（机械制造及其自动化专业论文）机床固定结合面动态特性参数实验研究.pdf

摘要机床固定结合面动态特性参数实验研究 摘要 珊r l l f r lp i j i f lr r l l j i f li i i iipiix y19 1 | 9 | h i | 4 1 1 1 | 1 6 i l l e11161 i l l l 论文基于国家重大科技专项“高档数控机床与基础制造装备 展开研究工作，以 建立通用的结合面特性数据库，提高机床数字化动态设计精度为目的，对固定结合面 的动态特性参数的识别进行了较为系统的研究。 通过消除基础及其他部分影响，建立了固定结合面的测量模型，并通过选用模态 仪器，在合理的激励方式下，建立了可实现多通道实时测量的测量平台，提高了结合 面参数识别的精度。提出了实验装置的设计准则，在满足刚度、平稳性及通用性的前 提下，设计了满足测量模型要求的实验装置，并对重要部件进行了有限元分析。 通过分析固定结合面动态特性的主要影响因素，提取了固定结合面的特征参数并 设计了实验方案。通过对数据采集前的模态分析软件设置过程、系统的振型判定以及 m a t l a b 数据处理三个方面，详细讨论了结合面动态刚度和动态阻尼的参数识别过程， 并在单位面积特征参数转换时对螺栓的影响进行了剔除。 通过对所获得的大量试验数据整理分析，研究了结合面法向压强、表面粗糙度、 材料及介质等因素对结合面动态刚度和动态阻尼的影响。应用实验获得的基础动态特 性数据对滚动导轨测试平台中的固定结合面进行了有限元仿真分析，并通过力锤激励 进行了模态试验，通过对比有限元分析结果和实验结果，证实了所获得数据的有效性。 关键词：固定结合面，实验，动态特性参数，结合面影响因素 a b s t r a c t 机床固定结合面动态特性参数实验研究 a b s t r a c t t h es t u d yo ft h i st h e s i si sb a s e do nt h er e s e a r c ho f “h i g hg r a d ec n cm a c h i n et o o l a n db a s i cm a n u f a c t u r i n ge q u i p m e n t t h er e s e a r c ha i m st ob u i l dt h ej o i n tc h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e rl i b r a r ya n di m p l o v et h em a c h i n e t o o l sd y n a m i cd e s i g no fp r e c i s i o n a s y s t e m a t i cr e s e a r c ho nd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e ro ff i x e dj o i n t si d e n t i f i c a t i o ni s d o n ei nt h i sp a p e r t h em e a s u r e m e n tm o d e lo ff i x e dj o i n ti sd e v e l o p e db ye l i m i n a t i n gt h ei n f l u e n c eo f b a s ed i s p l a c e m e n t b y s e l e c t i n gp r o p e rm o d a li n s t r u m e n t sa n de x c i t a t i o ns i g n a l ，t h e r e a l - t i m em e a s u r e m e n tp l a t f o r mo fm u l t i c h a n n e li sb u i l tt oi m p l o v ep r e c i s i o no fj o i n t p a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o n t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sa r ec o n s i d e r e di nt h ed e s i g ns c h e m e ， s u c h 嬲v i b r a t i o ns t a b i l i t y , s t i f f n e s s ，g e n e r a l i t y t h ev a l i d a t i o no fi m p o r t a n tc o m p o n e n ti s d o n eb yf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s t h e e x p e r i m e n t a l s c h e m ei s d e s i g n e dt h r o u g ha n a l y s i s