（机械制造及其自动化专业论文）机床结构动态性能分析及改进的实例研究.pdf

摘要 为提高数控机床的加工性能，其必须捌有良好的结构静、动态性能。论文结 合抑制轴承外圈沟槽超耪研机四杆机构产生的受迫振动。和对床身、工件箱和床 鞍等部件结幸冬改进以减小弧齿锥齿轮铣齿机切削时产生的自激振动的工程实例 研究了综合利用实验模态分析、有限元分析和运动仿真等技术对机床结构动态分 析与改进的方法。论文主要研究的内容如下： i 第一章介绍课题的研究意义和背景。介绍机械结构静动态分析设计技术的国 内外研究现状，以及实验模态分析、运动仿真技术、有限元法，计算机辅助 设计( c a d ) 和计算机辅助工程( c a e ) 等与机械结构动态设计密切相关的技 术。 2 第二章应用运动仿真软件对超精研机的四杆机构进行运动学和动力学分析。 根据对超精研机振动进行测试的结果，分析了运动仿真分析结果和振动测试 结果产生差异的原因，确定了解决超精研机振动问题的方案。 3 第三章对采用铝合金连杆的超精研机进行了动力学分析，并对铝台金连杆进 行了强度校核，再此基础上进行了改进。同时，分析了对超精研机附加配重 平衡方案的效果，和对轴承载荷和零部件的影响。 4 第四章对超糖研机平衡方案效果进行了实验验证，分析了在无机头时附加配 重的效果。对增加超精研机导轨预紧力的抑制振动效果进行了验证，对两侧 超精研机振动量的差别进行了分析，总结了目前超精研机装配中存在的问题。 5 第五章通过实验模态分析和有限分析来评价一台弧齿锥齿轮铣齿机的动、静 特性，并在此基础上确定了结构存在的薄弱环节。采用元结构分析原理对床 身、床鞍和立柱等结构进行了改进。 关键字；超精研机，弧齿锥齿轮铣齿机，四卡t 机构，有限元分析，动态设计。 a b s t r a c t s t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ci sv e r yi m p o r t a n tt oi m p r o v et h ec a p a c i t yo f n cm a c h i n et 0 0 1 i nt h i st h e s i s ，u s i n ge m a ，f e ma n de m u l a t i v et e c h n i q u et oa n a l y z e a n di m p r o v et h e 毯n l c m r ei ss t u d i e d t w oe x a m p l e s ，o n ei st or e s t r a i nt h ef o r c e d v i b r a t i o no ff o u r - b a rl i n k a g eo ff i n i s h i n gl a p p i n gm a c h i n e ，t h eo t h e ri st oi m p r o v et h e s t r u c t u r eo f b e d ，g l i d ep l a t ea n dw o r k p i e c e h e a d s t o c k ，8 1 ep r o v i d e d m a i nc o n t e n t sa r e l i s t e da sf o l l o w i n g ： 1 p r e s e n ts t a t u so f t h ef k l d so f d y n a m i c sd e s i g no f n cm a c h i n et o o l si si n t r o d u c e d ， i n c l u d i n go fd e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g yo fc a e ，c a da n de m u l a t i v et e c h n i q u e f i n a l l y ，t h er e s e a r c hc o n t e n ti ss t a t e d 2 t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co ff i n i s h i n gl a p p i n gm a c h i n ei sa n a l y z e dw i t ht h e s o f t w a r eo fd y n a m i cs i m u l a t i o n t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nd y n a m i cs i m u l a t i o na n d v i b r a t i o nt e s ti sa n a l y z e d t h e n , t h em e t h o dt os u p p r e s s i o nv i b r a t i o ni sp r o v i d e d 3 d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co