（机械工程专业论文）龙门式加工中心动态特性及其实验研究.pdf

j j j i i v ， 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 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。 签名：毯邀日期：2 d 叫、簟 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：弘舷导师签名：日期：v f 争 、一 h 摘璎 摘要 随着科技进步，现代制造企业对加工中心的生产效率与加工精度提出了更高 要求，使得现代加工中心日益向高刚度、高速度、高精度、轻量化方向发展。目 前，我国机床结构设计的方法多数仍停留在感性和经验设计阶段，导致产品的精 度和可靠性难以达到国际先进水平，在很大程度上制约了我国机床行业的发展。 机床动态特性在很大程度上影响着工件的加工质量，如何提高其动态特性已经成 为振兴机床行业的首要途径。 该课题来源于国家科技支撑计划项目，主要围绕其子任务多轴联动龙门 式加工中心动态性能研究进行的，即以大连机床厂自主研制生产的新一代多轴联 动高速龙门式加工中心v x 3 2 6 0 为研究对象，对立柱、横梁、整机的动态特性进 行了理论和实验研究，具体内容如下： 首先，以有限元方法为基础对加工中心进行了模态分析，求得立柱、横梁、 整机的固有频率和固有振型。针对计算结果进行分析，找出机床结构的薄弱环节， 总结了机床的动态特性。 其次，采用实验模态分析理论，用锤击试验的方法获取加工中心的低阶频率 和相应阶次的振型，对测试和计算中的影响因素进行了详细分析。将动态测试结 果与仿真计算结果分析对比，从而验证了有限元模型的有效性。 最后，选择立柱为研究对象，以理论分析和实验分析为基础，提出了两种结 构改进方案。参考基频、轻量化设计、静刚度等指标，从所改进结构形式中选优， 达到优化设计的目的。 关键词：龙门式加工中心；有限元；模态实验；模念分析 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e i l to fs c i e l l c e a i l dt e c h o l o 趴m o d 锄m a c l l i n et o o l sa r e d e v e l o p l n g o w 捌sl l i 曲s t i f b l e s s ，h i 曲v e l o c i 哦l l i 曲p r e c i s i o na 1 1 d1 i 咖w e i 蛳h c n l n a m o s tc u r 崩1 ts n r l i c t u r a l d e s i 印so fm a c l l i n et o o l s 暂e n l a i ni i l s e n s i b l ea 1 1 d e x p e n e n t l a lp h a s e ，、h i c hr e s u l t si np o o rp r e c i s i o na l l dr c l i a b i l i t yt l l a tc 锄1 0 t a c h i e v e t h ei n t e n l a t i o n a ll e v e l i tg r e a t l yr e s t r i c t st h ed e v e l o p m 饥t o f m a c h i n e - t o o li n d u s 帆 d ”锄1 cc h a r a c t 耐s t i c sh a v eb e c o m ea i l i m p o r t a n ti n d e xi nm a c h i n et 0 0 1 r e s e a r c h i ti sm eb a s i so fs t m c t i 鹏o p t i m i z a t i o n t 1 n j s ，d y i l 锄i cc h a r a c t 甜s t i c s 觚出y s l sh a sa l li m p o r t a n tp l a c ei nt h er e s e a r c ho f m a c h i n et 0 0 1 m o d a la 1 1 a l v s i si s 锄 唧e c o td y i l 锄1 cc h a r a c t 鲥s t i c s a n a l y s i s t 酞i n gt 1 1 eg a i l 时h i 曲s p e c dm a c l l i 咖g c e n t e rw h l c hi sm a d eb yd a l i a nm a c h i n i n gt o o l g r o u pa st h