（机械制造及其自动化专业论文）xk717数控铣床有限元建模及其动态特性分析.pdf

x k 717 数控铣床有限元建模及其动态特性务菥l i l l i l l l i l l l u l l i i l i l l i l i l u i i l l i i l 3 i l i l i l 。l l l i i 8 l i i i l l i 摘要 随着科学技术的发展，机床日益向高速、高效、精密和自动化方 向发展，因此对其加工性能的要求也越来越高。为了使机床能够安全 可靠的工作，其结构必须具有良好的静动态特性。又由于机床结构的 动态特性对其工作性能、效率、稳定性和可靠性等有很大的影响，目 前它已经成为衡量机床结构性能好坏的非常重要的指标。因此，提高 机床结构的动态性能已经成为机床行业走向现代化要解决的研究课题 之一。本课题结合浙江省重大科技招标资助项目( 大型高效数控模具 加工机床关键技术研究) ，对x k 7 1 7 数控铣床的动态特性进行了分析 和评价。最后，找出了铣床结构存在的薄弱环节并提出了修改建议。 全文分为六章，具体内容如下： 第一章，综述了本课题的研究背景，包括目前数控机床的发展趋 势和国内数控机床的发展现状及存在问题。阐述了研究机床动态特性 的重要意义，总结了机床动态特性研究的概况。最后，介绍了本论文 的主要研究内容。 第二章，介绍了基于有限元法的机床动态分析的基本理论。并对 有限元分析软件a n s y s 的分析流程及特点进行了简要介绍。 第三章，结合面特性是机床动态特性的重要内容，本章探讨了结 i 合面的建模和参数确定的方法。针对x k 7 1 7 数控铣床，研究了两个重 要结合面( 底座与立柱、立柱与主轴箱) ，并确定了其结合面参数。还 对三个坐标轴的进给系统进行了分析和简化，最后在此基础上建立了 x k 7 1 7 数控铣床的有限元模型，为后面的计算分析奠定了基础。 、第四章，利用a n s y s 软件对x k 7 1 7 数控铣床整机进行了动态特 性的数值计算，包括固有振动特性分析和谐响应分析。为铣床的动态 特性分析提供了依据。 第五章，通过对立式铣床各种铣削方式的分析，研究了动柔度对 机床切削动态特性的影响。提出了机床结构相对动柔度的关注度的概 念，并把动柔度的关注度作为评价机床动态特性的一项重要指标。结 合固有频率、主振型分析和评价了x k 7 1 7 数控铣床的动态特性，找出 了整机的薄弱环节。 第六章，对x k 7 1 7 数控铣床的薄弱结构进行了修改，改进后的整 机动态特性有了显著的改善。 最后，对论文研究结果进行了总结并对进一步的工作进行了展望。 关键词：机床结构，动态特性，有限元，a n s y s f i n i t ee l e m e n tm o d e l i n ga n dd y n a m i c c h a r a c t e 对s t i ca n a l y s i sf o rt h e x k 7 l7 c n cm i l l i n gm a c h i n e a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n t si ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h em a c h i n et o o la l s ot e n d st o h i g h s p e e d ，e f f i c i e n t ，p r e c i s ea n da u t o m a t i o n t h er e q u i r e m e n to fp e r f o r m a n c ei sa l s o h i g h e ra n dh i g h e r i no r d e rt op r o d u c es a f e l ya n dr e l i a b l y , t h es t r u c t u r e sm u s th a v ew e l l 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 c s t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fm a c h i n et o o l i n f l u e n c et h ep e r f o r m a n c e ，e f f i c i e n c y , s t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h em e c h a n i c a l s t r u c t u r eg r e a t l y i th a sb e c o m et h ev e r yi m p o r t a n te v a l u a t i o ni n d e xo ft h ep e r f o r m a n c e o fm a c h i n et 