ft h em a c h i n ew i t ht h ec o u p l e ro fa l u m i n i u ma l l o yi s a n a l y z e d i t si n t e n s i t ya n ds t i f f n e s si sc h e c k e db yf e m c a s e so fa d d i n g c o u n t - w e i g h ta r ec o m p u t e da n de f f e c tt ob e a rl o a d sa n dp a r t si sa n a l y z e d 4 t h ev a l i d i t yo f c a s eo f a d d i n gc o u n t - w e i g h ti sv e r i f i e d v i b r a t i o nm a g n i t u d ea f t e r i n c r e a s i n gp r e t i g h t e n i n gf o r c eo fr o l l i n gg u i d ea n dt w of i n i s h i n gl a p p i n g m a c h i n e si st e s t e da n dc o m p a r e d t h ep r o b l e mo f a s s e m b l i n gi ss u m m a r i z e d 5 b yu s i n gt h et e c h n o l o g yo fe m a a n df e mt h es t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c o fg e a rm i l l i n gm a c h i n ea r ee v a l u a t e d 。w e a k n e s so ft h em a c h i n ei sd e t e r m i n e d t h es t r u c t u r eo fb e d g l i d ep l a t ea n dw o r k p i e c eh e a d s t o c ka r ei m p r o v e dw i t l la i d o f t h et h e o r yo f u n i ts t r u c t u r e k e y w o r d s ：f i n i s h i n gl a p p i n gm a c h i n e ，g e a rm i l l i n gm a c h i n e ，f o u r - b a rl i n k a g e ，f e m ， d y n a m i cd e s i g n 独创性声明 本人声明所星交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘鲞盘茎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：彳为住 签字闩期：年互月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫叠! 盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 满伍 导师签名： 莎垂蕴峰 l 签字日期：一年月f r签字同期：7 即年2 月j 同 第一章绪论 第一章绪论 随着科学技术的发展，制造技术的进步，对机械产品质量和品种多样化的需 求增强，数控机床的应用越来越普及，要求现代数控机床成为一种具有柔性、精 密、高效、复合、集成功能和低成本的自动化加工设备，因此对机床结构各个部 件的静动态刚度的要求越来越高。随着数控机床的工作转速的提高，数控机床不 平衡的旋转部件和往复运动部分产生的惯性激振力越来越大，切削时产生严重的 振动，这就要求对运动部件进行良好的平衡，机床结构具有优良的抗振性能。此 外，装配质量的好坏也是决定整台机床性能好坏的重要因素。综合利用各种分析 和测试技术，对机床结构进行动态分析、设计和改进，改善装配质量成为提高机 床静、动性能的必要手段。 1 1 机械结构静、动态设计的原理及国内外研究动态 机械结构的动态特性问题很早就引起人们的重视。由于其涉及现代动态分 析、计算机技术、产品结构动力学理论、机构学、应用数学等众多学科范围，还 没有形成完整的动态设计理论、方法和体系。6 0 年代，随着振动实验技术的发 展，以及机械阻抗测试仪和频率特性分析仪的问世，使结构频率响应函数测试成 为可能，它可以反映机械机构的在外力的作用下的固有特性，有很多应用。7 0 年代发展起来的快速傅立叶变换( f f t ) 技术及有限元分析技术，可实现对机械结 构的实验建模和理论建模，8 0 年代未，机械机构的动态设计得到了发展”1 。作为 动态分析重要手段的实验模态分析技术( e 姒) 和计算机辅助工程技术( c a e ) 中 的有限元分析方法( f e m ) 以及运动仿真技术等有机地结合起来，使人们可以在 设计阶段对结构的性能进行预测，在此基础上可对其结构进行优化设计。 