JX04-106@卧式铣床主轴悬臂梁系统振动减振问题的模拟实验研究
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机械毕业设计全套
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JX04-106@卧式铣床主轴悬臂梁系统振动减振问题的模拟实验研究,机械毕业设计全套
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毕业设 计（ 论 文） 文献综述 题 目 卧式铣床主轴悬臂梁系统振动 减振问题的模拟实验研究 专 业 机械设计制造及自动化 班 级 机制 023 学 生 周 璐 指导教师 严 翔 年 nts 文献综述 机床工作时产生振动，不仅会影响机床的动态精度和被加工零件的质量 ，而且还要降低生产效率和刀具的耐用度。振动剧烈时甚至会降低机床的使用性能，不仅如此，伴随振动所产生的噪声可能刺激操作工人，引起疲倦，导致工作效率下降。故振动问题必须引起我们足够的重视。 随着科学技术的飞跃发展，对机器零件的制造精度和表面质量提出了更高的要求，从而机床振动问题的研究成为研制、生产和使用机床部门必须面对的重大课题。研究机床振动的目的，在于探究机床振动发生的原因，谋求防止和消除机床振动的方法，以及研制抗振性更佳的机床。 目前，对机床减振研究主要分以下几个方面： （ 1） 从传统的机械动力学理论出发，设计具有不 同特点的减振装置。 （ 2） 在机械设计阶段提高机床的振动性能，主要是采用现在比较流行且有效的机械优化设计的理念，通过利用计算机仿真技术，虚拟地验证机械系统的振动特性，为进一步的设计和修改提供参考依据，从而设计出振动性能良好的机床。 （ 3） 对机床基础件材料的研究，当代新型工程材料不断涌现，为找到能提高机床动 、 静态性能的新型材料提供和可能。 本次毕业设计的题目是：卧式铣床悬臂梁振动减振系统的试验特性研究，由于时间条件及知识水平的限制，从机床设计阶段和机床基础材料的方面进行深入的减振研究很困难，故本次设计仅仅停留在对钢球减振的 分析上。故查阅了以下书籍： 一 、 机床振动的讨论 1 郑伟中，机床的振动及其防治，北京：科学出版社， 1981。 1，防止和消除机床振动的方向： 从机床振幅出发，要防止和消除机床振动，必需做到： （ 1） 减少激振力 （ 2） 增大系统中的阻尼 nts（ 3） 增大系统的刚度 （ 4） 提高系统的固有频率或改变激振频率，以使两者远离。 一般来说，增强“机床 刀具 工件”工艺弹性系统的刚度，是提高工艺系统抗振性从而防止振动的最普遍方法，它在任何时候与情况下，可用来防止受迫振动和自激振动，并能消除破坏工作过程中个别 冲击的影响。 2，提高机床其抗振性的途径： （ 1）增大系统的阻尼： 在机械系统中，阻尼力虽小，但对系统运动特性影响很大。阻尼是 决定机床发生受迫振动或颤振时振幅大小的决定因素之一。阻尼对系统动态稳定性极限位置也有决定性的影响。阻尼性能通常由机械系统中振动能量的耗散来表征，后者则与外界介质，系统结构也点以及零件材料中的内摩擦有关。振动能量或从机械系统出发，或在系统本身内部耗散。通常把同外界介质，系统结构有关的能量耗散称为外部耗散，而与内摩擦有关的能量耗散被称为内部耗散或迟滞耗散。 机械系统中，内部和外部耗散的振动能量是不同，且可在很大范围 内变化。通常外部耗散比内部耗散大得多。 在机床主轴系统中，采用阻尼装置可以增强其阻尼性能，从而大大 地提高机床的抗振性，卧式铣床横梁内部装上动力吸振器后，就可以消 除铣削时所发生的频率接近横梁固有振动频率的振动。