er e s e a r c ho b j e c t ，m o d a l 觚a l y s l s 锄de x p 嘶m e i l tr e s e 锄c ha r ec 枷e do u t t i l e c o n t e n t0 ft h i sp a p e ri s 鹤 f o l l o w r f 1 r s t l y ，t h em o d a la i l a l y s i so ft h em a c h i n ei sc o n d u c t e da i l di t sn a t u r e 仔e q u e n c y a i l dv 1 b r a t l o nm o d e sa r e o b t a i n e d t h ew e a l ( s t m c t i l r e so ft h em a c h i n et 0 0 l sa r e f o u n d s o m ec o n c l u s l o n sa r e g a i n e da b o u tt h ed y n 锄i cc h a r a c ：t 嘶s t i c so fm e m a c h i n e s e c o n d j y ，d y l l 锄i ce x p e r i m e n t so ft h em a c h i n ea r ec o n d u c t e d ，锄dt h e l o w n a t u r e 打e q u e l l c l e sa r eg a i n e d 1 1 1 ed a t ao b t a i n e d 舶me x p 耐m e i l t s 盯e c o m p a i 司w i t h t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nr e s u l t s f a c t o r sa f f e c t i n gt h e t e s ta i l dt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na r e d l s c u s s e d t h er e s u l t sg a i n e df 而me x p 甜m e n t st e s t i 矽t h e v a l i d i t yo ft h ef e m n 彻l l y ，b a s e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t st h a th a v eb e e nd o n e t h es t m c t l l r ei m p r o v e m e n to f c o l l l m ni sc 州e do u t k e yw 。r d s ：g a n t um a c h i n i n gc e n t e r ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；m 。d a l e x p 嘶m e n t ； m o d a la n a i y s i s _ 一 r i f 1 录 目录 摘要i a b s 仃a c t i i 第1 章绪论1 1 1 研究背景及意义1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 有限元方法在机床中的应用2 1 2 2 实验模态分析4 1 2 3 机床部件和整机结构动态优化方法7 1 3 本论文研究内容9 第2 章龙门式加工中心模态分析1 l 2 1 引言1 l 2 2c a d 与c a e 软件的选择1 l 2 2 1c a d 软件的选择12 2 2 2c a e 软件的选择1 2 2 3 模态分析的有限元法1 6 2 4 龙门式加工中心结构特点1 8 2 5 加工中心模型建立2 l 2 5 1 几何模型2 1 2 5 2 有限元模型2 6 2 6 加工中心模态分析2 8 2 6 1 立柱的模念分析2 8 2 6 2 横梁的模态分析3 1 2 6 3 整机的模念分析3 4 2 7 本章小结3 6 第3 章龙门式加工中心实验研究3 7 3 1 引言3 7 3 2 实验模态分析的基础理论3 7 3 3 测试系统及实验设备3 9 北京t 业大学下学硕十学位论文 3 3 1 测试系统组成4 0 3 3 2 实验系统主要组件4 2 3 4 实验方案4 4 3 5 加工中心测点布置4 5 3 6 实验结果分析。4 9 3 6 1 加工中心整机实验模态分析4 9 3 6 2 立柱实验模态分析5 2 3 6 3 移动横梁实验模态分析5 7 3 6 4 实验误差分析6 l 3 7 本章小结。