0 0 1 t h e r e f o r e ，t h ei m p r o v e m e n to ft h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ch a sb e c o m e t h em o s ti m p o r t a n tr e s e a r c hs u b j e c to ft h em e c h a n i c a li n d u s t r y i nt h i sp a p e r ，d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so fx k 717c n cm i l l i n gm a c h i n ea r ea n a l y z e db yu s i n gt h ef i n i t ee l e m e n t m e t h o d ，s u p p o r t e db yak e yp r o j e c to fz h e j i a n gp r o v i n c e a f t e ra n a l y z i n gt h er e s u l t s ， t h ed e f e c t i v ep a r t so ft h em a c h i n et o o la r ef o u n d a n dt h ea d v i c e sa r ep r o v i d e dt o m o d i f yt h es t r u c t u r eo f t h em a c h i n e i nc h a p t e r1 ，d e v e l o p m e n tt r e n d so fc n cm a c h i n et o o la tp r e s e n ta r ei n t r o d u c e d p r o b l e m so fc n cm a c h i n et o o la th o m ea r ep o i n t e db ym e a n so fa n a l y z i n gt h ep r e s e n t s i t u a t i o n s m o r e o v e r , i m p o r t a n c ea n dd e v e l o p m e n to fs t u d yo nd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s o fm a c h i n et o o l sa r es u m m a r i z e d f i n a l l y , t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r eg i v e n i nc h a p t e r2 ，t h et h e o r yo nd y n a m i ca n a l y s i so fm a c h i n et o o lb a s e do nf i n i t e e l e m e n tm e t h o di ss u m m a r i z e d a n dt h e n ，t h ea n a l y z i n gp r o c e s s e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so f f i n i t e e l e m e n ts o f t w a r ea n s y sa lei n t r o d u c e d i nc h a p t e r3 ，t h ej o i n ts u r f a c ec h a r a c t e r i s t i ci se s s e n t i a lt os t u d yt h ed y n a m i c 1 i i c h a r a c t e r i s t i co fm a c h i n et 0 0 1 t h em e t h o d sf o rm o d e l i n gj o i n ts u r f a c ea n dp a r a m e t e r d e t e r m i n a t i o na r ed i s c u s s e d m o r e o v e r , f e e d i n gs y s t e mi s a n a l y z e da n ds i m p l i f i e d f i n a l l y , t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo fx k 7 17c n cm i l l i n gm a c h i n ei sb u i l t p r o v i d e st h em o d e lf o rt h ef o l l o