o ff i x e d j o i n t s m a i n i n f l u e n c i n gf a c t o r s i no r d e rt os p e c i f yf i x e dj o i n ts t i f f n e s sa n dd a m p i n gc o e f f i c i e n t i d e n t i f i c a t i o np r o c e s s ，t h em o d a ls o f t w a r es e t t i n g sb e f o r em e a s u r e m e n ta n dt h es y s t e m s m o d es h a p ei n s p e c t i o n ，a sw e l la st h ed a t ap r o c e s s i n go fm a t l a bi sd i s c u s s e d i na d d i o n ， t h ee f f e c to fs c r e w si sr e m o v e d i nt h eu n i ta r e ac h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e rc o n v e r s i o n d i f f e r e n tf a c t o r ss u c ha sn o r m a lp r e s s u r e ，s u r f a c er o u g h n e s s ，m a t e r i a l sa n dm e d i ao f j o i n tw h i c hh a v ea ni n f l u e n c eo nf i x e dj o i n td y n a m i cs t i f f n e s sa n dd a m p i n gi sd i c u s s e db y b yc o l l a t i n gt h ee x p e r i m e n t a ld a t a t h ef i x e dj o i n t si nt h et e s tr e q u i r e m e n to fr o l l i n gg u i d e i sa n a l y z i e db yu s i n ge x p e r i m e n t a ld a t ai na n s y s i na d d i o n ，t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s r e s u l ta n de x p e r i m e n t a lr e s u l ti sc o m p a r e d ，w h i c hc o n f m n st h ev a l i d a t i o no fe x p e r i m e n t a l d a t ao b t a i n e d 厂 k e yw o r d ：f i x e d j o i n t ，e x p e r i m e n t ，d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s ，j o i n ti n f l u e n c e f a c t o r s 硕士学位论文机床固定结合面动态特性参数实验研究 1 绪论 1 1 课题来源 在社会高速发展的今天，制造业现代化水平显得尤为重要。高档数控机床是推进 制造业发展的关键，是保证国防工业发展的战略装备，更是对高技术产业发展起到了 支撑作用，因而越来越引起各国的重视。 从1 9 4 9 年我国开始生产皮带简易机床以来，经过6 0 多年的发展，中国已超越日 本成为机床第一生产大国。中国机床工业在这几十年取得的进步毋庸置疑，但是国内 市场中国产高档数控机床的占有率仍然十分低，中国仍是世界第一机床进口国。这是 由于国内机床市场高端产品严重缺失，中低端竞争过剩，低水平的产能过剩，严重制 约着机床行业的可持续和健康发展。国产高档数控机床和国外相比，在机床加工精度， 使用年限及可靠性、工作噪声等方面仍有很大差距。由于国外知识产权保护，高档数 控机床的关键技术并不对我国开放，因此提高高档数控机床与基础制造装备的自主研 发能力显得尤为重要。 2 0 0 9 年1 2 月2 4 日，温家宝总理主持召开的国务院常务会议上审议通过了“高 档数控机床与基础制造装备科技重大专项实施方案”。根据国家中长期科学和技术 发展规划纲要( 2 0 0 6 2 0 2 0 ) ，“高档数控机床与基础制造装备重大专项”列为十六 个国家科技重大专项之一，该专项规划将重点解决我国对高档数控机床的自主研发能 力薄弱、配套体系的专业化程度不高、产品的自动化水平低、可靠性和精度保持性差 等较为突出问题。 本课题来源于“高档数控机床与基础制造装备 科技重大专项下的子课题 “机床结合面特性数据库及整机静动态精度数字化设计系统”( 2 0 0 9 z x 0 4 0 1 4 0 3 6 ) ， 其目标是建立通用的结合面特性数据库，开发考虑结合面接触耦合特性的机床整机设 计软件系统和设计知识库，有助于提高我国高档数控机床的自主创新开发能力和设计 水平。 