6 1 第4 章立柱结构的改进设计6 2 4 1 引言6 2 4 2 机床结构动态设计原理。6 2 4 3 加工中心立柱的受力分析6 3 4 4 立柱结构改进设计6 5 4 4 1 改进结构的几何模型6 5 4 4 2 改进结构的有限元模型6 8 4 4 3 改进结构的选优6 9 4 5 本章小结7 3 结论。7 5 参考文献7 6 攻读硕士学位期间所发表的学术论文7 9 致谢8 0 1 1 第1 章绪论 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 机床，以及大中型的加工中心，作为生产制造的重要设备和工具，其工作性 能将直接影响所加工零件的质量，而机床的工作性能与其动态特性紧密相关，因 此，改进机床的动态特性，提高机床的精度是振兴这一行业的必要措施。 传统的加工中心结构设计是以类比经验设计、静强度为准则的，对产品的整 机方案及关键零部件设计缺乏必要的计算机辅助工程分析手段( 如装配结构分 析、运动学分析、动力学分析、热变形分析等) ，产品设计阶段所产生的问题往 往在样机装配过程中才发现，并且设计方案一旦改变，就需要对样机进行调整， 甚至重制，稍有疏忽设计质量就得不到充分的保证，这就直接导致了产品的开发 周期延长，费时费力，严重影响了产品的总体性能。同时由于需要制造样机，使 得产品研发费用很高。这些问题已成为影响企业发展的“瓶颈”所在。 产品是企业的生命，对技术高度密集、产品批量小、更新快的机床工业，新 产品的开发能力尤为重要。加工中心动态性能的优劣直接影响其加工质量、工作 效率及使用寿命。在设计流程中要求加工中心的设计从经验设计转向优化设计， 从静态设计转向动态设计。 现代科学技术的发展和工艺水平的提高，以及先进刀具的大量出现和使用对 机床加工性能越来越高的要求，使其必须具备良好的结构动态特性。随着现代设 计方法的广泛运用，对机床动态特性进行分析，用动态设计取代静态设计己成为 现代机床设计和优化发展的必要趋势。机床结构动态特性的分析和研究已成为目 前机床行业中新产品研制的重要环节。其中，实验模态分析是一种行之有效的方 法，在解决工程问题中起着重要的作用。 机床是由多个零部件组成的复杂组合结构，仅对个别零部件进行分析，无法 全面反映机床整体的特性，特别在动态分析中，各零部件之间结合部的接触参数 对动念性能的解析计算精度影响很大，因此，要准确地预测机床的动态性能，就 必须对整机进行动力学分析。 建立以几何模型为基础、实验模态分析同有限元计算相结合的方法，对加工 中心进行模态分析，可以了解加工中心的动态性能，及时发现结构中薄弱环节， 能够提高加工中心产品的开发能力，通过建模与仿真减少实物样机实验，提高设 计的效率和质量、减少设计成本。对于缩短新产品的开发周期，减少开发成本具 有重要意义。 北京t 业大学t 学硕l ：学位论文 1 2 国内外研究现状 早在2 0 世纪7 0 年代，西德亚琛工业大学就在机床结构的设计上应用了结构 动态设计方法，其他一些欧美国家随后都陆续采用了该方法来进行机床的设计与 开发；而我国至今基本仍沿用经验、类比、静态的传统设计方法，因此设计的产 品不仅性能差，结构笨重，而且机床设计周期长，制造成本高，更新换代慢，这 些问题使得国内机床在高档机床领域无法和国外机床相抗衡。 1 2 1 有限元方法在机床中的应用 随着计算机技术的飞速发展，有限元方法的应用越来越广泛和普及，成为了 一种最常用的分析工具。 在国外，机床结构的动力学研究和动态优化设计方面的发展很快，普遍采用 有限元法对机床部件及整机进行动态特性分析，并应用于高速机床的开发和研究 中。 v e l a g a l a ，r r e d d y l 2 j 等人利用有限元法对车床主轴建模，并以轴承间隙、 轴承刚度、工件直径大小以及外部阻尼器位置为设计参数，对其进行静、动态分 析，得到了主轴的动静态力学特性。 s t a y l a r p j 结合有限元技术利用计算机编程对机床主轴刚度进行了优化设 计。 b e r tr j o r g e n s e 和y u n gc s h i n 【4 j 根据t i m o s h e n k o 梁理论，利用离散集总 质量的影响系数法建立高速主轴一轴承系统的动力学模型，分析了切削载荷对系 统固有频率的影响。 j i nk y u n gc h o i 【5 】等人采用有限元模型计算主轴一轴承系统的温度场分布， 通过与实验数据的对比，表明采用有限元法进行主轴系统热分析是完全可行的。 西班牙的m z a t a r a in 1 6 】用有限元方法对立柱移动式铣床进行模态分析，采用 n a s t r a n 和i d e a s 两种商用软件，建立包括床身、立柱、头架及它们之间的滚 动导轨结合部在内的整机模型，并进行了模态分析，通过几种方案的比较，最后 选择了其中较合理的结构作为优选方案。 