3 0 0 0转/ 分，固有频率肯定存在于 1 - 2 0 0 H z之内，故在测定固有频率时 卧式铣床主轴悬臂梁系统振动减振问题的模拟试验研究 第 26 页 共 40 页 只需要在这个范围内测量就可以了。经过若干次的重复实验，发现测试的 重复性较好，测出的模型机固有频率主要有五阶，大致是在 2 . 9 9 、1 2 . 9 4 、 7 7 . 6 1 、1 4 4 . 2 8 、1 8 6 . 0 7 这五个频率左右。用绘图仪绘制幅频特性图，见附 图 1 。 43 脉冲锤激振法测固有频率 脉冲锤是一种产生瞬态激励力的激振器，它由锤体、手柄和可以调换 的锤头和配重组成，通常在锤体和锤头之间装有一个力传感器，以测量被 测系统所受锤击力的大小。 一般来说，锤击力的大小是由锤击质量和锤击 被测系统时的运动速度决定的。 激励的频率范围主要由接触表面刚度决定，锤头的材料越硬则脉冲的 持续时间越短，上限额率 e f 越高。为了能调整激励频率范围，通常使用一 套不同材料的锤头。 当用脉冲锤进行冲击激励时，它相当于对被测系统施加了一个半正弦 波的力脉冲，如图 ( a ) 所示。该类脉冲的频谱如图( b ) 所示，在小于上限频 率 e f 的频段内，脉冲的频谱基本上是平坦的， e f 以后迅速下降。一般来说， 锤头的材料越硬则脉冲的持续时间越短，上限额率 e f 越高。 ( a ) 时间响应 （b ）频率 图 4 - 4 脉冲激励图 在测量固有频率的过程中，我主要是运用稳态正弦激励法测定了模型 机的固有频率，这是因为用脉冲锤测量时，锤击力的大小是由锤击质量和 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 锤击被测系统时的运动速度决定的，这里面人的因素占很大比例，需要一 定的经验及力度，且重复性差，保证不了测试的精确度。故在本次实验中， 脉冲激振法仅仅作为对比，以下的减振实验中，均采用稳态正弦激励法测 试。用绘图仪绘制脉冲激振幅频特性图，见附图 2 。 第5 章 模型机的减振试验研究 51 正交实验原理 511 正交实验原理介绍 对多因素问题进行试验时，若对各因素不同的组合水平进行全面试验， 工作量的一般是很大的。例如四因素3 水平做 4 3= 8 1 次试验，六因素5 水平要 做 6 5= 1 5 6 2 5 次试验。因此要减少试验次数，又要得出全面的结论，这就需 要用科学的方法进行合理的安排，即对试验方案进行设计。 用正交表进行试验设计是目前应用较广的一种方法。正交表是指利用 “均衡搭配”与“整齐可比”这两条基本原理，从大量的全面实验方案中， 挑选出少量具有代表性的实验点，所制成的排列整齐的规格化表格。因为 正交表具有搭配均衡的特点，对正交表各列不同水平，从行的角度看去是 一个“完全”的搭配，即做到了第I 列的每一个水平都与第j 列( i - A j ) 的各 L（tm） 正 交 表 最多可安排的因素个数（表中列数） 因素水平数（表中字码数） L n(t m ) 卧式铣床主轴悬臂梁系统振动减振问题的模拟试验研究 第 28 页 共 40 页 个水平至少搭配一次且每两个水平搭配次数一样，均衡公平。因此将试验 中各因素对应于正交表的列，则正交表的行便是因素各水平组合中搭配均 衡的一部分，可以看成是所有组合水平中均衡抽样的样本。若按行所对应 的各个组合水平进行试验，便能减少试验次数，达到因素之间的均衡，同 时提供比较丰富的试验信息，得到较好的组合水平。 在试验中，正交表记号 L n（t m ）的含义如下： 正交表基本上可分为两种形式，同水平正交表和混合水平正交表。同 水平正交表是指各个因素的水平数相等的表格，当人们认为各个因素对结 果的影响程度大致相同时，往往选用同水平正交表。混合水平正交表，是 指诸因素的水平数不完全相等的正交表。当实验设计时，如感到某些因素 更重要而希望对其仔细考察时，就可将其取多一些水平，这样既突出了重 点，又照顾了一般。 正交表有下面两条重要性质： （1 ） 每列中不同数字出现的次数是相等的。 （2 ） 在任意两列中，将同一行的两个数字看成有序对时，每种数对出现 的次数是相等的。 这两个性质合成为“正交性” ，使实验点在实验范围内排列整齐，规律， 也使实验点在试验的范围内散布均匀，既“整齐可比，均匀分散” 。 因此，在进行本次的减振试验中，由于对钢球及其他减振材料作多因素 不同水平的全面试验，试验次数繁多，故采用科学的正交试验方法安排实 验步骤。 512 正交表安排实验的步骤 利用正交表安排试验并分析试验结果的步骤： （1） 明确试验目的，确定要考核的试验指标。 （2） 根据试验目的，确定要考察的因素和各因素的水平。要通过对实际 问题的具体分析选出主要因素，略去次要因素。这样可以使因素个 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 数少些。如果对问题不太了解，因素个数可适当地多取一些。经过 对试验结果的初步分析，再选出主要因素，因素被确定后，随之确 定各因