1 2 课题研究意义 为了满足各种功能、加工或方便运输等要求，机床或者各种机械结构都是由各种 功能部件按照一定的具体要求组合而成，这些功能部件、零件相互连接的接触表面， 称为“机械结构结合面 ，或简称为“结合面”。 各种复杂机械中均包含着各种各样的结合面。从运动方式来看，结合面可以被分 为三类，固定结合面、半固定结合面以及运动结合面。其中固定结合面的存在最为广 1 绪论硕士学位论文 泛，主要起到连接和支承的作用，如机床中的立柱与床身之间的连接，电机与电机座 之间的连接，螺母与螺母座之间的连接等。半固定结合面指的是两零件之间在工作时 时而固定，时而相对运动的结合面，典型的半固定结合面为摩擦离合器的连接与接触。 而运动结合面是指两零件在工作时有相对运动的结合面，最为常见的运动结合面是滚 动导轨中滚动体与导轨或滚动体与滑块之间的连接面。 从以上列举的多种多个结合面可以发现结合面在各类机械结构中大量存在，因而 结合面之间的接触刚度和接触阻尼与机械结构的动静态特性之间存在着密不可分的 联系。 首先结合面间的接触刚度影响着机械结构的静态特性。n b a c k 在1 9 7 9 对结合面 的研究表明l l j ，机床静刚度的百分之六十到百分之八十由结合面间的接触刚度引起， 这意味着即使提高机床中其他多个构件的本身刚度，如果未能处理好结合面间的接触 刚度，也无法提升整机的刚度。l e v i n a 在1 9 6 7 的实验研究表明 2 1 ，导轨结合面的变 形占到了车床中溜板、刀架结构总变形的百分之七十五。同时车床尾架结合面的变形 占到了其结构总变形的百分之六十到百分之七十。这些研究都表明结合面接触刚度对 机械结构整体刚度起着决定性的作用。 其次，结合面间的接触阻尼影响着机械结构的整体动态性能。c e b e a d s 在其研 究中表明【3 j ，在机床、齿轮箱等大型复杂机械中，大概有百分之九十以上的阻尼来自 结合面间的接触阻尼，且结合面间的接触阻尼远小于机械部件本身的阻尼。j p e t e r s 4 1 在测定钢和铸铁主轴阻尼比时，通过对比安装主轴前后测定的阻尼值发现，安装钢主 轴后和安装铸铁主轴后的阻尼比分别是钢和铸铁本身材质阻尼比的3 0 0 倍和3 0 倍。 结合面的阻尼对机械结构阻尼占有绝对主导的作用。 同时，机床的振动问题也是影响机床动态特性的重要问题之一。而根据调查统计 表明，百分之六十以上的机床振动问题是由结合面引起。结合面的非线性特性导致了 机床整机结构的非线性，进而使得机床发生颤振，影响了机床加工精度。结合面动态 特性中，接触阻尼的特性在较大程度上影响着机床颤振现象的发生。因此深入研究结 合面接触阻尼非线性问题必定能为提高机床动态加工性能做出很大的贡献。 在有限元分析技术、现代模态分析技术等现代动态特性优化技术和高存储量、高 运算速度的计算机硬件支持下，设计者已可以在图纸设计阶段对部分机械机构进行结 构的动态特性预测和分析，在一定程度上可以准确计算得到某些部件的动态响应，从 而在很大程度上缩短了设计周期，节省了样机制造成本，提高了产品竞争力。但是在 处理机床等较为复杂的机械机构，由于没有对多个结合面间建立准确的动力学模型， 也没有准确的结合面的动态特性参数，而多是简单的把结合面看成为刚性，在线性理 论下对结构进行动态特性分析，因而与实际出现了较大的偏差。因此为了准确预测机 床的动态特性，必须在考虑结合面这一环节的前提下，才能够对机床建立准确的动力 2 硕士学位论文 机床固定结合面动态特性参数实验研究 学模型，从而对机床结构的非线性特点有准确的预测。 深入研究结合面动态特性，建立准确的结合面动力学模型，对结合面动态参数进 行准确识别从而建立通用的结合面特性数据库，开发考虑结合面接触耦合特性的机床 整机设计软件系统和设计知识库，将有助于改善机床动态特性设计水平，提高机床设 计自动化程度。 1 3 国内外关于结合面的研究概况 最早的结合面研究可以追溯到2 0 世纪5 0 年代苏联学者r e s h e t o v 和l e v i n a 对于 滑动导轨及其连接面的静态特性研究，自此以后，德国、日本、美国和我国学者都开 始了对结合面的研究工作，取得了一定的研究成果。 1 3 1 结合面基础理论研究概况 结合面的基础理论主要从粗糙表面的接触理论开始研究【5 j 【6 】。首先需要对粗糙表 面接触建立力学模型。j a g r e e n w o o d 和j b w i l l i a m s o n 在19 6 6 年的研究统计发现1 7 j 很多工件表面的微观凸峰基本符合高斯分布，并在三个假设的前提下提出了g w 接 触模型，这个经典的接触理论模型仍然沿用至今。但g w 接触模型的微观凸峰相互 独立假设和微观凸峰的峰顶半径相同假设，只在有限的情况下成立，因而使用该模型 的条件相对苛刻。1 9 7 0 年，d j w h i t e h o u s e 和j e a r c h a r d g 在各向同性、高斯分布及 自相关函数符合指数分布的三个假设前提下，提出了w a 模型。