1 1 1 机床结构动态的设计原理 机床由于其加工过程中刀具和工件常发生切削振动，影响机床和刀具的使 用寿命，降低加工效率和精度。机床的切削振动是一种特定的自激振动，称为切 削颤振州。可通过如下途径来提高机床切削稳定性的途径：减小方向系数；提高 机床的等效静刚度，特别是提高主振型方向的刚度；增加等效阻尼跏“1 。提高机 械结构静、爱刚度的一般方法的原理如下。1 ： 第一章绪论 一n 自由度的无阻尼振动系统可表示为： m 取 + k b = 扩) ( 卜1 ) m 1 k 】分别为质量和刚度矩阵，扩 为外激励矩阵，这罩为零矩阵，辟 ，协 分别为物理坐标下的位移和加速度矩阵。式卜1 的特征方程为 陋】- 。2 【 ，】= o ( 卜2 ) 解此方程得m 的m 个互异丁f 根，按升序排序： 0 0 7 0 l 。0 2 m o 。，第i 阶模念圆频率： = 1 厝；或模态频率，0 ，= 去j 鲁 ( 卜3 ) 各阶固有频率兀，与，f 旦成正比，兀，高，说明单位质量的刚度高，材料的利 y 加。 用率高。根据上述原理对机床的结构进行设计时，尽量提高构件的模态频率，可 达到以最轻的重量获得最佳静、动刚度的目的。 对解决机床传动系统产生各种周期性激励所产生受迫振动，所采用的方法和 普通机械类似”“”，可采从降低或消除振源和提高机床结构抗振能力两方面来考 虑：如对转轴进行动平衡，对往复运动结构附加配重或附加结构进行平衡；提高 装配质量，增加接触面的刚度和阻尼的办法，束提高机床结合面的抗振能力。 1 1 2 提高机械动态性能的相关技术 1 机构的平衡技术 目前，随机械的工作速度的提高，这使得机构在运转过程中，各个部件本身 所具有的质量和转动惯量在运动状态下产生的惯性作用越柬越大，在高速机械中 这惯性作用力可超过外载荷，这种周期性变化的强惯性作用是产生机器振动、噪 声和疲劳等现象的主要原因“1 。若机床内部某些运动构件产生强惯性作用，会使 机床产生严重的受迫振动，降低加工质量，影响加工效率。对机构惯性力的平衡， 其中配重法0 1 是最为简单有效的平衡方法。7 0 年代发展起来的“线性无关向量法” 被实践证明是最有效的平衡方法“1 ，它使配重方法在理论上有了新的提高“1 。附 加配重法可平衡机构的惯性力，却不能完全平衡机构的惯性力矩，还需附加其它 形式的惯性裢件洲。3 来抵消原机构的惯性力矩，如附加齿轮对或附加杆组等机构 可以有效的解决这一问题”“”。目前，平面机构无论是完全平衡还是部分平衡均 有比较完善的解决方法；但空间机构由于其复杂性，还有许多问题有待深入研究。 第一章绪论 目前，人们正在对多项动力指标的综合平衡，实际有效的平衡方法，机构动力性 能的综合改善等方面进行新的探索6 1 。 2 机械模态分析方法 机械模态分析方法有实验模态分析、解析模态分析和二者混合模念分析方 法。实验模态分析为各种产品的结构设计和性能评估提供一个了强有力的工具， 其可靠的实验结果往往作为产品性能评估的有效标准，可以发现在设计阶段没有 预料到，而在使用时出现的缺陷和故障”1 。解析模态分析则可以根据几何模型对 结构的动态性能进行预测，特别随计算机技术和各种计算方法( 如f e m ) 的发展， 对复杂机械结构能够迅速作出预测，在设计的早期阶段发现结构的设计缺陷，便 于对结构进行优化，在机械动态设计方面理论模态分析获得了广泛的应用。由于 实际的机械结构中存在着大量结合面和支撑，而其参数日前还没有完善的数据 库，而一台机床9 0 以上的阻尼和5 5 的动柔度来自结合部“”；因此尚难建立 完全准确的动力学模型“”，单纯的解析方法进行动念设计尚不现实。而单纯实 验模态分析只能测量有限的几个低阶模念，并且受到测量精度影响；另外，实验 方法难于将溅得的模态参数转换为便于结构设计优化的尺寸或材料特性等参数， 不能在设计阶段对一个结构的动态性能进行预计和优化。实验模态分析和解析模 态分析各有优缺点，在结构动态设计中要综合发挥二者的长处。目前，经常采用 的方法是，根据实验模念分析的结果，对有限元模型进行修萨，然后根据现有的 动力学模型，预测修改后的结构模型的性能“。 3 模态综合技术 模态综合技术“1 是对大型复杂机械或结构进行分析的具有广泛前途的一种 实用技术，它与有限元法和实验模态分析方法紧密结合，采用近代的计算机技术 及先进的信号处理设备，被认为是机械振动和结构动力学方面近代发展的重要方 向。 模态综合技术思想可追溯到4 0 年代中期h s e r b i n 和t c s o f r i n 的工作。 6 0 年代，h u r t y 和g r a d w e l l 等人首先确立了模态坐标和模念综合的概念，为模 态综合技术的发展奠定了基础。这些早期的模态综合方法应用上有很大的局限 性，一般只适用于简单的梁一杆一轴式单连系统。但实际的大型复杂机构往往为 具有大量内连冗余约束自由度系统，利用上述方法很难对其实施计算。1 9 6 5 年 起，h u r r y ，b e n f i e l d ，h r u d a ，c r a i g ，b a m p t o n 和r u b i n ，h i n t z 等人先后从不同 侧面对古典模态综合技术进行改造，使之适应于一般工程结构的振动分析”1 。 