w i n gc a l c u l a t i o na n da n a l y s i s w h i c h i nc h a p t e r4 ，t h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o n so fd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fx k 717c n c m i l l i n gm a c h i n ea r eg i v e n ，i n c l u d i n gn a t u r a lv i b r a t i o n a n a l y s i sa n dh a r m o n yr e s p o n s e a n a l y s i s t h er e s u l tp r o v i d e st h ed a t af o ra n a l y z i n gd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fx k 7 17 c n c m i l l i n gm a c h i n e i nc h a p t e r5 ，i n f l u e n c e so fd y n a m i cc o m p l i a n c e so nc u t t i n gd y n a m i c sa r eg i v e nb y a n a l y z i n gt h em i l l i n gm a n n e ro f v e r t i c a lm i l l i n gm a c h i n e t h ec o n c e p t i o no fa t t e n t i o nt o r e l a t i v ed y n a m i cc o m p l i a n c ei sp r e s e n t e d ，w h i c hi sv e r yi m p o r t a n tt oe v a l u a t et h e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c a sw e l la st h en a t u r a lv i b r a t i o nf r e q u e n c ya n dm o d es h a p e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fx k 7 17c n cm i l l i n gm a c h i n ea r ea n a l y z e d t h ed e f e c t i v e p a r t so f t h em a c h i n ea r ef o u n d i n c h a p t e r6 ，d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h em a c h i n ea r ee n h a n c e db ym e a n so f m o d i f y i n gt h es t r u c t u r e f i n a l l y , t h em a i nc o n c l u s i o n sa n dp r o s p e c t sf o rt h ef u t u r er e s e a r c ha r ep r e s e n t e d k e yw o r d s ：m a c h i n et o o ls t r u c t u r e ，d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，f e m ，a n s y s 目录 中文摘要1 英文摘要i i i 第一章绪论一。1 1 1 本课题的研究背景l 1 1 1 目前数控机床的发展趋势1 1 1 2 国内数控机床的发展现状及存在问题3 1 2 研究数控机床动态特性的重要性3 1 3 机床动态特性研究概述。4 1 3 1 机床动态特性研究内容5 1 3 2 机床动态特性的研究方法= - 一5 1 4 本课题研究的主要内容8 第二章基于有限元法的机床动态分析基本理论1 0 2 1 有限元分析基本思想l o 2 2 有限元动态分析原理11 2 2 1 动力平衡方程11 2 2 2 模态分析理论1 4 2 2 3 振型叠加法求结构动力响应1 6 2 3a n s y s 有限元分析软件简要介绍”1 8 2 4 小结2 0 第三章x k 7 1 7 数控铣床结构动态特性分析的有限元模型建立2 1 3 1 研究机床结构结合面特性的意义2 l 3 2 数控铣床结合面的建模及其参数确定的方法2 2 3 2 1 机床结合面特性的研究状况2 2 3 2 2 机床结构结合面等效动力学模型的建立2 3 3 2 3 确定结合面等效动力学参数的方法，2 4 v 