（材料加工工程专业论文）ck61100数普兼容车床动力学特性仿真研究与实现.pdf

摘要数普兼容式车床c k 6 1 1 0 0 是基于普通车床进行数控改造而来，将主轴系统改为变频控制，加装伺服控制系统，精减冗余机械传动链，使机床加工效率及精度显著提高、宜人性增强，操作性更符合人机工学，进一步满足现代加工工艺对机床的要求。本文在改造的基础上进行运动学和动力学仿真，从理论上对该机床进行分析验证并进行优化，使该机床获得更优越的动态性能，更好的加工精度和更理想的输出特性。在此课题的开展过程中，本文就机床主轴传动系统及伺服进给运动的动力学特性进行了较为深入的研究。1 、在对机床动态性能仿真系统分析的基础上，引入r i c c a t i 传递矩阵法和虚拟样机技术，对仿真系统的方案进行了研究。2 、建立机床r i c c a t i 传递矩阵法动力学模型及与之相应的数学模型，通过计算机数值仿真，获得了传动系统扭转振动时有关其固有特性的信息，并进行了分析。通过模态柔度的计算确定系统扭转振动时的危险模态，通过能量分布率的计算确定系统在危险模态下的薄弱环节，进而提出优化方案。3 、研究了机械系统中摩擦的非线性特性及不同摩擦模型的特点。并根据机床运动系统中摩擦的特点，建立了基于k a r n o p p 模型的摩擦非线性模型。4 、分析了两种工程软件a n a m s 和p r o e n g i n e e r 的特点，研究了二者的无缝连接。通过此无缝连接接口将c a d 模型和仿真模型有机连接在一起，建立了c k 6 1 1 0 0 数普兼容机床运动学和动力学仿真系统。关键词：数普兼容车床运动学和动力学建模r i c c a t i 传递矩阵法虚拟样机坚! ! ! 竺鍪兰茎窒圭壅垫垄兰量竺堡圣至耋皇耋蝥a b s t r a c tn u m e r i c - n o r m a ll a t h ec k 6 11 0 0i sa l t e r a t i o nt h a ti sb a s e do n o r d i n a r yl a t h e w h o s ew a yo fe o n t r o lo fp r i n c i p a la x i si sc h a n g e dt 0f r e q u e n c yc o n v e r s i o n t h en e wl a t h ea d d sas e r v o m e c h a n i s m , s i m p l i f i e sm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i 0 1 1 c h a i n t h i sa l t e r a t i o nl i l a k et h ep r o c e s s i n gp r e c i s i o ni m p r o v er e m a r k a b l y , a m e n i t ys w e l l ，m a n i p u l a t i o na c c o r dt oh u m a n - m a c h i n em u t u a lm a n n e r , w h i c hi so r d e rt os a t i s f yt h er e q u i r eo fm o d e mt e , c l m i e st ol a t h e b a s e d0 1 1t h ea l t e r a t i o n , w ec l t t l t yk i n e m a t i c sa n dd y n a m i c ss i m u l a t i o n , a n a l y z ea n do p t i m i z et h en e ：wl a t h ef x o mt h e o r y , i no r d e rt h a tt h el a t h ec a ng e ts u p e r i o rd y l l a m i e sb e h a v i o r ,b e t t e rm a c l t i n i n ga c c u r a c ya n dp r o c e s s i n ge f f i c i e n c y i nt h ec o u r s eo fo v e r a l lp r o g r e s so ft h es u b j e c t ，t h i sp a p e rh a sad e e pr e s e a r c h0 1 3 k i n e m a t i c sa n dd y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i c so f t h ed r i v es y s t e ma n dh o l i s t i el a t h e 1 o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo fm a c h i n et o o l s ，w ei n t r o d u c et h er i e e a t it r