r a o n i o n 和 j e a r c h a r d 于1 9 7 3 年在w a 模型的基础上【9 】，推出了接触面积以及载荷和粗糙表面 的关系，称为o a 模型。张波等【1 0 】在1 9 9 2 年通过对塑性接触与表面形貌之间的关系 的研究，在考虑法向和切向载荷的前提下提出了相应的计算模型。饶柱石等【l l 】在1 9 9 2 年通过对工程表面进行微观分析，在弹性接触理论下，使用概率分析方法，提出了一 种计算粗糙表面的法向接触刚度的理论方法。日本学者山田昭夫【1 2 】于2 0 世纪8 0 年代 第次在一定的假设前提下推导出了切向接触刚度的理论计算公式，同时推导了结合 面的切向阻尼耗能理论计算公式。张学良【1 3 】于2 0 世纪9 0 年代在粗糙表面的分形接触 理论和分形模型、球体和光滑表面接触理论的前提下，提出了结合面的法向接触刚度 及切向接触刚度的分形理论模型，并通过进行实验结果和仿真结果进行对比，验证了 该理论的正确性。 1 3 2 结合面的静态特性研究状况 结合面对机床静动态特性都有着比较显著的影响，因此需要首先分析结合面及其 周边构件的静态变形以分析其压力分布状况。国外很多学者如l e v i n a l l 4 1 、b e l l 和 d o l b e y 1 6 】等对小尺寸的金属结合面的特性进行了法向静态实验研究，发现结合面的变 l 绪论 硕士学位论文 形随着结合面的法向压力增大而增大，且符合指数函数分布，分析认为是微观凸峰的 变形导致了结合面的非线性变形情况。s c h o f i l e d 】等通过对较高法向压强下的结合 面进行研究发现，结合面的法向加载曲线和卸载曲线和法向压强较低时的情况有所不 同。c o n n o l e y 1 8 】通过研究发现在结合面尺寸增大时，结合面上的平面度误差在一定程 度上影响了结合面的实际受力面积，使得结合面的实际法向接触刚度小于理论值。 t e n n e r l l 9 】通过对多台镗床进行了静态刚度实验测量，发现得到的静态刚度值由于结合 面平面度误差的影响而显得相对较为离散。 日本学者伊藤、周三【2 0 】在对二种受弯曲载荷下的螺栓固定结合面进行了静态实验 研究，并研究了结合面尺寸和螺栓位置对其静态特性的影响规律。 国内西安理工大学的黄玉美教授 2 1 】通过对结合面的各个静态特性的影响因素进 行分类，并在所研究的各个影响因素下对平面结合面进行了静态特性试验研究，得出 了各个结合条件下结合面静态特性的实验参数，对结合面静态特性的研究作出了较大 的贡献。 1 3 3 结合面的动态特性研究进展 结合面的动态特性的研究主要通过理论建模计算法、模态实验分析法、有限元法 等方法。 理论建模计算主要是通过对结合面的微观接触情况进行建模分析瞄】，把结合面分 为多个子结构，并用弹簧和阻尼器来代替每个子结构的等效节点，通过振动理论的相 关方程导出结合面的刚度矩阵和阻尼矩阵，达到识别结合面动态特性参数的目的。 t a y l o r 、t o b i a s 等【2 3 】在1 9 6 4 年基于集中质量法的思想，建立了摇臂钻床的动力学模 型，得到了机床的固有频率及对应的振型，但由于其模型相对简单，且没有考虑结合 面的影响，因而识别精度较低。 日本学者伊东谊【2 4 】通过回顾结合面特性研究历史，总结认为结合面的阻尼耗能的 理论模型仍不成熟，无法使用数学计算公式对阻尼耗能进行表示，有待进一步研究。 日本学者吉村允孝【2 5 】通过对机床固定结合面的研究，证明当结合面间的受力情况 相同，且组成结合面的工件表面物理特性相同时，其基础动态特性数据( 单位面积数 据) 不会因为结合面间的形状尺寸的改变而发生变化，因而可以通过相关公式对单位 面积下的刚度和阻尼进行积分得到真实的结合面刚度和阻尼。 青岛大学的张杰【2 7 】等在一定的假设前提下，提出了理想结合面以及结合面元的相 关概念，并通过计算导出了结合面元在矩形下的单元刚度矩阵以及阻尼矩阵，为有限 元模拟结合面提供了一种全新的建模方法。 试验模态分析计算方法主要是指通过建立合理的结合面动力学模型，使用相关的 振动理论得出结合面的动态特性运动方程，并通过实验测定相关参数从而推导出结合 4 硕士学位论文 机床固定结合面动态特性参数实验研究 面的动态特性参数。 由于现代模态分析技术的高速发展，大大推动了通过试验测得的数据建立结合面 动力学模型的方法的发展 2 8 1 1 2 9 1 。多年来，中外学者通过试验和数据后处理的方法识 别实际结构的动力学特性p 。 在二十世纪三十年代，人们就开始测量系统结构的机械阻抗，主要用于测量飞机 模态参数，由于当时使用的力传感器比较原始，而且采用的模拟处理方法十分耗时， 所以无法在实际中得到应用；n - 十世纪五十年代出现了专门用来测量机械阻抗的阻 抗头；二十世纪六十年代中期，跟踪滤波技术的发明，发展出现了基于跟踪滤波技术 和数字相关技术的传递函数分析仪和频率特性分析仪，使稳态正弦激振测试成为了可 能；通过应用快速傅里叶计算方法、时序分析技术和功率谱分析技术等相关技术，出 现了如f f t ( 快速傅里叶变换) 分析仪、数据处理器等性能完善的动态分析系统，基 于模态实验分析方法的结构动态特性研究得到了快速的发展。 c o r b a c h 在2 0 世纪6 0 年代进行了对结合面法向特性的最早的实验研究。