3 3x k 7 1 7 数控铣床的结合面参数的确定2 7 3 - 3 1 立柱与底座结合面刚度、阻尼数值的确定2 7 3 3 2 立柱与主轴箱结合面刚度、阻尼数值的确定3 0 3 4 滚珠丝杠连接刚度的计算：3 2 3 5x k 7 1 7 数控铣床有限元模型的建立 3 3 3 5 1 建模方法的选择3 3 3 5 2c a d 实体模型的简化原则，3 4 3 5 3 设定材料特性3 4 3 5 4 单元类型的选择以及网格的划分3 4 3 6 小结3 6 第四章x k 7 1 7 数控铣床整机结构动态特性的数值计算3 7 4 1x k 7 1 7 数控铣床整机结构固有振动特性分析3 7 4 2x k 7 1 7 数控铣床整机结构的谐响应分析，4 1 4 3 小结：5 1 第五章x k 7 1 7 数控铣床动态特性分析5 2 5 1 评定机床动态特性所用的指标5 2 5 2 机床结构的相对动柔度5 3 5 3 基于相对动柔度的立式数控铣床动态特性分析5 4 5 3 1 立式数控铣床常见的铣削方法及动柔度对机床切削动态特性的影响- 5 4 5 3 2 机床结构相对动柔度的关注度5 8 5 3 - 3x k 7 1 7 数控铣床结构相对动柔度的关注度分析5 8 5 4x k 7 1 7 数控铣床的薄弱环节分析5 9 5 5 小结：6 0 第六章x k 7 1 7 数控铣床结构的改进“6 1 6 1x k 7 1 7 数控铣床结构修改6 l 6 2 修改后x k 7 1 7 数控铣床动态特性6 2 6 2 1 修改结构后的x k 7 1 7 数控铣床的固有频率和主振型6 2 6 2 2 修改结构后的x k 7 1 7 数控铣床的相对动柔度6 5 6 3 修改前后x k 7 1 7 数控铣床动态特性对比与分析6 5 v i 6 4 小结 第七章总结与展望二 参考文献一 附录一 致谢 攻读学位期间参加科研项目与发表的学术论文 v l i 浙江工业大学硕：f ：研究生论文 1 1 本课题的研究背景 第一章绪论 1 1 1 目前数控机床的发展趋势 ： ； 数控技术是先进制造技术的重要核心之一，关系到国家工业战略地位和综合 国力水平。数控机床拥有量和年产量是衡量一个国家制造业现代化水平的重要标 志。它是世界各国竞相发展的重要产品，在国内外市场中的竞争非常激烈。当今 世界数控机床的发展趋势主要有以下几个方面【l 】： ( 1 ) 高速、高精度和高可靠性 新的切削理论认为：当切削速度达到一定程度后，切削区温度不再上升，并且切 削力反而会减小。机床向高速化方向发展，可充分发挥现代刀具材料的性能，不 但可以大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且还可以提高零件的表面加工质 量和精度。为此，同本先端技术研究会将其列为5 大现代制造技术之一，国际生 产工程学会( c i r p ) 将其确定为2 l 世纪的中心研究方向之一。 从精密加工发展到超精密加工，是世界各工业强国致力发展的方向。其精度 从微米级到亚微米级，乃至纳米级，其应用范围日趋广泛。当前，机械加工高精 度的要求如下：普通的加工精度提高了一倍，达到5um ；精密加工精度提高了两 个数量级，超精密加工精度进入纳米级( 0 0 0 1um ) ，主轴回转精度要求达到 0 0 l 加0 5ur n ，加工圆度为0 1um ，加工表面粗糙度i h 要求为0 0 0 3um 等。 高可靠性是指数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性在一个数量级以 上，当前国外数控装置的m t b f 值已达6 0 0 0h 以上，驱动装置达3 0 0 0 0h 以上。 表现出非常高的可靠性。 ( 2 ) 智能化、开放性、和网络化 2 1 世纪的数控机床将是具有一定智能化的系统，智能化主要体现在追求加工 效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成： 提高驱动性能以及使用连接方便方面的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应 运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等：简化编程、简化操作方面的智能 浙江工业大学硕1 一：t i j f 究生论文 化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面 的内容、方便系统的诊断及维修等。 为了解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题， 应该设计生产开放式的数控系统，它已经成为数控系统的未来之路。目前许多国 家对开放式数控系统进行研究，如美国的n g c 、欧共体的o s a c a 、同本的o s e c ， 中国的o n c 等。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台 - 。 