a n s f e rm a t r i xa n dv i l t l l a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y 1 1 璩s y s t e m a t i cs c h e m eo fs u c has i m u l a t i o ns y s t e mi sa l s os t u d i e d 2 ad y n a m i c sm o d e lo ft h ed r i v es y s t e mo nt h er i e c a t it r a n s f e rm a t r i xi ss e tu p , a n dc o r r e s p o n d i n gm a t h e m a t i c sm o d e li ss e tu pt o o t h r o u g ht h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fc o m p u t e r , s o m er e l e v a n ti n f o r m a t i o no fi t si n t r i n s i cc h a r a c t e r i s t i c s0 1 3 t o r s i o nv i b r a t i o n ，a n da n a l y s i si sg i v e nt ot h e m ad a n g e r o u sm o d ei nt o r s i o nv i b r a t i o ni sc o n f i r m e dt h r o u g hac a l c u l a t i o no ff l e x i b l ed e g r e eo fm o d a l i t y , t h e nt h ew e a kl i n k so ft h es y s t e ma l ec o n f i r m e dt h o u g hac a l c u l a t i o no ft h ed i s t r i b u t i n gr a t eo fe n e r g yu n d e rt h ed a n g e r o u sm o d eo ft h es y s t e m 3 n 圮n o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c so ff r i c t i o ni nm e c h a n i c a ls y s t e ma r ea n a l y z e d a n dt h e nd i f f e r e n tf r i c t i o nm o d e l sa r ec o m p a r e d a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ff r i c t i o ni ns e r v o - d r i v es y s t e m s f i l le f f e e t i v ef r i c t i o nm o d e l i sd e v e l o p e dr e f e r r i n gt ot h ek a r n o p pm o d e l 4o nt h eb a s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i so ft h ea n a l y s i so ft h et w oe n g i n e e r i n gs o t t w a r ep 】) ea n da d a m s a n dc a dm o d e la n da l la d a m ss i m u l a t i o nm o d e la r ed e s i g n e dt ob ei n t e g r a t e dt l a r o u g l lm e c h a n i s m y p m t h e nal a t h es i m u l a t i o ns y s t e mi sd e v d o o e di nt h ea d a m s f v 记we n v i r o n m e n t k e y w o r d s ：n u m e r i c - o r d i n a r yl a t h er i e e a t it r a n s f e rm a t r i xk i n e m a t i c sa n dd y n a m i cm o d e l i n gv i r t u a lp r o t o t y p eh兰州理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：蜜港乙日期：p 叼年】月) ，7 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1 、保密口，在年解密后适用本授权书。