b a c k 等 在a n d r e w 的实验基础上得出了三个关于结合面动态特性的重要结论【3 l 】：1 ) 结合面 在无介质情况下的法向动刚度近似于其法向静刚度；2 ) 有油结合面的接触阻尼较大； 3 ) 由于油膜的挤压造成了有油结合面的阻尼增大。r o g e r s 等【3 2 】通过实验研究认为 结合面的阻尼是由于结合面切向动态特性的非线性而产生的，并建立了结合面的阻尼 耗能对应的数学模型。 y r e n 和c e b e a r d s l 3 3 】研究指出结合面的识别及预测对实验的误差敏感性较强， 因此他们研究了一种通过频响函数测试以识别结合面阻尼的方法，该方法通过引入一 个合适的准则来减少测量误差的影响以寻求最优解。 东北大学姚鹏阴】等，对c 6 1 8 k 型普通车床中床身和床头箱的固定结合面进行试 验模态分析研究，获得了其固有频率。通过使用a n s y s 中的接触单元和弹簧阻尼单 元对机床固定结合面建立了动力学模型，并应用了实验获得的结合面刚度和阻尼，代 入相应单元刚度进行了模态分析，与试验模态分析的结果相比一致性较高。 北京工业大学【2 3 】【3 5 l 通过设计刀形结构的实验装置，对固定结合面的动态特性参 数进行了实验研究，测得了在不同结合条件下的刚度和阻尼值，同时采用双导轨结构 对日本进口导轨进行了结合面的刚度和阻尼测试。 张学斟1 3 】在整理的结合面动态特性参数识别的实验装置设计原则基础上，设计了 获取结合面动态特性基础数据的实验装置，并通过实验计算得到了结合面的基础动态 特性数据，进而在分析大量实验测试数据的基础上，基于人工神经网络对结合面动态 特性数据进行了数学建模。 由于影响结合面的因素较多，单纯依靠理论建模分析方法或模态试验分析方法都 缺乏实际应用的通用性，可以使用模态试验分析方法得到的模态参数结合有限元法， 5 1 绪论硕士学位论文 通过对结合面进行合理的有限元建模，得到结合面的动态特性参数，并预测系统动态 响应。 沈晓庆等【3 6 】通过在a n s y s 软件中建立机床导轨结合面的有限元模型，对机床 中的导轨滑块进行了模态分析，根据有限元软件计算得到的振型与实测振型的对比 结果确定优化设计中的状态变量，并通过对其中的两阶模态参数进行优化设计识别， 获得了相应模态下的导轨滚动结合面的动态特性参数，为结合面动态特性参数识别提 供了一种新方法。 l e ig u o 等人【3 7 】通过综合使用有限单元法、模态测试和集中参数法，在有限元中 应用模态测试获得的数据，以及机床的集中参数模型来识别结合面刚度；运用此方法 可以从机床的总刚度中提取结合面的刚度，其值和模态测试获得的数据误差在百分之 十以下。 1 3 4 结合面特性参数应用研究概况 为了能够将结合面基础特性的研究成果应用于工程，即在设计机械结构之初，能 将结合面的耦合特性考虑在内，对机械结构的静态特性和动态特性进行准确的计算和 预测或进行相关的结构优化设计。 日本学者伊东谊【3 s 在1 9 7 8 年通过研究，推导出了结合面周边构件变形的数学计 算方法，认为在小面积实验中获得的结合面静态刚度和阻尼值已具有较强的通用性， 不仅可应用于当结合面周边构件可视为刚体的情况，而且对载荷呈非线性分布的导轨 运动结合面的计算也达到了足够的设计精度。 吉村允孝【3 9 】在2 0 世纪7 0 年代通过应用结合面动态特性基础数据对立式车床的动 态特性进行了应用研究，并提出了通过积分方法计算结合面实际动态特性参数的方 法。在考虑了结合面影响的前提下，计算得到的固有频率及机床颤振频率的理论值与 实际值有了较好的吻合。 中国石油大学的赵宏林i 删等通过解析法推导出了在结构及受力情况确定下机床 结合面计算公式，并将其应用于x k 7 1 2 b 立式镗铣床的静动态特性预测，其结果与实 验结果获得了较好的一致性。 西安理工大学的黄玉美【4 l 】在2 0 世纪8 0 年代对机床的滑动导轨结合面的接触变形 进行了理论解析计算，并通过解析计算得到了因结合面变形导致的工作台位移，其结 果得到了实验的验证。 张学良 4 2 】从有限元的角度推导出了结合面的单元接触刚度矩阵，并通过代入结合 面动态特性参数对导轨运动结合面的动态特性进行了解析计算，其值与实验结果获得 了较好的一致性。 6 硕士学位论文 机床固定结合面动态特性参数实验研究 1 4 论文主要研究内容 论文依托国家重大专项“高档数控机床与基础制造装备 展开研究工作。该项目 以高档数控机床与基础制造装备的设计与制造为应用背景，在试验的基础上建立机床 结合面特性参数库，以典型高速、精密、复合机床为试验对象，对机床整机系统进行 模态分析，建立高速、精密、复合机床的设计知识库，为高精度机床的数字化设计提 供服务。 为了建立精确完整有效的固定结合面基础动态特性参数库，本文对固定结合面建 立合理的测量模型，选择合理的实验设备搭建测量平台，根据结合面的不同动态影响 因素设计完整的实验方案，进行大量测试实验，为建立结合面特征数据库奠定基础。 论文的结构安排如下： 第1 章，绪论。阐述本课题的来源及课题的研究意义，并对结合面相关问题的国 内外研究概况做了相应的介绍。 第2 章，固定结合面测量模型建立及装置设计。