韩国科学技术高级学院j u n gd os u h 和d a ih 订l e e 【7 】用有限元方法分析高 速机床主轴外壳的阻尼特性，并用有限元法对高速铣床的滑块结构进行分析，得 到了一种新型的夹层复合结构，不仅可以减轻质量，还提高了它的阻尼系数。 德国s t u t t g a r t 大学和a a c h e n 大学【8 】研制的两种不同结构和原理的并联运 动机床d y n a m 型卧式加工中心和l i n a p o d i i i 型立式加工中心，其主轴速度分别 达到1 6 0 0 0 ，m i n 和2 4 0 0 0 ，m i n 。为了提高机床的动态性能和优化机床的结构， 2 第1 章绪论 建立了两台加工中心的整机有限元模型。经过计算，得到机床在静态受力时的整 机变形和刚度，两台加工中心的x 、y 和z 三个方向的整机的静态刚度分别达到 3 0 朋以上。 美国国家标准技术学院t l s c h m i t z 【9 ，1 0 】用实验和解析相结合的方法建立高 速机床的刀具一夹具一主轴系统的模型，很好地预测了系统的动态响应，得到了机 床系统的稳定性图。 在国内，一些高校的相关专家学者也陆续将有限元方法应用到了机床整机及 其零部件的结构研究和开发设计中来。 清华大学李育文】等人用有限元方法分析了并联机床的静刚度，基于a n s y s 建立该机床的有限元模型，考虑了并联机床的支链和机架的变形，并利用 m a t r i x 2 7 单元来模拟铰链：通过a p d l ( a n s y sp a r a m e t e r i z e dd e s i g nl a n g u a g e ) 语言实现有限元模型的参数化设计，计算出并联机床在工作空间内的刚度分布， 并验证了该模型的j 下确性。其不足之处在于更换一组机床结构参数或者改变动平 台位姿之后，a n s y s 需要重新划分网格来建立机床有限元模型，使得计算量大大 增加。因此，需要建立考虑机床机架和铰链变形的并联机床静刚度的理论模型， 才能更好地分析并联机床的动念性能和进行这类机床的优化设计。 东南大学倪晓宇【1 2 】等人利用有限元法对机床床身进行静、动态分析，并使用 渐进结构优化算法对床身结构进行基于基频约束和刚度约束的拓扑优化，为 e s 0 ( e v 0 1 u t i o n a r ys t r u c t u r a l0 p t i m i z a t i o n ，渐进结构优化法) 在机床大件结 构拓扑优化中的应用作了有益的尝试。实践证明，e s o 方法简单有效，能为机床 大件的拓扑优化提供帮助，并且在优化过程中可以通过改变参数获得更好的优化 结果和优化效率。但文章为了便于建模，略去了一些细小结构，如果要得到真实 的结果，还需要考虑那些细小结构的影响。 华中理工大学江洁 1 3 】等人采用i d e a s 分析软件对武汉重型机床厂的 c k x 5 3 2 0 0 立车工作台静刚度进行有限元分析，为设计提供了有价值的参考数据 和理论依据，改变了长期以来主要靠类比的经验设计方法，提高了设计质量。研 究表明：对于大型机床而言，其大件的结构形状和参数如何设计和选择，单凭经 验、类比和实物试验是远远不够的，计算结果和精度难以保证达到设计要求。而 采用有限元方法，则可以为结构设计提供精确的计算分析结果，还能对结构提出 有益的修改意见，提高了设计质量。 天津大学张兴朝【h 】等人针对龙门式立柱的结构设计提出了机床大件元结构 和结构框架的概念，采用有限元法分析了机床的支腿和横粱若干种元结构的动态 特性，选出其中动态特性较好的元结构用于立柱的整体结构设计，获得了良好的 效果。同时，利用立柱结构框架尺寸变化对其动态特性的影响，对龙门式立柱整 体外形的设计进行了优化。实践表明，基于元结构和基本框架优选的动态设计， 北京t 业大学t 学硕 学位论文 既能够避免复杂的结构拓扑优化，又能取得较优的设计结果，是一种有效的机床 构件动态设计方法。 沈阳工业学院安晓卫【l5 】等人针对t h 5 9 4 5 立式铣镗加工中心立柱的结构特 点，对立柱局部结构进行了简化，然后建立了立柱的有限元模型，并按滑座伸出 最远端，立柱承受最大切削力( 即极限工作情况) 时，应用结构分析软件s u p e rs a p 对其进行了静刚度分析，得到了立柱的刚度特性。文中针对立柱模型的建立所作 的局部结构简化以及极限工况的定义，对于本次设计具有参考价值和指导意义。 但s u p e rs a p 主要用于杆系结构和建筑结构设计，因此本文将采用其它专业软件 作结构分析。 西安交通大学张波【1 6 】等人在机床动态试验的基础上，首先应用有限元理论建 立了机床床身底座结构的动力学模型，应用a n s y s 的参量化设计语言a p d l 和该 软件提供的优化模块( d e s i g no p t i m i z e r ) ，对床身与底座的结合面线性弹簧一阻 尼单元的刚度值进行了参数优化识别，最后对床身一底座结构的动态特性进行了 计算和分析，提出结构改进的建议。 