2 、不保密酿( 请在以上相应方框内打“寸)作者签名：喜波日期：嘲年1 月刁日导师签名。谚亥日期：力7 年月7 日硕士学位论文第一章绪论1 1 课题概述1 1 1 课题来源和背景本课题来源于天水星火机床有限责任公司委托兰州理工大学开发、设计一种具有数控机床的基本功能、便于操作、免学习型的卧式车床。普通车床c w 6 l l o o e 是一种市场占有率很大的机床，但随着近年来现代加工工艺对机床精度进一步提高的要求，此类型车床已显得无法满足制造业飞速发展的要求。虽然已经有越来越多的数控车床投入生产使用，但是价格的原因制约了数控车床的广泛使用；同时由于数控技术还处在发展阶段，其智能化水平还没达到完全替代人的程度，因此，在今后一个比较长的时期内普通车床在数量上依然会占有绝对优势。所以有必要研制一种新型数普兼容车床，集合两类车床优点兼有普通车床的操作方便、价格便宜和数控车床精度高、智能化的优点。以期更加符合用户的需求。1 1 2 课题的目的和意义高速高精数控是先进制造技术的内容之一，各国都对高速高精数控技术都极为重视，日本先端技术研究会将其列为五大现代制造技术之一，国际生产工程学( c i r p ) 会将其确定为二十一世纪的研究方向。高速高精技术已广泛应用于高速加工领域，并起着重要作用。二十世纪八十年代中期机床制造商开始把高速高精技术应用到机床制造之中，1 9 9 6 年，根据德国对高速高精数控机床市场需求的预测，其年增长率为2 0 0 - - 3 0 0。高速高精技术也在美国航空航天行业得到广泛应用【i 】。c k 6 11 0 0 数普兼容车床是针对普通车床与数控车床中各自的优缺点创造一种新型的一种使普通车床具有数控车床的功能；数控车床又可以方便的进行人工操作的新型车床。本车床的设计思想是：“以人为本”、数普兼容；在普通车床的基础上兼有数控车床的功能；力求结构简单、通用性强、操作灵活方便、以可靠高效为基本特征。最具智慧才能的就是人。在数控车床的操作中采用人工介入。将车削加工中的对刀、测量、换刀、精车等智能要求高的环节靠人工操作调整；而将重复性、有规律的车削运动；以及数控技术擅长的：数字量控制、速度变换、插补、位置控制、补偿、计算、监测等环节交给数控系统完成。充分发挥两种控制方式各自的优点。从而实现了降低人的劳动强度，提高机床的利用率、增加机床的可靠性。本课题的改造方案是基于普车c w 6 1 1 0 0 e 而来的，主轴箱改造是本项目的主要内容之一。在秉承原普通车床优点的同时，将主轴控制变为变频控制，简化了箱内结构、实现无级调速。利用计算机仿真，建立机床主轴传动系统数值仿真模型，对其动力学性能进行分析、评判，通过动态优化设计，使得主轴传动系统获得优越的动力学性能，良好c k 6 1 1 0 0 数普兼容车床动力学特性仿真研究与实现的加工性能和加工效率。同时建立基于虚拟样机技术的机床运动状态下的运动学、动力学的仿真模型，在此基础上，建立起数普兼容机床在高速运动状态下的运动精度的优化仿真模型；最后利用仿真模型对机床的性能进行评估，并寻求合适的补偿策略和控制参数，以提高机床的整体性能，为数普兼容机床的设计、制造、应用提供理论依据。本项目的顺利实施对提升我国机床业的制造水平、提高企业竞争力、促进社会生产力的发展，具有重要意义，且效益明显，应用前景广阔。1 2 系统建模理论1 2 1 系统建模理论系统建模从狭义上讲，就是指对实物、设计结构或设想事物按缩小或放大尺寸、结构层次、表现形态、时间进程或其他特征制成仿真体的过程，这个仿真体就是系统的模型。广义系统建模则是指对一切可控系统按其最本质的特征，根据总体最优化的目标，对其进行物理抽象和数学抽象的过程。系统是研究的对象，模型是系统行为特性的描述，仿真则是模型试验。仿真的结果是否可信，一方面决定于模型对系统行为子集特性描述的正确性与精度，另一方面决定于计算机模型与物理效应模型实现系统模型的准确度。所以对系统建模就要满足清晰、切题、精确以及集合四个基本要求【z j 。系统仿真是基于系统模型的活动，要对一个复杂系统进行仿真，就必须首先建立描述系统组件以及系统与环境相互作用的数学模型。一个数学模型就是一个算法或一系列方程组及一系列相关数据，这些元素综合描述一个系统、过程或者现象的重要行为数学建模就是指确定系统的模型形式、结构和参数，以得到正确描述系统表征和性状的最简单数学表达式。实际系统问题往往比较复杂，因此数学建模中通常需要对系统问题进行简化和抽象化，并提出一些合理的假设。假设的合理与否，直接关系到数学模型的真实性，所以数学建模必须遵循的第一原则就是假设合理性原则。对数学模型的构造，通常还要求因果性原则，即系统的输入量和输出量必须通过映射函数相联系。一般而言，因果性原则是数学建模的必要条件，缺少了因果性条件，对系统进行数学表达式刻画将是一件非常困难的事。为了做出定量预测的数据，系统的输入量和输出量就必须是可测量的，此即为数学建模的可测量性原则。此外，对于动态模型的建立还必须保证适应性原则，以满足系统的动态适应能力。总之，系统的数学建模是一个创造性的科研过程，没有固定不变的方法，只有在以上建模原则的指导下，经过反复比较、判断和修改，才能够造出完善的数学模型。1 2 2 运动学建模理论发展概况运动学就是运动几何学，所以数控机床的运动学建模就是运动几何建模，所涉及的是数控机床各构件之间的空间关系以及整个数控系统各构件之间参数的关系及传递。