上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象( 数控功能) ，形 成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实 现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。 网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控机床的网 络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新 的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。国内外一些著名数控 机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，如在e m 0 2 0 0 1 展中，同本山崎m a z a k 公司展出的c y b e rp r o d u c t i o nc e n t e r ，德国s i e m e n s 公司展 出的o p e nm a n u f a c t u r i n ge n v i r o n m e n t 等，反映了数控机床加工向网络化方向发展 的趋势。 ( 3 ) 复合加工机床的快速发展 复合加工机床是把不同工种加工集中在同一台机床上，这样可以大大缩短零 件的生产周期、降低生产成本。是近年来制造技术发展的重要趋势之一。目前欧 洲复合加工技术的发展是以异质技术的复合为主流。以德国为代表的企业将以下 几种复合化技术应用在机床加工中：车削+ 磨削加工、超声波加工技术、磨削+ 电加工、铣削+ 棒材加工、铣削+ 激光加工、多轴自动车床+ 滚刀切削头和珩磨 + 激光加工等。而日本最近复合加工机床的发展趋势是完全工序集中方式、使用 为主体的模式化方式和磨台自动回转方式等。 复合力n - r _ 技术的发展预示着一个完全加工时代即将到来，即在一台机床上从 毛坯直接加工成零件成品，送入组装、总装进行装配，实现了没有在制品、没有 半成品、没有成品库的真正精益生产。 2 浙江工业大学硕士研究生论文 1 1 2 国内数控机床的发展现状及存在问题 近几年，我国数控机床取得了快速的发展，数控机床的产量以超过3 0 的速 度递增，2 0 0 3 年，数控机床的产量达到了3 6 8 1 3 台i 较1 0 年前的1 9 9 3 年增加了 近5 倍，较2 0 0 1 年也翻了一番多。我国数控机床的可供品种超过了1 5 0 0 种，且 每年仍以不少于2 0 0 种的速度增加。代表当今数控机床最高水平的5 轴联动数控 机床，国内已有一批产品实现了商品化，并在用户的生产现场发挥其功效。经济 型数控机床国内产品占据主导地位，基本可以满足国内市场需求：普及型数控机 床是国产与进口竞争的焦点，国产数控机床在稳定性和可靠性上与国外产品相比 尚有差距：全功能高级型数控机床国内产品不论在产量上，还是品种上，乃至机 床功能和性能上与国外产品差距较大。在我国数控机床由发展期开始步入成熟期， 进入快速发展的新阶段时，机床厂商必须认识到存在的差距，以提高国产数控机 床的产品质量和可靠性为主要目标，从而提高企业和产品在国际上的竞争力【2 l 。存 在的差距体现在以下几个方面：产品仿制多，创新少，市场竞争力不足，利润低； 设计方法落后，机床结构设计，尚处于传统的经验、静态和类比的设计阶段，很 少考虑结构静、动态特性对机床产品性能产生的影响，产品精度低，质量难以保 证：设计周期长，成功率低，要经过反复设计、试制与修改，且设计成本高【3 】。 之所以长期以来国内机床产品与先进国家同类型机床还存在以上几个方面的 差距，主要的原因在于对新技术的应用相对滞后，劳动生产率低下。多年来科研 投入少，基础研究薄弱，新产品开发滞后等诸多原因。针对上述情况，开展“大 型高效数控模具；o n - f 机床关键技术研究”，在缩小我国的机床行业与国外同行业水 平，提高我国模具加工技术、增强科研开发能力等方面具有积极的意义【4 j 。本课题 是浙江省重大科技招标资助项目( 大型高效数控模具；o n - f 机床关键技术研究) 的 一部分，即对数控铣床进行动态特性的分析和研究。 1 2 研究数控机床动态特性的重要性 效率和质量是先进制造技术的主体。由国内外数控机床的研究状况来看，高 速切削技术可以极大地提高加工效率、产品的质量和档次，大大缩短生产周期和 提高市场竞争能力。所谓高速切削，首先是高的速度，即要有高的主轴转速，比 浙江工业大学硕士研究生论文 如1 2 0 0 0 r m i n ，1 8 0 0 0 r m i n ，3 0 0 0 0 r m i n ，甚至还有更高的转速；另一方面，要求 有更大的进给量，如3 0 m m i n ，4 0 m m i n 甚至6 0 m m i n ，再有就是快速移动，快速 换刀，主轴换刀后从静态到达所需转速的速度等。