东南大学倪晓宇【l7 j 等人根据机床组件有限元分析特点，结合人工智能和有限 元软件a n s y s ，建立了针对机床组件有限元前处理过程的专家系统。首先根据有 限元软件的操作流程对专家系统的运行流程进行了设计。通过对专家经验、理论 知识、设计手册等知识的搜集和分类，运用基于逻辑的规则知识表达模型，将其 转换为专家系统知识库中的知识，对有限元前处理知识和结构化知识作了较为详 细的描述。同时也对专家系统中知识的推理和计算过程以及知识库的动态更新过 程进行了讨论。最后利用机床主轴挠度分析作为实例，进一步讨论和证明了该系 统的适应性和可靠性。虽然利用专家系统辅助有限元建模、分析、后处理等在国 内外已进行了一定的研究，但大多集中在航空薄壁结构、汽车以及非破坏性测试 等方面，在机床组件有限元分析方面却研究甚少，因此将人工智能化的专家系统 应用到机床组件的有限元分析中，对于提高有限元前处理的效率具有重要的意 义。由于专家系统的前期准备工作量较大，而本次研究的模型不是很复杂，因此 本文将利用有限元软件直接作前处理。 1 2 2 实验模态分析 实验模态分析丌始于2 0 世纪3 0 年代，最初用于测量飞机模态参数【4 9 ，5 0 1 。当时 用于测量动态力的传感器十分原始，采用的模拟处理方法又使处理过程十分费 时，因此在大多数实际情况下不能应用。到了6 0 年代，数字微机和傅氏变换及快 速傅氏变换等数字处理技术的发展，结构动力特性研究得到迅速发展，试验模态 分析开始了新纪元。 4 第1 鼋绪论 近3 0 年来，大量文献通过试验及数据处理来识别实际结构的动力学特性，发 展了许多试验建模方法【1 8 ，1 9 】，把复杂结构的运动简化成模态模型，通过激励一响 应的因果关系来描述系统中各环节的动态特性，大大简化了系统中求解的数学运 算，而且也为应用控制理论和借助计算机实现最优控制提供了可能性因此试验 和计算模态分析的结合成为解决现代复杂结构动态特性设计的相辅相成的重要 手段。试验模态分析涉及的内容有四个方面：模态理论、动态测试技术、信号分 析和数据处理、参数估计。 ( 1 ) 模态理论 模态理论是模态分析的基础，近几年来，它已经由传统的线性位移实模态、 复模态理论发展到广义模态理论，并被进一步引入非线性结构振动分析领域。一 些学者还发展了其他场的模态( 如应变模态、应力模态) 理论。传统模态理论包括 实模态理论和复模态理论，它研究和描述系统的固有振动特性。其实质是一种坐 标变换过程【2 0 1 ，即利用模态作为r i t z 基，将结构的动力学方程解耦成为一系列单 自由度动力学方程的总和，从而为理论分析或试验研究带来极大的方便。实模态 理论历史悠久，最初是由无阻尼的线性结构振动保守系统导出的，后来被推广到 若干种特殊的结构振动系统【2 l 】，它的理论基础是正交条件。r a y l e i g h 最早提出可 以得到正交实模态的阻尼条件，而c a u g h e y 【2 2 】提出最一般的阻尼对角化条件。对 于线性非保守非经典阻尼多自由度系统已有许多研究。主要的方法有两种，一种 是状态空间法，其优点是可以解耦，不足是人为增加求解未知量，另一种是位形 空间法，其不足是不能利用正交条件解耦。1 9 6 7 年，m e i r o v i t c h 例论述了非比例 阻尼的复模态理论。f a w z y 和b i s h o p 于1 9 7 6 年在位形空间论述了一般复模态理论， 建立了新的复杂正交关系，然后再把响应按复特征矢量展开求解。胡海副2 4 j 1 9 8 0 年得到了复传递函数的展开式，可以避开正交条件直接得到响应表达式。该方法 较上述两种方法有独特的特点。1 9 8 7 年n e w l a n d 【2 5 】又在状态空间对复模态作了进 一步的论述。国内倪金福和张阿舟【2 6 1 ，李德葆【2 7 】等都详细研究过对称系统的复 模态理论；郑兆昌，谭明一【2 8 】用摄动法研究了复模态理论，用级数渐进展开法使 实模态修j 下成复模态。近年来国内学者还在继续复模态的讨论和完善工作。 ( 2 ) 动态测试技术 试验模念分析技术早在2 0 世纪3 0 年代提出来之后，初期集中在对系统的机械 阻抗的测量，五十年代出现了测量机械阻抗的专用传感器( 阻抗头) 。六十年代中 期，随着跟踪滤波技术的突破，出现了以跟踪滤波技术为基础的传递函数分析仪 和以数字相关技术为基础的频率特性分析仪，使稳态正弦激振的测试技术得到了 解决；随着c o o l y 和t u k e y 提出的快速傅立叶计算方法和计算机技术的发展，时序 分析技术、相关分析技术和功率谱分析技术的应用，出现了许多种性能不断完善 的动态分析系统，如f f t 分析仪、数据处理机以及在软件和硬件方面都扩展了功 5 北京t 业大学t 学硕f ：学位论文 能的计算机辅助模态分析系统。