硕士学位论文对于机床运动学几何建模，国内外的许多学者开展了多方面的研究，提出了不少建模方法。运动学建模技术到今天已经发展了近4 0 年，针对运动学几何建模，早期的研究是用三角关系来推导几何误差模型，即用三角几何法来建立机床运动学模型。1 9 7 7 年开始用矢量表达法来建立空问误差模型，此即为误差矩阵法。1 9 8 6 年出现了一种基于刚体运动学和小角度误差假设的三轴机床几何误差的解析二次型模型二次关系模型法。1 9 9 0 年出现了机构学建模法，用标准齐次坐标变换方法来合成立式车削加工中心所有的几何误差。1 9 9 2 年开发了刚体运动学方法来建立几何和热误差两者的模型。这些研究为进行机床精度分析和误差检测、补偿提供了一定的基础，虽然由于存在适用范围小、没有通用性以及易产生人为推导误差等问题而未能从根本上解决机床误差建模的通用性问题，在研究领域仍有着广泛的应用。以这些方法为基础，一些研究中心根据多体系统运动学理论，提出了一种广泛适用的、易于实现计算机自动编程的数控机床误差模型的多体系统建模方法，使得建模过程程式化，从而能够有效的排除人为因素对模型推导过程的影响。近年来，基于实验建模的温度影响系数法及神经元网络分析模型方法正在日益兴起，是超精密乃至纳米加工得以实现的一剂良药。但这些方法同样存在没有通用性，难于形成固定的产品并直接移植应用的问题。在研究运动学几何模型的同时，构成机床空间定位误差的重要因素之一几何误差也已引起了人们的关注。在生产制造方面，为适应越来越高的加工要求，生产制造商们在提高机床结构精度的同时，也在利用螺距补偿技术以减小运动轴的运动误差。该技术针对半闭环系统中编码器无法反映丝杠螺母传动副误差，对机床运动方向的误差量进行一定的修正补偿。目前已有相当一部分机床利用光栅尺作为反馈部件实现全闭环控制，使机床的运动精度进一步提高。但是由于机床运动误差具有空间性，存在六个自由度的误差分量，机床加工范围任意一点的定位误差是各坐标轴多项误差分量的合成。即使是全闭环控制机床，由于传感器反馈的是导轨运动副的相对运动量而非实际切削点的信息，很多误差分量仍然无法自动补偿。特别是对于运动轴产生的角度误差，存在着比例放大环节，对系统的精度将产生较大影响。目前，在我国大多数制造企业中仍广泛使用中低档数控机床。随着生产的发展，这些机床的加工精度有待于进一步提高。上述的运动学几何建模方法就常用于解决特定数控机床运动几何的求解问题，对于不同的数控机床，需要专业技术人员根据机床具体结构重新建立机床运动学几何求解模型，由于缺少通用性，难于形成固定的产品模块，严重制约了误差补偿技术的广泛推广和使用。在误差补偿研究领域，也有许多学者着手研究热力学因素及加工环境因素对机床加工误差的影响，这些研究大多采用有限元及热弹塑性理论分析方法。上述研究虽在机床特定运动系统的误差补偿中取得明显成效，如主轴滑移系统等，但对机床整机而言，由于边界条件及结合面参数难以准确确定，这些方法还有待于进一步发展。1 2 3 运动学建模方法分类对运动学建模技术，先后出现了误差矩阵法、二次关系模型法、机构学建模法、刚1 c k 6 11 0 0 数普兼容车床动力学特性仿真研究与实现体运动学方法以及近年来发展起来的多体系统建模方法等建模方法。误差矩阵法始于1 9 7 年，主要是用矢量表达法来建立空间误差模型，1 9 8 6 年出现的二次关系模型法是一种基于剐体运动学和小角度误差假设的几何误差的解析二次型模型。由于这两种方法出现较早，建模复杂，解算繁琐耗时，而随后发展起来的几种建模方法则相对简单易解，所以这两种方法已日渐淘汰，故在此不介绍这两种方法，下面简要介绍机构学建模法、刚体运动学方法以及多体系统建模方法。( 1 ) 机构学建模方法机构学建模方法就是从机构学角度出发对系统进行描述并对系统研究特征进行数学建模的方法。在机构学中。机构是组成系统的基本单位，子系统之间的联系转化为机构与机构之间通过运动副的连接，利用拆副、拆杆、甚至拆运动链的方法将复杂杆组转化为简单杆组，以简化机构的运动分析和力分析；利用图论原理，把机构转化为矩阵符号标志，利用计算机识别方法，进行机构分类与选型；利用机构结构的键图方法，确定机构自由度和冗余度。研究满足拓扑结构要求的机构结构类型综合，如以单开链为基本单元的结构类型综合法、以回路为单元的结构类型综合法等，利用拓扑图及其矩阵表示，这两种结构类型综合法皆可由计算机自动生成。从而系统研究特征的建模问题就变成机构特征位置或机构变量之间的数学关系的建立问题。机构学建模方法中可利用的数学建模方法很多，其中又以近年来发展起来的一种齐次坐标矩阵法最为简单且应用极其广泛。齐次坐标表示法是指由n + l 维向量表示一个1 3 维向量。n 维空间中点的位置向量用非齐次坐标表示时，具有n 个坐标分量( n ，p 2 ，以) ，且是唯一的用齐次坐标表示时，此向量有n + 1 个坐标分量( h p , ，h p 2 ，h p ，h ) ，且不唯一普通的或“物理的”坐标与齐次坐标的关系为一对多，若二维点( x ，y ) 的齐次坐标表示为 缸，砂，砂 ，则 x ， y ，啊 ， 石，) ，岛 ， h x ，h y ，k 都表示二为空问中同一个点( x ，y ) 的齐次坐标。齐次坐标矩阵法就利用点的齐次坐标表示提供了点集在坐标系之间转换的矩阵运算公式。