美国c i n c i n n a t i 公司的 h y p e r m a c h 机床进给速度最大达6 0 m m i n ，快速为1 0 0 m m i n ，加速度达2 9 ，主轴 转速已达6 00 0 0 r m i n 。加工一薄壁飞机零件，只用3 0 m i n ，而同样的零件在一般 高速铣床加工需3 h ，在普通铣床3 n - r 需8 h 。高速切 i 9 加工技术从出现至今被应用 ： 于机床行业已经有2 0 多年的时间以切削效率高、加工质量好、精度高等特点为机 床加工业展示了美好的前景，并产生了巨大经济效益【5 】。 机床这种优良的加工性能又与其动态性能紧密相关，机床工作时产生的振动， 不仅会影响机床的动态精度和工件的表面质量，而且还会降低生产效率和刀具的 耐用度，甚至会降低机床的使用寿命，振动所产生的噪声还会影响工作环境。对 于数控机床来说，振动的威胁是更大的。剧烈的振动将使数控机床的驱动装置、 检测装置不能正常的工作；且因为不像普通机床那样经常有人看管，因而数控机 床产生的振动不易及时发现和采取相应的措施。现代制造业要求高精度、低粗糙 度的高自动化精密机床，设法提高机床的动态性能，减少和避免振动的发生，保 证机床在额定功率范围内使用时都不会发生自振，这是机床工业中一项重要的研 究内容。许多研究表明，随着机床加工性能的不断提高，对机床动态性能的要求 也愈来愈高。垣野议昭早在1 9 7 8 年在日刊机械。研究发表的文章机床动态 特性中就提出，颤振和热变形是影响加工精度和3 n q - 效率的主要因素【6 j 。德国阿 亨工业大学的m 韦克教授在7 0 年代曾较系统地论述了鉴定机床动态特性的意义。 他认为，这种特性往往会对机床功率的利用产生难以预料的影响【7 】。所以，对机床 动态特性进行研究具有极其重要的意义。 1 3 机床动态特性研究概述1 9 , 1 0 1 自从1 7 7 6 年j o h nw i l k i n s o n 发明镗床，1 8 0 0 年h e n r ym a u d s l a y 发明车床标志 着现代机床技术的形成。此后，机床工业随着科学技术的突飞猛进，也取得了飞 跃性的进展。2 0 世纪4 0 年代后，出现了硬质合金刀具，机床开始向着高效、高速、 大功率方向发展，此时仅用经验类比设计方法已不能满足生产要求，人们认识到 机床结构的动态特性对机床的性能影响很大。2 0 世纪6 0 年代中期以来，由于计算 4 浙江工业大学硕士研究生论文 机技术、振动理论和结构动力学理论等的发展，为机床动态特性的研究提供了坚 实的理论基础和先进的测试手段，使研究进入了一个全新了计算机辅助分析和优 化设计的定量研究阶段，系统地建立了机床动态特性的研究理论，达到了一定的 实用程度，并在不断的深化和发展。直到现在，机床结构的动态特性依然是评定 机床性能好坏的重要标准之一。 1 3 1 机床动态特性研究内容 机床动态特性的研究包括了动力分析和动力设计两个主要部分的内容： 动力分析就是在已知系统的动力学模型、外部激振和系统工作条件的基础上 分析研究系统的动态特性。对机床而言，其动力分析主要指机床抵抗振动的能力。 和其他的机械结构一样，机床振动也是结构弹性体振动问题，研究内容包括机床 结构的自由振动频率( 固有频率) 及其相应的振型和强迫振动时的响应等静、动 态特性的计算。动力分析问题已经进行了多年的研究，形成了比较完整的理论， 出现了能适用于不同情况的各种分析计算方法，即使是比较复杂的系统，其动力 分析也可以得到比较准确的结果。 动态设计是根据设计要求，建立系统的数学模型，在设计过程中寻求一个经 济、合理的结构，动态优化设计比动力分析更为复杂，但两者之间是互相联系的。 事实上，尽管目前已经提出了一些动态优化设计的方法，但大多将动态设计问题 转化为动力分析问题进行处理。因此，对机床进行动力分析是十分必要的。 对机床的动态特性的研究大体可以分为理论和试验两种研究方法：一种是按 照设计图纸，建立机床结构的动力学模型，根据这个模型进行分析、综合和计算， 边分析边改进设计，逐步达到预先给定的设计要求；另一种是对机床的具体结构 进行动态测试，根据测试数据进行动力分析，找出限制机床动态性能提高的薄弱 环节为改进设计提供依据；或者以测试数据为基础，建立机床结构的力学模型， 再根据这个力学模型进行动力分析和动力设计，这样做可以预测改进设计的效果， 有效地达到改进设计的目的。 1 3 2 机床动态特性的研究方法 机床结构动态特性的研究方法大体可以分为理论研究方法、试验研究方法和 浙江工业火学硕：上研究生论文 理论与试验相结合的研究方法。 ( 1 ) 理论研究方法：早在1 9 6 4 年m a l i t b a c k 、t a y l o r 和t o b i a s 就提出了关于 摇臂钻床刚度计算的研究报告，提出了用简单梁元素连接集中质量，建立机床结 构动力学模型的方法，并计算出了与实测值比较一致的固有频率和振型。这种方 法的问题在于如何以简单合理的力学模型来模拟复杂的机床结构，而且在进行复 杂结构的动力分析，精度比较低。虽然这种方法存在很大的缺陷，但它却指引着 后来的学者努力的方向。