1 9 7 9 年y t l e u n g 等又推出了模态综合超单元法，国内学者在这方面也做了大 量工作。8 0 年代，随着电子计算机的发展，这些方法在实际工程中得以广泛应 第一章绪论 用。目前模态综合方法按对接界面类型可分为两大流派：固定界面模态综合法和 自由界面模态综合法。这两种方法也是目l j 工程中最成熟、最常用的方法嘲。 4 动态优化设计 动力设计相对于动力分析是个反问题，其求解要比它的正问题困难得的多。 因此，在早期的动力设计中，受当时结构设计水平的限制，不得不采用经验、类 比或试凑等盲目性较大的设计方法。自7 0 年代以来，随着结构优化理论和方法 的发展，国内外开始致力于结构动力优化设计的研究。然而，与结构静力优化问 题相比，动力优化问题的求解要困难复杂得多，两个最令人棘手之处在于：( 1 ) 结 构动力优化模型中，目标或约束通常为设计变量的复合、隐式和高次非线性函数， 使得灵敏度分析、约束函数的处理以及优化求解都相当困难；( 2 ) 结构动力分析 复杂且费时、优化过程中的多次结构动力重分析使其求解极不轻松。 在结构磁力优化中，有关动力特性的优化研究成果相对较多。许多学者“3 h 旧 先后丌展了具有基频或频率禁区约束的结构优化设计；还有学者“”则进一步对以 频率和振型节点位置为约束的结构优化问题进行了探讨“”。 总之，对动态优化设计领域的研究有如下特点“： ( 1 ) 结构建模属于确定性模型，即将结构的全部参数及要求的频率限值等均 视为确定性量，尚未能对此类结构设计进行基于概率的结构动力特性优化研究。 ( 2 ) 大多针对某一固定结构进行改进优化，并将结构简化，未能总结出一类 结构( 尤其是复杂结构) 的优化知识及通用方法。 5 有限元技术 有限元法( f i n i t ee 1 e m e n tm e t h o d ，f e m ) 是一种采用电子计算机求解数学物 理问题的近似数值解法啪瑚1 。有限元是4 0 一5 0 年代中期在结构矩阵分析方法的 基础上发展起来的，随着计算机处理能力的极大增强、数值求解方法的改进及力 学知识的不断完善，有限元法得到了极大的发展和应用。 有限元法的典型步骤1 如下：连续体的离散化；选择位移模式：用变分原理 推导单元刚度矩阵；集合整个离散化连续体的代数方程；求解位移矢量：由节点 位移计算出单元的应变和应力。 结构动力分析是研究结构的动态特性及受动载荷作用产生的动态响应，它是 结构动态设计中的一个重要研究内容。在对复杂机械结构动力分析和动态设计方 面，有限元法是一种应用最广的理论建模方法。利用有限元作为工具进行结构分 析，使得复杂机械结构的静、动态分析及优化变得快速、容易。在机械结构的动 力分析中，利用有限元法建立结构的动力学模型，进而可以计算出结构的固有频 率、振型等模态参数以及动力响应( 包括动态位移和动应力) ，在此基础上还可 4 第一章绪论 根据不同需要对机械结构进行动态设计。随着电子计算机技术的发展和软、硬件 环境的不断完善以及高档微机和计算机工作站的逐步普及，现在已有许多著名的 有限元程序可资利用，从而为有限元法在机械结构动态设计中的推广应用创造了 更为良好的条件，并将展示出更为广阔的工程应用前景。 1 2 机械产品的计算机辅助技术研究现状 随着计算机软硬件的发展，计算机技术在产品的开发、设计、分析与制造的 应用同益广泛，己成为近代工业提升竞争力的主要方法。设计自动化技术已为工 业界所广泛应用，并已从辅助设计过程的后期阶段向辅助概念设计阶段推进。许 多学者将以计算机辅助为手段的产品设计，分析、制造、创新技术统称为c a x 技 术，也称计算机辅助机械工程( m c a e ) 技术”啪1 。c a x 技术涉及的内容非常广泛， 其中计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ：c a d ) 和计算机辅助工程 ( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ：c a e ) 和机械动态设计密切相关。 1 2 1 计算机辅助设计( c a d ) 计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ：c a d ) 是借助计算机系统在工程和 产品设计的各个阶段提供快速、有效的工具和手段，以辅助设计人员加快和优化 设计过程和设计结果，以达到最佳的设计效果的一种技术“”。目前，常用的三维 几何建模软件有i n v e n t o r 、u g 、s o l i d e d g e 、s o l i d w o r k s 、c a x a 一3 d 和p r o e 等。 1 c a d 软件的发展和应用 计算机辕助设计的基础是c a d 软件，c a d 软件的发展水平直接制约设计水平 的发展。7 0 年代的第一代c a d 系统，它以交互式图形编辑为特点，二维设计系 统得到比较广泛的应用。由于三视图表达不完整，设计完成后要以一定比例的油 泥模型作为设计评审和方案比较的依据。