( 2 ) 刚体运动学建模法剐体运动学建模的基本对象主要是刚体系统，故这种建模方法有着一定的局限性。刚体系统是由刚体所组成的连续系统，所谓刚体就是指在力的作用下不变形的物体，特点表现为其内部任意两点的距离都保持不变。刚体是一个理想化的系统模型，实际物体在力的作用下均会产生程度不同的变形。但是许多物体的变形十分微小，对研究物体的平衡问题不起主要作用，可以略去不计，这样就可使问题大为简化。刚体运动学建模方法就是利用已成熟的刚体运动学知识主要是达朗贝尔一拉格朗日原理对刚体系统进行数学建模。刚体运动学建模法建立的模型公式简单整齐，概念清晰，但相对来讲模型中冗余信息较多，计算比较复杂，故其利用相对较少。( 3 ) 多体系统建模法多体系统是对一般复杂机械系统的完整抽象和有效描述，它是分析和研究复杂机械硕士学位论文系统的最优模式。由多个刚体或柔体通过某种形式联结的复杂机械系统，都可通过抽象，提炼成多体系统。多体系统理论包括多体系统运动学理论和多体系统动力学理论，多体系统理论的核心是多体系统拓扑结构的关联关系的描述和运动学或动力学特征描述。多体系统误差运动分析的理论基础是多体系统运动学理论，其基本原理是用低序体阵列方法描述多体系统拓扑结构的关联关系，在多体系统拓扑结构上建立广义坐标系，用齐次列阵表示点和矢量，用4 x 4 阶齐次方阵描述点在广义坐标系中的变换关系，使有误差多体系统的运动分析变得简单、迅速、明了和普遍适用。多体系统建模法利用e u l e r l a n g r a g e 方程使建模过程具有程式化、规范化、约束条件少、易于解决复杂系统运动问题的优点，非常适宜于机械误差的计算机自动建模。它在多体复杂系统如航天器、机器人等的优化设计、运动仿真和控制等领域有基本的重要性，近年来也在仿生学等新兴学科得到了应用，具有广泛的应用前景。1 2 4 数控机床动力学建模理论数控机床的结构动力学建模是对数控机床进行动力分析和动态设计的基础。只有建立起既能确切代表实际机床结构的动力学特性，又便于分析计算的动力学模型，才可能对数控机床的动态性能进行详细的分析计算，达到动力分析和动态设计的预定目标。目前在机床的动力学建模中最常见的模型有：集中参数模型、分布质量模型和有限元模型三种。集中参数模型是将结构的质量用分散在有限个适当点上的集中质量来置换，结构的弹性用一些没有质量的当量弹性梁来置换，结构的阻尼假设为迟滞型的结构阻尼，结合部位简化为集中的等效弹性元件和阻尼元件。但这种方法比较粗糙，不可能很好地逼近结构的动力学特性，于是有人提出了分布质量模型，将构件看成质量均匀分布。随着计算机的发展，有限元模型得到了广泛的应用。有限元模型的基本过程首先是将机床离散成有限单元，即划分单元：接着对单元进行分片插值，选定有限元的逼近模式；然后构造单元的刚度矩阵、惯性矩阵、等效节点力列阵，集合单元的各特征矩阵为总刚度矩阵、总惯性矩阵，从而构成整个结构的有限元方程组。1 2 5 系统建模和仿真技术的连接本世纪随着数字计算机技术的飞速发展，古老的模型研究已成为一门崭新的学科，即数字计算机建模及仿真。数字计算机仿真是以计算机为工具，由实际系统建立模型，并在计算机上运行和实验。计算机在建模分析过程中的作用主要是用适当的语言在计算机中实现模型的描述，运用其强大的数据处理运算能力进行模型方程式的运算求解，筛选各种初始方案，并提供准确的分析信息，预测对系统性能起关键作用的设计变量，协助设计师从数学模型中获取知识。计算机辅助分析包括建立模型和求出响应两个方面。1 3 机床动力学的主要任务和内容长期以来，机床的结构设计基本上是根据经验进行的，对它的动态性能只作粗略的c k 6 1 1 0 0 数普兼容车床动力学特性仿真研究与实现原则性考虑。为了获得具有较高动态性能的结构，往往需要经历多次试制和改进设计这样一个漫长的过程。造成这种状态的主要原因，不仅在于机床是一个由许多零部件组成的复杂结构，又在多变的动态条件下工作，对它在工作中出现的某些振动机理及其与各部分机构的定量关系尚不十分清楚，而且还在于结构的动态分析理论和方法也不够完善，动态分析的计算工作量又很大，没有现代化的计算工具根本无法进行。由于机床振动和结构分析理论的迅速发展：先进的动态试验和分析技术的不断出现；计算机的广泛应用；以及机床切削自振理论的逐渐深入与统一。目前，已有可能解决机床在工作过程中由于动态力的作用而产生的各种问题，并能在设计阶段对机床结构的动态性能作理论分析，进行机床结构的动态优化设计，用最经济、合理的手段获得具有预定动态性能指标的结构，使得机床发挥出应有的加工性能。为研究这些问题而发展起来的一门科学，就是机床动力学。简单的说，对机床进行动力分析和动态设计，使所设计的机床具有良好的动态性能，使所使用的机床能发挥出应有的加工性能，就是机床动力学的主要任务1 3 】脚。动力分析和动态设计是动力学的两大基本课题。机床动力学以机床为研究对象，其中心内容是机床的动力分析和动态设计。1 3 1 机床动力分析的基本概念动力分析就是在系统的动力学模型( 数学模型) 、外部激振力和系统工作条件的基础上，分析研究系统的动力特性( 或动态性能) 。它大致包括三方面的问题【5 l ；1 固有特性问题对于复杂的系统，其固有特性包括各阶固有振动频率、模态振型等。