通过对单自由度线性振动系统的 简单回顾，对固定结合面的结构和力学模型进行了相应的简化，建立了实验的测量模 型，测量模型消除了基础位移等外界因素的影响，很大程度上提高了参数识别的精度。 并对测量平台的实验装置按一定的设计准则进行了设计，并对装置中的重要部件桥板 进行了有限元分析。 第3 章，通过合理选择相关模态试验设备与软件，同时考虑能够提高测量精度的 激励信号，对实验设备进行正确的连接，搭建了实验的测试系统。 第4 章，通过提取固定结合面动态特性主要影响因素，确定了实验参数，设计了 实验方案，并根据实验方案进行大量试验。举实例说明数据测量过程，同时对螺栓的 动态特性进行测量，并在单位面积参数转换时进行了剔除以提高实验数据精度。 第5 章，对获得的数据进行整理与分析，获得了各因素的影响规律，并对其机理 进行了相应的理论解释。最后使用测得的数据对项目组滚动导轨测试平台中的固定结 合面进行了有限元仿真分析，并通过锤击法模态实验进行对比验证。 第6 章，总结与展望。总结本文在课题研究期间所做的工作，并对固定结合面的 研究前景进行了展望。 7 2 固定结合面测量模型建立及装置设计硕士学位论文 2 固定结合面测量模型建立及装置设计 本章首先对单自由度线性振动系统进行了讨论，并针对固定结合面的结构特点对 力学模型进行了相应的简化，建立了实验的测量模型。测量模型消除了基础位移等外 界因素的影响，很大程度上提高了参数识别的精度。按一定的设计准则对测量平台的 实验装置进行了设计，并对装置中的重要部件桥板进行了有限元分析验证。 2 1 单自由度线性振动系统 图2 1 ( a ) 所示的黏性阻尼弹簧质量系统为典型的单自由度线性振动系统【4 3 1 ，在谐 波激励f ( f ) = y os i n ( c o t + 妒) ( 其中f o 为幅值，是频率，妒为简谐激励的相角，妒通 常取为o ) 作用下，系统的受力如图2 1 ( b ) 所示 x ( t ) m t ) 、 r1 ri ( a ) 典型单自由度线性振动系统( b ) 系统受力情况 图2 1 单自由度线性振动系统 应用牛顿第二运动定律可得系统的运动微分方程为 被( f ) + 戗( f ) + 戤( f ) = f ( t ) ( 2 1 ) 当系统在简谐激励力f 作用下时，质量块和基础都做简谐振动，可设 f ( t ) = 屁声，x ( r ) = 娩肛 ( 2 2 ) 对工( f ) 求导可得： 戈( f ) = j c o x e j 耐= j c o x ( t ) ( 2 3 ) 耍( f ) = 一2 x e m = - - c 0 2 x ( f ) ( 2 4 ) 将( 2 3 ) 、( 2 4 ) 代入( 2 1 ) 可得： x ( - m ( 0 2 + 歹c + k 1 = f ( 2 5 ) 记系统的输出与输入之比为日( ) ，则 硕士学位论文 机床固定结合面动态特性参数实验研究 h ( ) = 亭= 磊再1 了而 由于系统为有阻尼单自由度系统，可知： k = m o j n 2 ，c = 2 m m 式( 2 7 ) 中魄为无阻尼固有频率， 为阻尼比。 对于有阻尼系统，共振频率q = c o 厨 当考很小( 如考 0 ，b = 鱼 _ 一 为减d q j n - - r 难度，桥板的2 个下垂部分因尽可能短，取a = 5 5 l n 1 得b = 1 3 4 7 ，取b = 1 3 5i 1 1 1 1 。 另外，桥板的下底面为所需识别的两组结合面的配对面之一，为了满足通用性以 及识别多结合条件下结合面参数的需求，因此制作不同材料、表面粗糙度的一系列桥 板来进行组合配对实验。 2 3 2 2 实验垫片 图2 7 实验垫片实物图 由于测量模型中将实验垫片和上下板材之间配对组成的结合面等效为均匀分布 排列的四个弹簧阻尼单元，为保证实际实验中实验垫片基本处于完全接触状态以获得 基础的动态特性数据，将实验垫片设计为1 0 m m 1 0 r a m 5 m m 单位面积的实验垫块， 实物图片如图2 7 所示，并根据不同的结合面组合，按表面粗糙度、材料进行分类组 1 4 硕士学位论文 机床固定结合面动态特性参数实验研究 合，其中表面粗糙度及材质全部相同的一组单位面积的实验垫片作为一次实验的部 件。 2 3 2 3 基板与大平台 二、 v j 、 、 、 移e vvvvvvv 图2 8 基板示意图 为了满足通用性的要求，如图2 8 所示在基板上部设计了2 个相隔一定距离的凸 台，并在凸台上设计8 个螺纹孔用于固定下实验板，以足够多的螺栓连接来保证下实 验板和基板的连接刚度来保证由装置引进的结合面刚度远远大于所需识别的结合面 刚度的要求，同时螺纹连接也可满足频繁更换下实验板以进行不同组合的实验要求。 如实验需求，可在基板的两头分别进行两组激振实验以加快实验进度。另外在基板底 部加工宽度为整个基板宽度三分之一左右，深度为2 m m 的浅槽以提高与底部的接触 比，并用1 8 个m 2 0 螺栓与大平台进行连接保证基板与大平台的刚度。整个实验平台 装置实物图如图2 9 所示 图2 9 实验装置实物图 2 固定结合面测量模型建立及装置设计 硕士学位论文 2 4 桥板刚度有限元验证 为了满足测量要求，在进行模态测试时，需保证实验装置的重要部件桥板自身变 形的模态频率高于测量模型中的平动振型模态频率，本节对3 4 节所设计的桥板进行 有限元模态分析验证。 