相继产生了各种随机和瞬态的激振试验方法，并 且基本上解决了瞬态、随机激振的测试技术及数据处理问题。激振技术从最早采 用的单点稳态正弦激振试验方法逐渐发展为多点宽频激振试验方法，以及瞬态脉 冲激振、随机激振等多点多次激振等方法。另一方面，激励信号也从稳态正弦信 号发展成为纯随机信号、伪随机信号以及瞬态脉冲激励信号等多种激励信号。激 励技术的发展为试验模态分析技术的发展和应用创造了条件1 4 8 1 。 ( 3 ) 信号分析与数据处理 1 9 6 7 年世界上第一台基于f f l 的动态信号分析仪问世，为动态信号分析技术 在振动、冲击、噪声等领域的应用开辟了新纪元。3 0 年以来，动态信号分析经历 了三次浪潮，取得飞速的发展。1 9 6 7 年1 0 月t i m e d a t a 公司研制成功世界上第一 台基于快速傅里叶变换的f f t 分析仪，是动态信号分析历史上的一大突破，并很 快在动态信号分析中获得应用。1 9 7 2 年，t i m e d a t a 公司又推出了基于小型计算 机p d pi i 的t i m e d a t a l 9 2 3 型f f l 分析仪。同时，6 0 年代后期h p 公司推出了基于h p 小型计算机的h p 5 4 5 0 动态信号分析仪。随后，又于1 9 7 2 年研制成功h p 5 4 5 1 ，并很 快应用于飞机地面和飞行振动试验中。与此同时，该仪器在振动台随机振动控制、 振动模态分析和特征信号分析中获得巨大成功，形成了动态信号分析技术的第一 次浪潮。针对f f t 分析仪体积过于庞大，应用不便的缺点，1 9 7 7 一1 9 8 6 年第二次浪 潮中，h p 公司、s d 公司、b k 公司等公司相继研制用c p u 芯片代替计算机的所谓独 立仪器式f f t 分析仪。动态信号分析在振动、冲击与声学工程等方面获得了广泛 的应用。之后，在1 9 8 7 1 9 9 6 年的第三次浪潮中，h p 公司、z o n i c 公司、b k 公司、 d i f a 公司等公司又推出了多通道、高性能动态信号分析系统以满足大型、复杂结 构动态测试的需要。 自从世界上第一台f f t 分析仪器推出以来的短短3 0 年中，动态信号分析技术 经历了三次浪潮，动态信号分析的面貌发生了根本的改变，信号分析已经由早期 的机械阻抗分析仪发展成为f f t 分析仪以至各种分析系统；分析手段也从单点分 析发展到采用各种宽频带激振的快速频响测试技术和在小型计算机上实现的多 自由度频域、时域模态识别方法；动态信号分析技术已广泛深入到科研、教学和 工业生产第一线，成为航空、航天、汽车、机械、土木以至家电等工程领域的产 品设计、开发、使用、维护的重要手段，并成为环境振动、噪声治理的不可或缺 的工具。 ( 4 ) 试验模态分析的集成系统 随着试验模态分析的发展和研究对象的复杂化，对系统进行模态分析已不可 能采用手工计算的方法来完成，必须借助一定的集成系统和专用设备才有可能圆 满地完成模态分析的任务。目前，国际国内各种商品化的模态分析软件层出不穷， 其中比较常用的包括北京东方振动与噪声技术研究所的m a s p 、d a s p 等系列软件、 6 第1 帚绪论 比利时的l m s c a d a x 试验模态分析软件以及辛辛那提大学、h p 公司等开发的试验 模态分析软件以及丹麦的b k 模态参数识别系统等。各种模态分析软件都是和一 定的数据采集系统联合使用，完成从数据采集到模态参数识别的一系列工作。我 国的m a s p 、d a s p 等系列软件提供了强大的模态试验分析能力，可以完成示波、采 样、信号处理、整个系统提供了频域分析的方法。而比利时的l m s 、c a d a x 试验 模态分析软件具有灵活的、开放的数据库管理功能，提供了快速而灵活的方法来 建立结构的三维线架模型，还提供了全套的模态试验方法，包括锤击模态试验、 m i m 0 随机激励模态试验、m i m o 步进正弦模态试验、m i m o 正弦纯模态试验等。这些 模态试验软件的共同特点是多通道信号并行采集、控制多通道信号源输出、输入 信号调制、多通道示波器功能、实时在线显示功能，在模态参数识别方面提供单 自由度法、复模态指示函数法、时域多自由度方法和频域多自由度方法等。 随着模态分析软件的不断升级，它正在向以下方向发展：在各工程领域的应 用、非线性系统的模态分析、输入不可测的现场试验模态分析、机械结合部的模 态分析。 目前，国内外对机床进行模态分析多采用有限元数值计算和试验研究相结合 的方法。常用试验模态分析的结果来修正有限元模型，由此可得到含有结构参数 的、精确的有限元模型。 p a v e l i c ，v 和c l e e k ，a l 1 2 9 】研究了数控加工中心的结构的频率响应和模念 分析，提出机床的动态结构性能是决定总体性能的重要因素，利用测量装置获得 复杂机械系统的频率响应特性和在其自然频率下的振型，他们概述了这个技术的 理论基础。 ： 我国天津大学的朱梦周【3 0 l 对机床模念分析的快速实验法进行了研究，用具有 快速付里叶变换系统的仪器进行机床模态分析，可以形象地看出机床的振型和薄 弱环节，是评价机床和新产品设计的有力工具。目前，我国已在引进此项技术和 仪器。 昆明理工大学的梁志强【3 1 】等对加工中心整机进行了模态分析，并对机床的主 要接合部参数的识别方法做了研究。基于模态分析及信号分析等理论，建立了相 关双输入的试验系统，采用了适当的激振方式和激振设备，较好地模拟了机床加 工过程中的实际状况；通过对机床结构主要振动模念振型的分析，确定了机床在 各阶模念频率下的主振部件，为机床优化设计提出了建议，同时分析了接合部参 数识别的方法，并给出了识别接合部参数的算法。 1 2 3 机床部件和整机结构动态优化方法 复杂的机械结构系统的动态设计，目前常用的方法是采用人一机交互的方式， 北京t 业大学下学硕十学位论文 对结构系统进行建模和特性分析，根据设计者的要求进行结构的动力学修改，然 后在计算机上进行再分析，多次反复，直到所设计的结构动态性能满足要求。 目前，国内学术晃对机床部件进行的动态优化设计仍局限于广义意义上的优 化设计，其实质是“方案比较 的优化设计。其优化效果的好坏往往取决于设计 者的经验。在计算机平台上的虚拟开发环境中，实现设计者制定的目标函数与约 束条件自动完成的优化结果搜索的“自动优化 ，仅在简单零件上能够实现，利 用数学规划法和优化准则，由计算机自动来完成结构系统的优化过程，这种自动 优化设计还有大量的理论工作和实际问题有待解决。在国内，结构的优化设计基 本上还采用人一机交互设计的方式，在自由度不多的系统和部件子结构中实现自 动优化设计。 在国外，机床结构的动力学模型修正和动态优化设计等方面的研究发展很 快，并己将其它领域的知识应用于结构的动力学模型修改，美国c a t h o l i c 大学g b i a n c h i 等学者将机床的动态设计与控制相结合，i o w a 州立大学的j m v a n c e 与 i s u 研究中心的t p y e h 等学者应用虚拟现实技术来进行机床结构的形状优化设 计，m i c h i g a n 大学的t j i a n g 和m c h i r e d a s t 在应用有限元法和动态分析的基础 上，提出了一种数学模型来模拟机床结构的联接形式，建立整机的模型并对机床 结合面的联接件( 如焊点、螺栓等) 的位置和数量进行拓扑优化设计。 同时，美国f o r d 、g m 等著名汽车制造公司利用拓扑优化的设计思想，对汽车 简单薄壁结构进行优化设计，并在此基础上进行人工的动力学修正，既保证了结 构具有优良的动态性能，又节省了大量的制造成本。由于国外机床制造公司对机 床部件的优化设计方面等内容在技术上保密，很少在文献中看到类似的报道。 机床是由许多零部件组成的复杂系统，因此零部件的动、静态特性直接影响 整机性能。如何提高机床主要结构部件的动、静态性能，对于提高机床加工精度、 保证机床工作效率有着重要意义。对于机床单个部件的优化设计，一般是以针对 结构固有频率和动静刚度为优化的目标函数来进行优化设计。在这方面，国内许 多学者做了很多工作并取得了大量的成果 3 2 1 。 汤文成、易红【3 3 。3 5 j 对机床结构的动、静态特性进行分析和优化设计，通过分 析和研究发现改变结构的筋板类型和布局能够提高结构动、静态特性，并且提出 了以导轨变形量作为结构设计的主要依据，各设计变量对机床动、静态性能贡献 加权作为结构优化设计的目标函数，同时在结构的参数化设计等方面进行了有益 的尝试。 吴长智p 6 j 提出了一种离散误差线性优化的方法，在m g l 4 3 2 b 磨床动态测试的 基础上，建立整机的动力学模型，较全面地分析和指出了整机结构存在的薄弱环 节，并提出了修改方案，该方法为整机结构动态性能的修改提出了准确、可靠的 依据。 第1 章绪论 徐燕申、刘晓平、彭泽刚3 7 ，3 8 】等提出了应用模糊理论来实现机械结构的优化 设计和动力学模型修正，而陈新、张学良等应用b p 神经网络进行结构的动力学修 正和优化设计，这些方法对于机床结构件的动态优化设计都具有很好的指导意 义。 建立一个真正反映结构系统动态特性的机床动力学模型，仅仅是进行结构动 态优化设计的先决条件，而不是最终目标。动态设计的最终目的，是利用系统的 动力学模型以期获得一个具有良好动、静态特性的机床结构产品设计方案。 实现高速加工的首要条件和关键技术之一，是研究和开发性能优良的高速数 控加工中心，高速加工的主要特征是采用5 1 0 倍于常规切削速度进行切削加工， 因此要求主轴的转速高，输出的转矩和功率要大，并且在运转过程中要保持良好 的动态特性。 