计算系统的固有特性，一方面是为了避免系统在工作时发生共振，另一方面是为了对系统作进一步的动力分析打下基础。2 动力响应问题对机床来说，振动系统在外部激振力的作用下，振动响应可能引起过大的动态位移，影响机床的加工质量和正常工作，产生过大的噪声。因此，计算机床对各种可能受到的激振力的动力响应，将它控制在一定的范围之内，是机床动力分析的基本任务之一3 动力稳定性问题振动系统在一定的条件和运转状态下，可能产生自激振动。自激振动主要由系统本身的动力特性所决定的振动。产生自激振动的系统称为不稳定系统。机床在一定切削条件下，可能会产生切削颤振：低速相对运动副在一定的运动条件下，又可能会产生爬行现象。这些对机床的加工质量危害极大。机床动力稳定性分析的目的就是确定发生切削颤振和爬行的临界条件，保证机床能在充分发挥其性能的条件下工作而不出现这种振动。近几十年来，机床动力特性的研究，吸引了国内外许多学者的关注，并取得了显著的成果。这方面的研究可以归纳为两大类内容：一类是机床动力特性基本理论的研究：另一类是机床动力特性测试技术的研究，两者相互相成，密切联系。继续深入研究的目的，必然是解决生产实际问题，具体地说，就是要在机床工业生产中实现机床动态设计和机6 硕士学位论文床动态验收。1 3 2 机床动态设计概述1 机床动态设计的基本概念机床动态设计，指的是机床的动态性能在其图纸设计阶段就得到预测和优化，从而寻求一个经济合理的结构，使它的动态性能满足预先给定的设计要求，这是一项综合性的新技术，涉及到众多学科，其中包括：c a d c a e 、计算机图形学、振动理论、模态分析、有限元、振动测试技术等，是至今仍在不断发展和完善中的理论和实践相结合的应用科学。、动态设计的过程一般来说是这样的，设计者根据机床结构应满足的设计要求，从系统所包括的部件( 元件) 出发，应用“综合”方法，依据一定的数学理论，建立系统的一个数学模型：然后利用计算机对系统的动力特性进行仿真，通过对仿真结果的分析，检验它是否满足设计要求，不满足则修改模型并完成相应的动力分析，反复进行直至获得满意的数学模型：接下来是按这个模型做出相应的具体结构设计，并直接用它来检验是否满足设计要求，不满足则修改具体结构设计，反复进行直至获得满意的具体设计为止。因此动态设计是一个反复修改的过程，在设计过程中需要反复地进行综合和分析。我们常常称动力分析是动力学的“正”问题，而称动态设计是动力学的“逆”问题。从动力分析的观点来看，是根据一个给定的系统建立其力学模型，再建立数学模型，然后通过计算机仿真完成系统的性能分析。从动态设计的观点来看，则是从设计的要求出发，先设计出数学模型，并在进行具体设计之前通过计算机仿真完成详尽的性能分析。可见，动态设计是比动力分析更为复杂的问题，因此，尽管理论上已经提出了一些动态优化设计的方法，但目前大多仍将动态设计问题转化为动力分析问题来处理。也就是说，目前针对机床一般的动态设计过程是这样的，首先根据经验和各方面的设计要求拟出原始的设计方案：然后，按这个原始设计建立其动力学模型，并建立基于此动力学模型的数学模型，通过计算机仿真进行动力分析：根据分析结果和设计要求的偏离，修改原始设计：又按修改后的设计进行动力分析，预测其动态性能：再修改、再分析，直至获得满足设计要求的具体设计方案为止。2 静态设计与动态设计的比较传统的静态设计认为力与变形的关系是线性的，而动态设计则认为力与响应的关系表现为二阶微分方程，引入了质量阵和阻尼阵。动态方程的微分形式反映了力函数与响应函数随时间变化的趋势，使机械结构设计从确定性分析领域进入到随机振动的结构分析领域。阻尼是动态设计的一个重要因素，它描述了机械结构中能量传递和衰减的性能。在静态设计过程中，结构的变形只是动态设计过程中第一阶模态的近似，这也是由能量法求第一阶固有频率时采用静挠度的依据。静态设计考虑了定的裕度，确实能适应某些动态性能的要求，而动态设计认为结构的振动能量分配于各阶模态，动态设计的本质就是模态设计，是寻求模态参数间的最佳祸合，以便于改善结构动态性能，优化结构设计，提高结构寿命。静态设计的另一个特点是，五种强度理论都认为失效是由于材料超过某一弹性状态，c k 6 1 1 0 0 数晋兼容车床动力学特性仿真研究与实现所致，因而外力或内力的l 临界值是其关心的焦点然而动态设计认为强度失效和疲劳断裂都是和整个载荷时间历程相关联，所以，在动态设计过程中，外力的大小和频率及所有高交应力都应做统计分析。近些年，在解决大型自行式设计中所依据的静动态设计法，其特点是通过动载系数来保证设计的可靠性，但它本质上仍属一种保守却不保险的静态设计。静动态设计的安全系数将载荷、材料寿命、应力分布、应力集中都包含在一个数字中，结果导致结构设计成为宏观保守与局部危险相结合的产物。随着现代工业的发展，尤其是计算机技术的发展，使大型、复杂结构的动态设计成为可能，动态设计的方法和理论必将完善并取代传统的、单纯的静态设计1 3 3 动力学模型在分析和设计中的作用从上面的叙述可以看出，无论是进行动力分析还是进行动态设计，动力学模型都是基础，建立能确切模拟研究对象的动力学模型是整个动力分析或动态设计过程的关键和基本内容。但是，机床是一个由许多零部件组成的复杂结构，又在多变的动态条件下工作，不确定的因素很多，要建立起能确切模拟机床结构的动力学模型是很不容易的。