由于前期造型使用s o l i d w o r k s ，a n s y s 中的w o r k b e n c h 模块对s o l i d w o r k s 可实 现无缝转换，而且建模方便，这里在w o r k b e n c h 中导入桥板和下实验板的三维模型。 实验装置中的实验垫片分别与桥板和下实验板形成的两组结合面在这里等效为一个 弹簧阻尼单元，通过w o r k b e n c h 在4 个垫片放置位置插入弹簧阻尼单元，弹簧阻尼 单元的刚度和阻尼值通过参考文献【2 3 】得： k = 2 4 7 1 0 1 2 n m 3 ，c = 1 0 2 x 1 0 8 n s m 3 由于实验中实验垫片为1 0 m i n x1 0 m m 5 m m 单位面积垫块，单个弹簧阻尼单元 的刚度值k 为2 个单位面积刚度值的弹簧串联所得，则k = 1 2 3 5 1 0 8 n m 。由于此 次分析主要是为了预测验证系统的频率，而阻尼对系统频率影响很小，所以在分析中 将阻尼忽略。将下实验板下底面完全约束后划分网格并计算，提取系统前八阶模态如 图2 1 0 所示 。翟_ i 二二当0 0 0 ，0 5 0 a ) 第一阶振型 “翟_ i 二= 当0 0 00 5 1 1 b ) 第二阶振型 c ) 第三阶振型d ) 第四阶振型 硕士学位论文机床固定结合面动态特性参数实验研究 0d 5 0 e ) 第五阶振型 f f ) 第六阶振型 0 ：0 0c 1 0 0c m ) 亡= 二 c j 5 0 g ) 第七阶振型 e 6 3 00 10 0 ，r q ) 二= 二= 00 5 5 h ) 第八阶振型 图2 1 0 系统前八阶模态振型 如图2 1 0 所示，系统的前三阶模态是由于所添加的四个弹簧阻尼单元仅限制了z 方向的平动及绕y 轴和z 轴的转动三个自由度，所以出现了前三阶的零阶模态，在此 可不考虑。系统的第四阶、第五阶、第六阶均为桥板的刚体模态，而第六阶为桥板的 平动振型，桥板整体相对下实验板做相对平动，满足测量模型在桥板刚体模态下测量 的要求。装置设计中要求桥板自身变形的模态频率大于桥板的刚体模态频率以保证两 者模态不发生耦合而影响动态特性参数的识别，从图2 1 0 q ) 、2 1 0 ( h ) 中可以发现第七 阶第八阶为桥板自身变形的模态。 表2 1 系统前八阶固有频率 由表2 1 可知，桥板自身变形的模态中最低阶频率为2 4 8 9 h z ，远大于系统刚体 模态中的最高阶频率5 8 6 7 1 h z ，可保证在测量时，桥板的刚体模态和自身变形模态 誓羹【=n】=：列弼h掰譬 嚣nr=i：=礴门滋 2 固定结合面测量模型建立及装置设计硕士学位论文 不会发生耦合从而影响参数的识别，满足测量模型要求，即验证了前期设计的桥板尺 寸满足装置设计的刚度要求。 2 5 本章小结 本章首先介绍了单自由度的力学模型，并针对固定结合面动态特性参数识别的实 验要求建立了固定结合面等效单自由度的测量模型；根据装置的设计准则及主要依据 对实验装置进行了详细设计，并对其中的主要部件进行了必要的有限元刚度验证： ( 1 ) 提取了固定结合面的主要特征，建立了固定结合面动态特性参数识别的单 自由度测量模型，该模型消除了基础及其他因素的影响，在一定频段内可以等效为单 自由度线性振动系统，有效提高了固定结合面动态特性参数识别试验的精度。 ( 2 ) 根据测量模型的要求，对固定结合面动态特性参数识别的测量装置进行了 设计，设计方案中考虑了装置的刚度、激振平稳性、通用性等设计要求，并对部分主 要部件的设计进行了详细说明。 ( 3 ) 为了保证参数识别试验中所需识别的模态不与装置的重要部件桥板的自身 变形模态相耦合，对桥板进行了有限元模态分析验证，分析结果表明了桥板刚度满足 装置设计要求。 1 8 硕士学位论文机床固定结合面动态特性参数实验研究 3 测试系统的建立 第2 章建立了消除基础部分影响的等效自由度测量模型，设计了固定结合面动态 特性参数识别的测量装置。本章对相关模态试验设备与软件进行了比较与选择，基于 提高测量精度的激励信号，对实验设备进行正确的连接，搭建模态试验测试系统。 3 1 模态测试系统的设备选择 在模态实验中，需要由激振器或冲击锤对结构施加一个外部的激励，力传感器测 得被测结构上获得的激振力，运动传感器( 如位移传感器、加速度传感器等) 测得结 构输出的运动。通过对这些信号进行采集并经过分析系统离散化后以估计频响函数， 并根据频响函数来确定结构的模态特性。以下将对各模态设备及其连接方式进行简单 介绍并针对结合面参数识别试验的要求进行合理选择。 3 1 1 激振系统 激振系统是模态试验中用以对系统施加外部激励的装置，这类装置可以由一个或 几个固定在地面或装置上( 或支架上) 的激振器与被测结构连接而成，也可以不连。 前者称为固定式激振系统，而不与被测结构连接的称为非固定式激振系统。 非固定式激振系统最为典型的就是冲击力锤( 如图3 1 所示) 。力锤激励不需要 连接到被测结构上，所以不会对被测结构增加附加质量，因而对系统的动态特性影响 很小。 