8 0 年代出现了第二代c a d 系统，商品 化的三维实体造型系统投入使用，p c 机上的c a d 系统迅速普及。进入9 0 年代， c a d 系统向集成化、智能化方向发展，二维c a d 技术全面普及，三维特征造型技 术和参数化技术获得了巨大的发展。目前，流行的c a d 技术主要是以p r o e 为代 表的参数化基于约束的实体造型技术，在这之i ； ，基本上是以表面及线框造型技 术为代表的无约束自由造型技术”“。目前，很多c a d 软件集成几何建模、有限 元分析、机构的运动学和动力学分析等功能”，可利用各种技术( 如有限元、优 化设计等分析方法) 对方案进行评价和计算，对主要零部件进行强度、刚度的校 核计算。 5 第一章绪论 2 三维c a d 的主流技术 1 ) 参数化技术 参数化( p a r a m e t r i c ) 造型系统是一种尺寸驱动( d i m e n s i o n d r i v e n ) 系统。 采用预定义的办法建立图形的几何约束集，指定一组尺寸作为参数与几何约束集 相联系，因此改变尺寸值就能改变图形。其主要技术特点是：基于特征、全尺寸 约束、尺寸驱动设计修改、全数据相关。 这种技术的优点在于：它彻底克服了自由建模的无约束状态，几何形状均以 尺寸的形式而牢牢地控制住。如打算修改零件形状时，只需编辑一下尺寸的数值 即可实现形状上的改变。尺寸驱动已经成为当今造型系统的基本功能。 参数化造型系统一般不能改变图形的拓扑结构，因此想对一个初始设计做方 案上的重大改变是做不到的；其设计对象结构形状一般比较固定，其控制尺寸和 参数之间有显式对应关系旧1 。 2 ) 变量化技术 变量化技术是在参数化的基础上又做了进一步改进后提出的设计思想。变量 化设计( v a r i a t i o n a ld e s i g n ) 是指设计对象的修改需要比参数化设计更大的自 由度，通过求解一组约束方程来确定常品的尺寸和形状。这些约束方程可以是几 何关系，也可以是工程计算条件，设计结果的修改受到约束方程驱动。变量化造 型的技术特点是保留了参数化技术基于特征、全数据相关、尺寸驱动设计修改的 优点，但在约束定义方面做了根本性改变，可以用于公差分析、运动机构协调、 设计优化、初步方案设计等，尤其适合于概念设计1 。v 6 x 技术为c a d 软件带来 了更好的易用性，设计人员可以非常直观地实时地进行产品三维几何模型的操作 和修改，极大改进了交互操作的直观性及可靠性。 变量化分析是在参数化、变量化造型和有限元分析的基础上进一步发展而提 出的一种面向设计的快速重分析方法。在设计早期进行设计验证和预测产品性能 可减少产品开发过程的反复。变量化动态分析是在结构布局、关键设计参数在一 定范围内发生变化时，分析结构的固有频率、动态响应等结构动态参数的变化情 况，以选择合适的结构布局和尺寸参数，提高结构的动态性能。 关于变量化分析，目前的研究大致可分为两个方面： 一个方面是理论、算法的研究，主要是研究有效的算法，来进行结构尺寸， 形状以致结构拓扑关系的灵敏度分析、参数优化等，如对于结构形状设计的灵敏 度分析，有文献啪”“。2 1 所述的直接变量化方法( 微分法) 和组合算法等。在这些 算法基础上丌发的软件。比较典型的有p r o e 及i d e a s 的分析模块。还有目前 s d r c 公司提出的基于v g x ( v a r i a t i o n a lg e o m e t r ye x t e n d e d ) 的高阶导数分析 算法，能够利用一个几何造型和有限元模型即可分析出某一或多参数的灵敏度， 6 第一章绪论 并以此开发了i d e a s 软件中的v a r i a t i o n a la n a l y s i s 模块。 c a d o e 公司的参数分析可通过一次分析求解得到设计参数变化的所有结果， 在设计早期更好地了解在整个设计空间设计参数与性能之h j 的关系，从而极大地 降低设计的迭代次数，缩短设计周期。基于高阶导数和泰勒展开法的变量化分析 算法m 1 ，能够利用变量化几何造型v g x ，通过一次网格划分和一次分析求解，就 能够得出多个设计参数在一定范围内变化的所有组合情况。 另外，还有基于正交试验的响应面设计法( r e s p o n s es u r f a c em e t h o d ，r s m ) 。利用正交表，从众多试验( 这罩指有限元计算) 中选择最有代表性的少数几 项试验，就能获得可靠的试验结果。然后，可根据试验结果建立拟合曲线、曲面 等设计变量对目标函数的响应面模型。 1 2 2 计算机辅助工程( c a e ) 计算机辅助工程( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ：c a e ) 可以分为两类：一 类是对c a d 系统确定的几何形状数掘直接进行处理的系统，利用几何模型计算零 件的体积、重量、中心和转动惯量等参数，分析机构的运动、受力等状况；另一 类是将有限元法等数值分析方法与c a d 系统融合在一起的系统“”。