之后很多学者进行了相关的研究。特别是m y o s h i m u r a 和t h o s h i 等进行了一系列有价值的进一步研究。1 9 7 1 年，m y o s h i m u r a 和t h o s h i 建立了单柱刨铣床不包括结合面在内的分布质量梁动力学模型，并从能量平衡的 原理对机床结构进行了优化设计。同年，国际生产工程研究协会c i r p 对用分布质 量梁和集中质量建立机床动力学模型的方法发起了联合研究，联邦德国、日本、 英国比利时许多国家学者参加了研究，具体对象是卧式铣床。研究结果比较一致， 并对计算过程中产生的误差及各种计算程序的效率进行了研究，得出的结论指出： 采用理论方法建模方法时，力学模型的确定，直接影响分析计算的结果。机床的 结合面参数处理办法不同，也会导致不同的分析结果。为了提高分析精度，用更 接近于实际结构的模型来进行机床的动态特性的研究，首先是s t e p h e n 把有限元应 用于机床结构的建模中。有限元建模和集中质量分布质量梁建模是两种各不相同 的方法。为了综合两种方法的优点，h s a t a ，y k u r o d a 和m s a g a r a ；m w e e k 等人 用有限元和分布质量梁相结合的方法建立了车床的整机动力学模型，编制了相应 的计算机程序，对车床的动态特性进行了分析和计算。1 9 7 5 年，m y o s h i m u r a 综 合了集中质量、分布质量梁和有限元模型的特点，研究出了用于三种子结构组成 的动力学模型及计算机程序，用这个程序对双坐标镗床的动态特性进行了分析和 优化【1 1 】。2 0 0 1 年，张广鹏等采用均质梁、集中质量及结合部单元对机床进行了整 机理论建模，并在基础上计算了固有频率，通过和实验结果进行对比，得出两者 基本一致的结论。从理论分析的角度出发，建立机床的动力学模型是力求在机床 设计图纸的基础上，经过抽象，简化来建立机床的动力学模型，并由此进行动态 特性的分析和结构优化设计【1 2 】。显然，这种方法是机床结构设计中要实现的最终 目标。这样可以缩短产品的研制周期，降低研制费用。 ( 2 ) 试验研究方法：试验模态分析技术通过系统辨识理论、模态分析理论把 理论分析和动态测试结合起来，是一种很实用的技术。在试验模态分析技术的理 6 浙江工业大学倾：l 研究生论文 论分析方面，由于引进了控制理论中的传递函数的概念，建立了描述系统动态特 性的传递函数和模态参数解析的统一理论基础，使得模态分析理论自七十年代以 来发展很快，出现了许多种模态参数的识别方法。目前模态分析技术主要应用于 三个方面：改善产品的抗振性能，试验与理论分析相结合的组合结构分析以及结 构动力修改。 模态分析技术的发展推动了由试验数据建立系统动力学模型的方法的发展。 试验建模的方法可以分为两类：一类是根据动态测试数据直接识别振动结构的物 理参数，建立起系统的动力学模型；一类是以模态参数为基础的办法。1 9 7 4 年， r m m a i n s 和w e n o o n a n 首先提出了不利用模态参数，直接用测试得到的传递函 数来识别系统的物理参数，这个方法比较简单，但当自由度较大时，对于测量数 据的误差十分敏感，较小的测量误差就会导致很大的识别误差，虽然可对测量数 据作平滑处理和调整，使识别精度得到提高，但是还需要进一步的完善。目前， 应用较多的是以模态参数为基础的方法，它主要分为两个步骤，首先根据试验数 据识别出机床结构的模态参数，然后采用坐标变换法，识别出机床结构的物理参 数模型。1 9 7 6 年，j t l u e t y 等人利用第二种办法建立了五自由度的立铣动力学模型， 模型的分析结果与试验数据能够较好地一致。但是，由于受到激振实验中能够激 起的振动模态较少的影响，试验建立的机床动力学模型的阶数相应较小，因而利 用低阶的动力学模型是很难真实的模拟理论上具有无限自由度的机床实际结构。 即使模拟结果真实，低阶动力学模型的优化结果也不容易分配到由较多零部件组 成的机床具体结构中。对于完整模态，可用坐标变换法识别出物理参数，这种方 法的精度完全取决于模态参数的识别精度和矩阵求逆的误差。随着结构复杂性的 增加，一般从试验数据得到的是复模态。s r i b r a h i m 在1 9 8 2 年提出了一个从复模 态中识别主模态，进而根据主模态识别出结构的物理参数方法。试验建模要求将 设计的系统做成模型或实物，因而它适用于验证设计阶段。此外，由于试验只能 提供结构系统有限几个低阶模态，并且试验模型不便于将模态参数转化为实际可 以修改的结构尺寸参数，因此，单单靠这种方法进行机械结构的优化设计是不现 实的。 ( 3 ) 综合研究方法：七十年代中期以来，人们将有限元法和模态分析技术有 机地结合起来，发挥各自的长处，以得到能确切反映实际，实用的动态特性分析 技术。利用测试得到的较准确的模态参数来修正理论模型，使修正后的理论模型 浙江工业大学硕士研究生论文 能够确切地模拟结构的动力特性，在这样的动力学模型基础上进行分析和优化设 计，就能够充分发挥理论分析的作用。