长期以来，机床的动力分析主要是以对实际机床的动态测试为基础进行的，没有应用动力学模型进行分析计算，发挥理论的巨大作用。这样的分析往往只能得到一些定性的结论，而且没有把握，机床的动态设计则基本上没有开展。过去机床的设计都是根据经验和静态计算进行的，对它的动态性能只能作粗略的原则性考虑。这样设计出来的机床，其动态性能没有保证。有的甚至较差。为了获得具有较好动态性能的机床结构，往往需要经历一个多次试制和改进的漫长过程近几十年来，由于计算机技术的广泛使用，机械振动和结构分析理论的迅速发展，以及现代化的动态测试技术的不断出现。己有可能应用动力学模型对机床进行详尽、系统的动力分析，在设计阶段进行机床动态性能的优化设计，迅速获得具有较高动态性能指标的机床结构，并且开始在生产实际中具体应用，取得了一定成果。1 4 本课题主要的工作。由于本课题主要是床头箱内部传动系统的改造，所以首先对传动系统进行建模、分析，并且进一步提出优化方案。然后利用p r o e 和a d a m s 软件，对机床伺服传动系统进行运动学和动力学仿真。( 1 分析了c k 6 1 1 0 0 机床的系统组成，并对机床传动系统和进给系统动力学建模与仿真系统研究的总体技术路线进行分析，提出了实现建模与仿真的关键技术、主要方法及相关支撑软件，并由此得到了仿真系统的总体框架，最后分析了系统实现过程中的难点。( 2 ) 介绍机床转子的动力学的建模方法及r i c c a t i 传递矩阵法嘲，通过该方法建立c k 6 1 1 0 0 主轴传动系统的动力学模型及相应的数学模型，用m a p l e 进行编程，进行仿真，并对仿真结果分析、评判。进而提出改进方案。( 3 ) 对摩擦非线性特性进行了详细的论述，并对爬行现象的机理做了分析。对从硕士学位论文控制的角度出发，摩擦补偿方法的关键是如何对实际系统中的摩擦进行识别并建模。在比较分析了各种摩擦模型的特点之后，建立了一个基于k a r n o p p 模型的摩擦模型。( 4 ) 对c k 6 1 1 0 0 进给系统运动学和动力学建模与仿真系统研究的总体技术路线进行分析。建立基于虚拟样机技术的机床整机运动学模型及摩擦非线性模型，并在此基础上，利用a d a m s 软件建立虚拟数普兼容机床的加工过程仿真系统，并对机床的运动学和动力学进行仿真i n 。c k 6 1 1 0 0 数蒈兼容车床动力学特性仿真研究与实现第二章机床动力学建模与仿真系统总体结构2 1c k 6 1 1 0 0 数普兼容机床的系统组成数普兼容机床是一种高度自动化的机床，在机床上可以自动或手动控制运动部件的位移量和执行各种辅助功能，如主轴启停、主轴变速、进给变速、刀具更换和冷却液开闭等。该机床既可以控制运动轨迹位移量也可以控制各种功能的开关量。如图2 1 所示，数普兼容机床由以下部分组成。d 霎差b机机机床床床数恒型主进辅运给助控动运运装机动动置构构机斗平图2 - - l 数普兼容机床的组成由于该机床是一个十分复杂的系统，如果对系统的每个细节都加以考虑，其后续评估系统中的建模工作就变得十分困难。所以在对机床系统进行分析时，要对机床进行适当的简化，建立机床的在机床的动态性能系统评估中，为了更好的分析其动态性能，有必要对数控机床进行模块化处理。模块是指具有独立的功能和规范化的结合要素的结构单元。在模块化处理中，首先要求对机床进行模块的划分与设计。根据机床的结构、功能以及各部分的连接关系，进行模块的划分。在模块的划分中，按照分级模块化的原理，对机床进行任意结构和功能的划分。分级模块化认为机床整体可以由大到小一级一级的划分下去，每级模块都是下面各级模块的组合。按照级别可以顺序地称为整机系统、部件、组件、元件等模块。由于机床的具体结构、功能和实现方法是千差万别的，为了进行模块化处理，必须将具体的机床抽象化，建立机床系统抽象元素之间的关系，使其具有较强的通用性和实用性【1 2 】。根据机床中实现功能的分析，将数控机床的运动系统主要分为主传动系统、伺服进给传动系统和辅助动作系统等等【l 硼。( 1 ) 主传动系统抽象结构模型，其中的简化是以不损失仿真精度为前提的。在数控机械设备的各个运动中速度最高的、功率消耗最大的运动称为主运动。主传动系统就是实现主运动的传动系统，它的转速高，传递的功率大，是数控机床的关键部件之一。对于本文讨论的c k 6 1 1 0 0 来说，主运动是主轴箱内的传动系统。硕士学位论文( 2 ) 伺服进给系统数控机床的伺服进给传动系统是数控机床的重要组成部分，数控机床的进给传动通过伺服进给传动系统实现，它由数控装置经伺服系统控制。数控机床的进给传动属伺服进给传动。所谓伺服，是指有关的传动或运动参数，均严格按照数控装置的控制指令来实现。这些参数是：运动的速度、运动的方向、运动的行程、运动的起、止点。通常，把实现数控机床进给传动的结构组成，称为伺服进给传动系统，该系统由电气系统、控制系统和机械传动装置三部分构成。( 3 ) 辅助动作系统在大多数数控机床中辅助动作系统通常指的是自动换刀装置。自动换刀装置的功能就是储备一定数量的刀具并完成刀具的自动交换。它的主要功能是为了使工件能在一次安装中实现工序的高度集中、加工完最多的工件表面，尽量节省辅助时间。它应满足换刀时间短、刀具重复定位精度高、刀具储存量足够、结构紧凑，便于制造、维修、调整的要求；布局应合理，使机床总布局美观大方，且应有较好的刚性，并符合避免冲击、振动及噪声，运转安全可靠等要求。