数值分析方法 中的有限元法( f e m ) 应用的领域越来越广，现已应用于结构力学( 包括线性与非 线性) 、结构动力学、热力学、流体力学、电路学、电磁学等，而越来越多的发 展，结合不同的领域，像流体与结构力学的结合，电路学与电磁学的结合，使得 c a e 的发展越来越迅速，应用也越束越广泛”。 1 计算机仿真技术 仿真技术是以控制论、系统论、相似原理和信息技术为基础，以计算机和专 用设备为工具，用系统模型对实际的或设想的系统进行动态试验研究的一门多学 科的综合性技术”。目前，虚拟样机仿真技术作为计算机辅助工程( c a e ) 的重 要组成部分在机械设计领域获得了越来越广泛的应用，虚拟样机仿真技术的核心 是机械系统运动学和动力学。其流程是先在计算机上建立样机的c a d 模型，对模 型进行各种动态性能分析然后改进样机设计方案，从而在设计早期就能比较精确 地预测产品的性能便于及早发现问题并解决问题，最大限度地保证试制成功，大 大缩短了产品的设计开发周期，并降低了成本。目前常用的软件有a d m a s ， m s c v i s u a l n s t r a n4 d ；常用的c a d 软件，如p r o e ，u g 中均有运动仿真模块。 本文中使用了m s c v i s u a l n a s t r a n4 d 软件对超精研机的四杆机构进行分 析；该软件为惦c 公司的一款融合了运动分析功能和有限元分析功能的软件，其 采用了熟悉的w i n d o w s 界面，操作方便。通过设置约束、受力和电机等，完成对 7 第一章绪论 c a d 模型的运动分析，可以计算出产品的运动情况，检测干涉和碰撞并计算约束 载荷。利用其有限元分析功能和计算所得的载荷，可以确定整个装配体的应力， 振动模态，屈曲和热传导特性。该软件几乎可以从所有的c a d 软件导入几何模型， 还可以和l f l a t l a b 的仿真模块s i m u l i n k 进行连接。 2 f e m 软件的发展趋势 有限元分析软件与c a d 系统的集成应用使设计水平发生了质的飞跃，即增加 设计功能，减少设计成本。当今国际上f e m 方法和软件丌发呈现出以下趋势特征 ： 1 ) 从单纯的结构力学计算发展到求解多物理场问题。有限元分析方法最早 是从结构化矩阵分析发展而来，逐步推广到板、壳和实体等连续体固体力学分析。 近年来有限元方法已发展到流体力学、温度场、电传导、磁场、渗流和声场等“耦 合场”问题的求解计算。 2 ) 增强可视化的前置建模和后置数据处理功能。目前几乎所有的商业化有 限元程序系统都建立了对用户非常友好的g u i ( g r a p h i c su s e ri n t e r f a c e ) ，使 用户能以可视图形方式直观快速地进行网格自动划分，生成有限元分析所需资 料，并按要求将大量的计算结果整理成变形图、等值分布云图，便于极值搜索和 所需资料的列表输出。 3 ) 与c a d 软件的无缝集成。当今所有的商业化有限元系统商都开发了和著 名的c a d 软件( 例如p r o e n g i n e e r 、u g 、s o l i d w o r k s 、i d e a s 和a u t o c a d 等) 的 接口。 4 ) 在w i n d o w s 平台上的发展。早期的有限元分析软件基本上都是在大中型 计算机上开发和运行的，后来又发展到以工程工作站( e w s ，e n g i n e e r i n g w o r k s t a t i o n ) 为平台，当前国际上著名的有限元程序研究和发展机构都纷纷将 他们的软件移植到w i n d o w s 平台上。 利用有限元软件提供与c a d 软件的接口，可以提高有限元建模的速度，减少 使用有限元分析的时间和成本。但是，由于c a d 模型中存在螺纹等细小特征，会 使单元的划分过细，单元数量急剧增加，往往不能直接引用c a d 模型，需要对 c a d 模型进行适当简化”“。 3 f e m 软件的应用及意义 有限元分析软件的应用，特别是与c a d 系统的集成应用使设计水平发生了质 的飞跃，即增加设计功能，减少设计成本。主要表现在以下几个方面。”：1 缩短 设计和分析的循环周期；2 增加产品和工程的可靠性；3 采用优化设计，降低材 料的消耗或成本；4 在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题：5 模拟各种 8 第一章绪论 试验方案，减少试验时间和经费；6 进行机械事故分析，查找事故原因。 f e m 软件可以使企业必须以高质量低成本的产品迅速占领市场，提高其竞争 力，因此目前p e m 分析工具在航空航天、机械制造、汽车交通、电子、土木工程、 水利等各行各业获得了广泛的应用。 4 有限元分析软件a n s y s 的简介 a n s y s 软件是由美国a n s y s 公司丌发的大型有限元分析软件，应用极为广泛。 a n s y s 程序是一个功能强大灵活的设计分析及优化软件包，该软件可以运行于p c 机、n t 工作站、u n i x 工作站直至巨型机的各类计算机及操作系统中；可以进行 静、动态分析、热分析、流体分析等单一物理场分析，及热一固、固一电一磁等 多物理场的分析。 