综上所述文献可知，国内外学者主要是基于a n s y s 、n a s t r a n 等通用有限元分 析软件来建立加工中心立柱、横梁、主轴等其它关键零部件的有限元模型。而利 用机床专用分析软件s a m c e f 建立上述零部件的有限元模型，目前的研究还很少涉 及，这也正是本文研究的主要问题之一。此外，研究对象高速龙门式加工中心 v x 3 2 6 0 已经组装完毕，为了评估其动态特性，进行模态实验进而对其零部件进 行结构改进设计也是本文的主要研究内容。 高速加工中心对床身部件的要求包括： ( 1 ) 足够的静刚度以及较高的刚度重量比。这是对床身部件最基本的要求， 它反映了床身设计的合理程度。大连机床集团研发的龙门式加工中心v x 3 2 6 0 ， 其显著特点是加工工件时横梁可以自主移动。横梁可以达到十几吨重，移动过程 中，具有极大的惯性，与工件加工质量密切相关。 ( 2 ) 良好的动态特性。移动部件需要频繁作往复运动，惯性力的方向反复 改变，同时，切削中的交变载荷的作用，如加工中心主要支承部件立柱的动态刚 度不足，很容易产生整机的振动。 ( 3 ) 应具有较好的热变形特性。在机床设计上，除了需要采取措施加强散 热之外，要求床身热特性好，热变形小或者热变形对加工精度影响小。 1 3 本论文研究内容 本课题来源于国家科技支撑计划合作项目。以大连机床集团自行研制生产的 新一代龙门固定、工作台移动式某型号龙门加工中心机床为研究对象。 本文主要研究龙门加工中心立柱、横梁、整机的动态振动特性。为进一步对 立柱的结构进行优化设计，提高立柱的可靠性和精度提供了理论和技术指导。具 9 北京t 业大学t 学硕f j 学位论文 体研究内容如下： 第二章首先对有限元模态分析方法的理论进行了概述，接着叙述了c a d 建模 软件和有限元软件的选用，简要介绍了p r o e 和s a m c e f 软件的主要特点及功能， 接下来利用p r o e 软件对立柱、横梁进行三维建模，并将建立好的模型导入s a m c e f 中，完成立柱、横梁有限元模型的建立，最后完成对立柱、横梁、整机有限元模 型的模态分析； 第三章是本文的模态实验部分，采集了立柱、横梁、整机的振动信号，建立 了三种结构的实验模型，最后利用动力学分析软件c o i n vd a s pv 1 0 的模态分析模 块进行分析，提取到了它们的固有频率与相应振型； 第四章对加工中心的主要承重部件立柱进行了尝试性的结构改进，在一定程 度上提高了加工中心的动态特性。 最后是全文的总结和展望部分。通过对加工中心立柱、横梁、整机的动态特 性有限元仿真分析和模态实验，本文得到了一些有用的结论，并对以后的研究目 标和方向提出了建议。 l o 第2 章龙门式加t 中心模态分析 2 1 引言 第2 章龙门式加工中心模态分析 随着振动理论及相关学科的发展，人们早已改变了仅仅依靠静强度理论进行 结构设计的观念。现实生活中，许多结构是在外部激励或自身动力作用下处于运 动状态，从而表现出振动特性的。因此，设计、评估这些机械结构时就需要考虑 其动态特性。随着现代工业的进步，许多产品朝着更大、更快、更轻和更安全可 靠的方向发展，因此对动态特性的要求越来越高，振动分析愈显重要。作为振动 工程理论的一个重要分支，模态分析或实验模态分析为各种产品的结构设计和性 能评估提供了一个强有力的工具。其可靠的实验结果往往作为产品性能评估的有 效标准，而围绕其结果开展的各种动态设计方法更使模态分析成为结构设计的重 要基础。 众所周知，传统的结构设计，在考虑动态因素的结构修改时，是以经验和反 复实测为主要手段。这大大减缓了设计速度，设计质量也难以达到最优。为此， 科技工作者不断探索有依据的结构动态修改方法，期望达到优化设计的目的。有 限元法( f e m ) 和实验模态分析( e m a ) 为结构动态设计提供了两条最主要的途径。 在围绕这两种基本方法所开展的结构动态设计研究工作中，人们提出了很多方 法，分别从不同方面解决了结构动态设计中的部分问题。运用这些方法的组合可 以做到结构的优化设计，进而大大提高产品设计性能、缩短设计周期。 本章以模态分析的有限元法为理论基础，基于有限元分析软件s a m c e f 建立 高速龙门式加工中心立柱、横梁、整机的有限元动力学模型，运用模态分析理论 和s a m c e f 软件的模态分析模块，进行加工中心模态有限元法分析，研究其振动 特性【3 9 】。 2 2c a d 与c a e 软件的选择 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，已成为近代工业提升竞争力的主要方法。设计自动化技术己为工 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。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 r