图3 1l c 0 2 a 冲击力锤图3 2j z k 1 0 型激振器 但是力锤产生的激振力的能量大小和频率范围决定于使用者用力的大小、力锤的 重量以及锤头材质的硬度，力锤质量越小，锤头越硬，用力越小，被测结构表面越硬， 则力锤产生的激励信号就越接近于d i r a c 脉冲，能够激出的频率就会越高：反之，锤 头越重，锤头与被测结构表面越软，力锤与被测结构的接触时间就越长，可激发出的 1 9 3 测试系统的建立 硕士学位论文 频率就比较低。 由于使用者的限制造成力锤激励的激励力大小不易控制，重复性不强，因而力锤 适用于结构不易实现直接连接( 如大型机床等) 的模态试验，通过多次试验获得被测 结构模态的频率范围及各阶模态的振型。 最常用的固定式激振器是液压式或电动式的激振器。其中电控一液压式激振器主 要用于0 到2 0 h z 的低频实验，且一般都带有液压设备作为其动力源，因而影响了其 灵活性。 电动式激振器是现代模态试验中最为常用的一种激振设备( 如图3 2 所示) ，在 相同的最大激振力的情况下，电动式激振器的尺寸小，灵活性大，可靠性高，可输出 的频率范围宽，且输出的激振力大小平稳可控，广泛用于中小型结构测定共振频率、 机械阻抗和模态试验等，满足动态特性参数识别的要求。 电动式激振器与系统的连接方式可采用刚性固定于地面，弹性固定于地面或弹性 固定在被测试件上。刚性固定于地面的连接方式要求激振器、支架夹具等形成的振动 系统的共振频率高于激振器的工作频率三到四倍，因此该种连接方式只适用于低频率 的结构。弹性固定于地面的连接方式多采用弹性绳或金属弹簧与支架连接，适用于激 振器工作频率大于5 h z 的情况。弹性地固定于试件通常采用弹性绳或金属弹簧悬挂 于试件，这种方法会造成对被测结构增加过多的附加质量进而间接影响被测结构的动 态特性测试结果，适用于无法固定于地面的情况，如桥梁、飞行中的机翼等。 对于固定结合面的参数识别模态试验，可首先采用力锤激励确定结合面系统的大 致频率范围，然后调节信号发生器的频率及功率放大器的电流控制激振器的输出频率 和激振力大小，在确定的起始频率和终止频率及频率分辨率内进行扫频，在激振器和 试件之间通过适当长度的顶杆连接以保证激振力的方向性和稳定性，并使用弹性绳与 支架连接，弹性固定于地面，可有效减少对模态测试系统的附加质量而造成被测结构 固有频率及共振曲线的误差。 3 1 2 力和运动传感器 当被测结构在激振系统的激励下产生振动时，需要对被测系统的输入信号和输出 信号进行测量。其中输入信号一般为力信号，可由应变片式的动态测力计或力传感器 测得，但动态测力计仅适用于低频段的测量。对于电动式激振器输入的力也可由阻抗 头( 如图3 3 所示) 测得，由于阻抗头上可同时测得被连接点的加速度信号和力信号， 且频率范围较宽，符合动态特性参数识别试验的要求。 模态试验中被测结构的响应通常是由物体的位移、速度或加速度来表示，理论上 可以测量以上三个物理量中的任意一个，但是位移传感器和速度传感器的质量一般都 比较大，对结构可能产生一定的影响。而加速度计一般质量较小，而且加速度信号可 硕士学位论文 机床固定结合面动态特性参数实验研究 以通过积分电路积分得到速度和位移且不会放大高频噪声，因此选用加速度计作为响 应测量的传感器。 图3 3c l y d 3 3 1 型阻抗头 图3 4a c 5 8 6 型加速度传感器 另外，加速度计必须根据频率范围采用适当的固定方式。一般加速度计可采用螺 栓连接或永久磁铁连接，采用螺栓连接的方法刚性较好，但是需要在被测结构上打连 接孔且不易于自由移动测点。永久磁铁连接是最简便的可移动的安装方法，适用于低 于五千赫兹的频率下测量，由于动态特性参数识别试验中可能需要经常改变测点的位 置与方向且分析频率低于五千赫兹，因此可选用永久磁铁安装加速度计的方法进行试 验，图3 4 所示为已连接磁座的加速度传感器。 3 1 3 信号调理仪及数据采集器 各种类型和大小的传感器输出信号需要经过滤波并调理为能被基于p c 机的数据 采集器接受的低电压信号，因此需要在传感器和数据采集器之间加入信号调理仪( 如 图3 5 所示) 。 图3 5a z 8 0 4 a 型信号调理仪图3 6a z 3 1 6 s 数据采集器 信号调理仪可以根据要求将经过阻抗变换的电压信号放大合适的倍数，通过抗混 滤波器将在分析频段外的信号及噪声滤掉，防止其混叠到分析频率范围内造成虚假的 振动频率。而且信号调理仪内包含积分功能，可以通过加速度计测得的加速度信号得 到振动速度值或位移值。 通过信号调理仪调理的电荷信号需要经过数模转换并与计算机相连，才能进行相 2 1 融 3 测试系统的建立 硕士学位论文 关的处理，根据模态分析的需要，选用多通道的数据采集器( 如图3 6 所示) 进行多 通道的数据并行实时采集处理，通过对多测点数据的平均处理，可有效减少单次测量 或环境噪声带来的偶然误差。 根据以上所述，综合考虑市场供货情况及价格，选购了江苏联能电子技术有限公 司和南京安正软件工程有限责任公司的相关模态测试仪器及分析软件，搭建了测试平 台。部分主要仪器实验设备名称及参数如表3 1 所示 表3 1 模态实验设备名称及主要相关参数 仪器名称型号 主要参数 电动式激振器 j z k 1 0最大激振力1 0 0 n 冲击力锤l c - 0 2 a 灵敏度4 p c n