a n s y s 建馍可以由交互式图形界面( g u i ) 建立，命令流批处理( b a t c h ) 方式建 立和利用a n s y s 共享数掘接口导入已经建好的c a d 模型等三种方式完成。其中， 命令流批处理方式使用由a n s y s 为用户提供了二次丌发工具a p d l ( a n s y s p a r a m e t r i cd e s i g nl a n g u a g e ) 语占来完成。a p d l 语言是a n s y s 软件提供的进 行参数化设计语言，利用a p d l 可以实现参数化建模、加载、定义边界条件、求 解及后处理等操作。与其它的结构化程序一样，a p d l 提供了丰富的命令集，如 几何( 点、线、面、体) 的定义与操作、网格划分、定义边界条件、加载、逻辑 控制命令、条件与循环命令、分析流程命令、数据文件读写等。a n s y s 可以与许 多c a d 软件如p r o e n g i n e e r 、a u t o c a d 、u g 和c a t i a 等的数掘接口1 ，可以精确 地将c a d 系统下的生成的几何数据传入a n s y s 。可以识别的几何模型文件格式有 p r o e ，u g ，p a r a s o li d ，s a t 和i g e s 等。 1 3 课题的提出和研究内容 1 3 1 课题的提出 目前，随着数控机床切削速度的提高，对机床传动机构和各零部件的设计提 出了越来越严格的要求。机床的传动部件产生的惯性激振力随着速度的提高而增 加，对机床的抗振性和传动部件的设计提商出了更高的要求。机床切削产生的颤 振会影响机床切削的效率和加工质量，对机床的各个零部件进行合理的结构设计 是提高机床切削稳定性的有效方法。而我国机床的设计正处于起步阶段，并且加 上机床结构比较复杂，仍然采用传统的静念设计，缺乏科学的计算方法，使机床 部件设计不合理，这不仅浪费材料，也会降低整台机床的可靠性和加工效率和精 9 第一章绪论 度。因此，对机床结构动态性能分析和再设计非常必要。 本课题围绕机械结构静动念性能分析与设计技术，结合企业提出的抑制轴承 外环沟槽超精研机四杆机构产生的强迫振动问题，改进数控弧齿锥齿轮铣齿机床 身、床鞍和工件箱等部件束提高机床抵抗切削颤振能力的实际工程技术问题，研 究机床结构动态设计和振动抑制的问题。 1 3 2 论文的主要内容 本文研究机床结构静动态性能分析和改进技术，结合上海f 1 发数字化公司的 轴承外环沟榷超精研机和天津精诚公司的数控弧齿锥齿轮铣齿机的床身、床鞍和 工件箱等设计改进等实例进行理论分析和实验研究。 论文主要内容如下： 第一章：介绍了本课题的研究意义和背景。首先介绍机械结构静动态分析设 计技术的国内外研究现状，有限元分析方法在机械结构分析设计的应用意义和应 用现状；其次介绍计算机辅助技术中计算机辅助设计( c a d ) 与计算机辅助工程 ( c a e ) 的研究现状。 第二章：主要是对精研机使用仿真软件m s c v i s u a l n a s t r a n4 d 对精研机四 杆机构进行运动学分析和动力学分析；并根据实验结果分析超精研机产生振动问 题的原因，为提出改进方案做好准备。 第三章：本章主要是在第二章的基础上提出了精研机的改进方案，并对各改 进方案应用软件m s c v i s u a l n a s t r a n4 d 进行了分析。 第四章：本章主要对精研机的附加配重和增加导轨预紧力的减振效果进行了 实验，同时确定了影响精研机动态特性的装配质量问题。 第五章：本章通过实验模态分析、有限元分析和局部“刚化”的等方法，确 定了弧齿锥齿轮铣齿机床身、床鞍和工件箱的结构薄弱环节。并根据上述分析提 出了对这些零部件的改进方案。 l o 第_ 二章超精研机振动问题的理论和测试分析 第二章超精研机振动问题的理论和测试分析 轴承外圈沟槽超精研机是轴承生产中的重要设备，用于对轴承沟槽的精加 工。上海e 1 发数字化有限公司设计的超精研机最大工作转速为1 5 0 0 r p m ，但转速 高于8 0 0 r p m 时，机架出现了严重的振动使得加工不能正常进行。超精研机转速 的提高不仅可以提高生产效率，而且可采用硬度更高的油石，从而提高磨削后沟 槽的形状精度和降低表面粗糙度，减小油石的消耗，降低加工的成本。 超精研机传动链结构中存在的四杆机构和由摇杆带动的机头( 如图2 - 1 ) ，运 动时使超精研机机架受到了周期性变化的惯性力和惯性力矩的激励“1 ，其大小与 曲柄转速的平方成j 下比；该厂设计的a 型超精研机采用滚动导轨，且无丝杠螺母 机构其抗振能力较差。上述两个原因可能是造成a 型精研机工作转速不能提高的 两个可能原因。本章将用软件 m s c v i s u a l n 8 s t r a n4 d 对机头 规格相同，但四杆机构轮廓尺 寸不同的a 、b 两种型号超精研 机( 以下分别简称a 机和b 机) 进行运动学和动力学的分析对 比，对a 机的振动情况进行实 验，在此基础上拟定了超精研 机问题的解决方案。 2 1 超精研机的运动学分析 超精研机如图2 2 是通过四 杆机构将电机的旋转运动转化为 图2 - 1a 机的结构图 圈2 - 2b 机的结构图 第二章超精研机振曲问题的理论和测试分析 精研头摆动。