a b e r m a n 在1 9 7 1 年提出了不完整的动力结 构模型理论，并在1 9 7 5 年和1 9 7 9 年不断加以完善，b e r m a n 方法的优点是不需要计 算特征值和特征向量，用试验数据特征向量和频率来修改理论计算的质量、刚度 矩阵，直接得到结构参数，这个方法是基于模态正交理论。我国的彭晓洪对b e r m a n 的算法提出了一个改进算法，使修正矩阵也具有带状性质，这样使计算得到简化。 ： 这些方法的共同特点是，认为试验得到的数据与分析数据有一个很小的变化，它 们只引起原分析系统的一个很小的摄动，具有测试值是原系统分析值与摄动值和 这样一种关系，根据试验数据与分析数据的变化量来估计结构参数的变化。1 9 8 3 年j c c h e n 提出了从模态试验结果中直接识别结构物理参数的方法，这种方法是基 于完整模态理论。往往测出的模态数据不是完整的，测出的模态数低于理论模态 数。1 9 9 3 年，刘晓平和徐燕申将模态分析和有限元法相结合识别结合面动力学参 数，并基于此建立了整机的动力学模型【l3 1 。2 0 0 1 年，东南大学利用有限元的方法 建立机床整机动力学模型，并利用动态测试分析及优化参数法对有限元模型进行 了修正，从而保证有限元模型的建模精度i l 4 1 。 利用测试数据修j 下有限元模型，是当前进行机床结构动力分析和动态设计比 较常用的途径。在这个方面已经做了一些工作，深入一步的研究仍在继续。由于 包括了理论分析和动态测试两个方面的内容，所以需要解决有限元本身的理论问 题。而且采用这种方法的前提是需要具备现有的机床。 由于没有现有的x k 7 1 7 数控铣床整机作为试验基础，因此采用试验研究方法 和试验与理论相结合的方法是不适用的。本课题拟用理论分析方法对铣床进行动 态特性的分析。 1 4 本课题研究的主要内容 本课题将结合浙江省科技厅招标项目“大型高效数控模具加工机床关键技术 研究”，在机床设计阶段，建立了x k 7 1 7 数控铣床整机的动力学模型，并在其基 础上，利用大型通用有限元分析软件a n s y s 进行了固有振动特性分析和谐响应分 析。然后根据分析结果评价了x k 7 1 7 数控铣床的动态特性，指出了铣床存在的结 构不足的地方，并改进结构以达到更高的动态特性。具体的工作如下： 8 浙江工业大学硕士研究生论文 第一、建立x k 7 1 7 数控机床整机有限元模型。 根据前人的研究成果，利用现有的一些技术手段确定出了x k 7 1 7 数控铣床的 结合面参数，并对进给系统进行了简化。在此基础上建立了x k 7 1 7 数控铣床的有 限元模型，为机床动态特性的计算和分析提供了数学模型。 第二、对x k 7 1 7 数控铣床整机结构进行了动态特性的数值计算 包括固有振动特性分析和谐响应分析，最后的计算结果为进一步评价x k 7 1 7 数控铣床的动态性能提供了数据。 第三、x k 7 1 7 数控铣床整机结构的动态特性分析及结构改进 结合机床固有频率、主振型和相对动柔度的关注度三者对x k 7 17 数控铣床的 动态特性进行分析。根据分析结果，指出了机床存在薄弱环节的地方，并对薄弱 结构进行了改进。 9 浙江t 业大学硕i ：研究生论文 第二章基于有限元法的机床动态分析基本理论 2 1 有限元分析基本思想 有限元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的种现代计算方法。它 一 是从5 0 年代起首先在固体力学领域的结构静、动态特性分析中应用的一种有效的 数值分析方法，随后很快就广泛应用于求解热传导、电磁场、流体力学等方面的 问题。 有限元法的一个基本思想是离散的概念，它是指假想把弹性连续体分割为数 目有限的单元，并认为相邻单元之间仅在节点处相连。根据物体的几何形状特征、 载荷特征、边界约束特征等，单元有各种类型。节点一般都在单元边界上。节点 的位移分量是作为结构的基本未知量。这样组成的有限单元集合体并引进等效节 点力及节点约束条件，由于节点数目有限，就成为具有有限自由度的有限元计算 模型，它替代了原来具有有限多自由度的连续体。 由上述可以看到，有限元法的实质是把具有无限多个自由度的弹性连续体理 想化为只有有限个自由度的单元集合体，使问题简化为适合于数值解法的结构型 问题。因此只要研究并确定有限大小的单元力学特性，就可根据结构分析的方法 求解，使问题得到简化。 有限元方法的基本解题思路为【”l ： 1 将某个连续结构拆分为若干个形状简单的单元，这些单元一般要d , n 可以用简 单的数学模型来描述特性参数在其中的分布，这一步骤称为离散。 2 通过对单元的研究来建立各特性参数之间的关系方程，这一过程称为单元分 析。在弹性力学中，单元分析的任务是：建立联系应变与节点位移分量的方程， 联系应力与节点位移分量的方程，同时研究单元的节点力与节点位移之间的关 系，以及把作用在单元中间的外载荷转化为节点载荷。 3 在单元分析的基础上，利用结构力的平衡条件和连续条件，将各个单元按原来 的结构重新联结成整体结构。对整体在确定边界条件下进行