本文根据c k 6 1 1 0 0 工作的实际情况和必要性，分别用不同的方法完成对主轴传动系统和车床进给系统的动力学仿真及动态特性分析。2 2 建模与仿真系统总体结构机床动力学建模与仿真主要从三个方面进行研究，即机床动力学模型研究与建立、系统仿真模型建立和实验仿真验证三个方面。机床主轴箱传动系统动力学分析主要是建立传动系统的动力学模型及其数学模型，利用计算机技术对其进行数值仿真【l l 】。计算得到固有频率和模态振型，进而获得模态柔度和能量分布率，分析判断出系统的危险模态及在危险模态下的薄弱环节，以便进一步的做优化改进工作。机床进给系统运动学与动力学建模与仿真总体结构如图2 2 所示：机床进给系统运动学与动力学模型研究与建立主要包括结构运动学和动力学以及建模算法的研究。运动学建模方法发展至今已有很多种，本文结构运动学模型研究主要任务就是选择一种适当的方法，在不考虑摩擦的情况下，根据机床运动系统各进给模块的运动，建立各单位模块在相应坐标系中位置关系的运动学方程。动力学研究与建模需要精确描述进给系统的动态性能，要对进给系统中非线性因素带来的影响进行分析，主要是各种摩擦力如工作台导轨之间的摩擦力的影响【1 2 1 。因此本文机床运动系统动力学研究与建模就是对此进行分析并建立相应的摩擦力数学模型，为后续的仿真研究提供基础数学模型。系统仿真模型研究主要是选择仿真方法，解决这种仿真方法在数控机床进给系统中的实现技术，根据进给系统的功能特点选择合适的软件并建立整个系统的仿真模型。实验验证根据具体运动情况设置仿真参数，通过系统仿真来验证所设计的数控机床运动学特性方案以及动力学特性方案的正确性和可行性，并根据试验结果修正数控机床的运动学模型、动力学模型和仿真模型。1 1 c k 6 1 1 0 0 数普兼容车床动力学特性仿真研究与实现图2 2 系统建模与仿真总体结构流程2 3 数控机床建模仿真系统方案的实现2 3 1 关键技术及支撑软件在求机床主轴箱传动系统固有特性时，由于r i c c a t i 传递矩阵法人工计算时不方便，且计算量较大，根据所求系统元件的转动惯量和刚度，可以用m a p l e 编写程序，求出所需要的模态柔度和能量分布率。根据机床伺服进给动态性能和仿真系统的要求及硬件条件的限制，选择最新的虚拟样机技术作为建模和仿真的核心技术。虚拟样机技术又由多种技术集成，主要包括：c a d 模型生成技术、仿真应用、集成技术、交互技术和各种技术间的无缝连接技术。其中，c a d 模型生成技术和仿真技术是虚拟样机技术的核心。从研究目标、软件特点及软件间的无缝连接角度考虑，本研究最终选择p r o ew i l d f i r e2 0和a d a m s1 0 0 软件对数控机床进行建模与仿真研究。下面简要介绍这几种种软件：1 2 硕士学位论文( i ) m a p l em a p l e 是w a t e r l o o 公司推出的一种计算机代数系统，是目前广泛使用的数学计算工具之一。用m a p l e 不但可以进行简单的加、减、乘、除运算，也可以求解代数方程、微分方程，进行微分运算或处理线形代数问题。另外，用m a p l e 可以以我们熟悉的任何一种方法轻松的进行函数作图创建几何对象，不但能够得到这些几何对象的图形，而且能够计算各点之间的距离、直线之间的角度，甚至能够通过平移、旋转、映射等多种方法得到新的结果。在m a p l e 交互式的环境下，不但可以逐行执行命令，而且可以使用简单的编程语言建立用户程序。运算结果即可以在屏幕上查看，也可以将代数计算结果转化成各种计算机语言程序源代码，方便用户将代数推导结果翻译成计算机源程序。在m a p l e 环境下书写的命令也可以转化到f o r t r a n 、c 等高级语言。需要说明的是，m a p l e 系统具有良好的模块化结构。系统外挂了许多软件包，系统内核小，而功能强大，可以方便的扩充。( 2 ) p r o e n g i n e e r 软件p r o e n g i n e e r 是美国p t c ( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n ) 公司于1 9 8 9 年推出的3 dc a d c 圳实体设计系统，经过十几年的发展，目前已成为专业设计人员使用的最为广泛的三维c a d 设计工具之一。p r o ew i l d f i r e2 0 在3 d 造型方面摆脱了传统的线结构、面结构的设计方式，直接采用三维造型架构，采用“特征”作为基础特性，利用一般的机械对象概念，如圆角、薄壳，钻孔等，以最自然的思考方式从事设计工作，可以将模型轻易的、实时的、真实的呈现在设计者面前，方便的计算出造型的表面积、体积表面积、重心、惯性矩等相关物理量，让使用者更真实的了解产品的相关特性。p r o e 具有独特的单一数据库设计，将每个尺寸看作可变的参数，只要修改这些参数的尺寸，相关的造型就会按照尺寸的变化重新生成，达到设计变更的一致性。凭借参数化的设计，设计者可以运用布尔或数学运算方式建立尺寸之间的关系式，然后修改相关参数，就可以达到同步修改的目的，从而减少人为修改图形或计算所花费的时间，并且减少了错