a 、b 两型号超精研机四杆机构中各个杆件的运动规律基本相同， 但由于四柯机构尺寸的差别使它们运动的具体数值有所不同。在 m s c v i s u a l n a s t r a n4 0 中的分析模型如图2 - 3 ，图中为分析的仞始位置；计算 时取最大工作状态曲柄转速1 5 0 0 r p m ；因加工过程中的切削力极小，计算时不考 虑切削力的作用。 图2 - 3a 机在m s c v i s u a l n a s t r a n4 d 中的模型年i j 坐标系定义 ( x 轴罨直纸面向里) 2 1 1 各个杆件的运动分析 表2 - 1a 、b 机杆什尺寸( 机头摆角4 0 ) 超精研机曲柄迓杆摇杆联架杆 型号 “m m ) a a b ( m m ) b a c ( m m ) c l ad ( m m )d a a 机 2 5 412 3 0 8 39 0 8 77 52 9 5 32 3 0 9 69 9 0 3 b 机1 5 5 l 1 6 1 9 9i o 4 54 52 9 0 31 6 2 9 3l o 5 1 说明：表中第二项的晖寸为四杆机构各杆件与曲柄艮度的相对尺寸。 超精研机机头和摇杆为整体结构运动规律相同。分析时只计算摇杆的运动。 a 、b 陌型号超精研机的曲柄、连杆、摇杆和机头在工作时的运动形式如下：曲 柄近似做匀速转动：连杆的运动可以分解在平面y o z 内连杆质心的平动( a 机见 图2 4 和图2 8 ，b 机见图2 1 0 和图2 - 1 4 ) 和绕连杆质心的往复摆动( a 机见图 2 5 和图2 9 ，b 机见图2 一l l 和图2 - 1 5 ) 。 通过图2 4 至图2 1 5 中对a 机和b 机的运动分析，可以得如下结论： ( 1 ) h 、b 两机摇杆摆动到两极限位置时，角加速度达到大值： ( 2 ) 摇打角速度最大时，其角加速度为零，a 、b 两机摇柯运动基本相同； 1 2 第- 二章超精研机振功问题的理论和测试分析 ( 3 ) b 机连杆的角速度和角加速度以及连杆质心的加速度要小于a 机； 由表2 一l 知b 机连杆的相对尺寸要大于a 机，因此b 机连杆摆动的角度，连杆角 速度和角加速度要小于a 机；b 机减小了四杆机构的轮廓尺寸，所以降低了连杆 质心的加速度。 2 0 1 0 0 - 1 0 一加 ：厂i j j 01 2 3 0 04 0 0 曲柄转月址 伽 舢 0 2 0 4 0 0 0 八 7 。? 、_ _ 、，_ 01 0 02 0 004 曲柄转一( d c - - 3 图2 - 4a 机迮杆的角速度图2 - 5a 机连杆的角加速度 一搬，d 厶 1 即 0 瑚 - 1 八、 0 1 椰最0 鲫 枷 1 哪 o 一1 删 一2 嗍 一 01 2 0 0铷4 0 0 曲柏转一日耳) 图2 a 机摇杆的角速度图2 7a 机鑫料的角加速度 二二嫠 ：；岛一 y 仂 曲僻蚺她) 图2 - 8a 机连杆质心的速度 1 3 = 迄黝_ 4 2 o - 2 4 、一。 。l ，j 。| 01 2 0 0湖4 0 0 曲辆转一妇e d 图2 - 9a 机近轩质心的加速度 第二章超精研帆振动问题的理论和测试分析 慨t a d dv t 曲辆转一( d 韩) a i f x a d d * 2 ) 曲桐转玛妇) 图2 1 0b 机连杆的角速度 曲辆转一沁) l ! 日2 - 1 l b 机迕杆的角加速度 一揪, a d s )一a t f x 0 重i 触 曲柄转一妇 c ) 图2 1 2b 机j i ：杆的角速度 = 毪( r r i ( m s s ) ) 一w 4 2 0 2 - 4 、a ? 汐。 、 01 2 3 枷 曲柄转一韬e ) 1 0 0 5 咖 0 5 0 0 0 1 哪 - 1 5 0 0 0 ：厂 7 8 1 2 0 0：3 0 04 0 0 曲柄转角( d e | ) 图2 1 3b 机摇杆的角加速度 _ 二k a x2 ：；舄一“y 觚锄 v 毫曲 疗转冉( d e l ) 图2 - 1 4b 机连杆质心的速度 图2 - 1 5b 机连杆质心的加速度 2 1 2 机头摆动角的调节 超精研机机头摆动角度可通过改变曲柄长度来调整；曲柄长度和机头摆动 角的关系，可以使用式( 2 1 ) 表示： 西= a r c c 。s 垡：生2 二d c 堕垡一a r c c 。s 堑2 二d c 鲤二垡 ( 2 1 ) ， 1 4 第二章超精研机妊动问题的理论和测试分析 其中，m 为机头摆动角度，a 、b 、c 和d 分别为曲柄、连杆、摇卡t 和联架杆的长 度。图2 - 1 6 为使用软件l a t l a b 计算得到的a 机和b 机机头摆角和衄柄长度之 间的关系曲线，可知两型号超精研机机头摆动角和曲柄长度近似的呈正比关系， 可以用式( 2 2 ) 咖= k a ( 2 - 2 ) 来近似的表示，这样可方便设计和使用人员计算出某一机头摆动角度所对应的曲 柄的长度。式中：由单位d e g ，a 为曲柄的长度，单位啪；k 为系数，单位d e g m m 。 型号a 的系数k = i