这种吸振装置也 可以采用简化办法装在横梁外部。 （ 2） 调整系统的固有频率： 通过调整机床系统的固有频率，使其远离激振频率，对提高系统的 抗振性是比较有利的。例如，在卧式铣床的横梁上，装一格 75kg 的重 物，改变重物的位 置及变动系统的频率，与重物移到某一个位置时，振 动便显著地减弱，甚至完全消失。 二 、 机床的动态性能及减振装置 1 杨潇，唐恒龄，廖伯瑜，机床动力学（）（），北京：机械工业出版社， 1983。 nts1、机床的动态性能主要是指它抵抗振动的能力，包括抗振性和稳定性 在机床切削加工时，刀具与工件之间的相对变位直接影响机床的加工质量和切削效率，而刀具与工件的相对变位有受作用在机床上的各种力及机床 工件 刀具弹性系统的力学影响。为提高机械的加工性能，除了减少作用在机床上的各种力外，还应提高机床的静刚度和它的动态性能。 2、 动力分析和动态设计 对机床各个零件，部件直至整机的各动力系统，推导出表达其动力特性的数学模型，对数学模型进行分析研究，预测出系统的动态性能。 3、 机械阻抗的概念 任何线性动力学系统在不确定的激振（输入）作用下，就有确定的动力响应（输出）。说明激振量，动力响应和系统的振动特性三者之间有确定的函数关系。所以，可用动力响应和激振量之间的关系 即机械阻抗来确定和描述系统的振动特性。机械阻抗可表示为线性动力学系统在各种激振的情况下，频域内响应量与激振量之比。对于确定的线性动力学系统受激振后的响应，一方面决定于激振的性 质，一方面决定于系统本身，当激振一定时，响应仅仅决定于系统本身。所以，要分析和确定系统的振动特性，只需求出它的机械阻抗，间接地研究机械阻抗就行。 机械阻抗的测试过程： （ 1） 在选定坐标系和所需频域内，对被测试的结构施加一定类型和量级的激振力。 （ 2） 测量激振力和所需坐标的振动响应，或测量输入，输出的互谱及自谱密度函数。 （ 3） 对测得的激振力和响应信号，或互谱及自谱密度函数进行分析处理，求出各激振频率的机械阻抗数据。 （ 4） 将测得的机械阻抗数据，根据需要以及各种图形（如频幅，相频或幅频特性图）或数据的形式进行记录。 4、减振装置分为 四大类： nts（ 1） 利用减振装置的阻抗，消耗振动能量的阻尼减震器。 （ 2） 利用装置中辅助质量的动力作用，消耗掉振动能量的动力减振器。 （ 3） 利用装置中相对运动件的摩擦力，消耗掉振动能量的摩擦减振器。 （ 4） 利用装置中由质量反复冲击振动体，消耗掉振动能量的冲击振动器。 5、隔振原理： 隔振就是在振源于需要防振的机床或其部件之间，安放具有弹性性能的隔振装置，使振源所产生的大部分激振力或激振位移被隔振装置吸收，以减少振源对设备的干扰。 三、固有频率的测定试验 1 杨景义，王信义，试验模态分析 ，北京：北京理工大学出版社， 1990。 测试设备由三部分组成： 1、激振设备：电动式激振器： 由弹簧壳体磁钢顶杆磁极板铁芯和驱动线圈等元件组成。驱动线圈和顶杆相固连，并由弹簧支撑在壳体上，使驱动线圈正好位于磁极所形成的高磁通密度的气隙中。当驱动线圈有交变电流通过时，线圈受电动力的作用，力通过顶杆传给试件，即为所需的激振力。 2测量设备：压电式力传感器：压电式力传感器具有频率范围宽，体积小和动态范围大等优点，在频响函数测量中被广泛应用。工作时将它安装在被测物体受力点上，激振力通过它的晶体压电元件传递到 物体上。压电元件受压力时则产生电荷，且电荷与所受压力成正比。一般都在压电片上通过预压弹簧施加以预压力。因此，它可以测拉、压两个方向的力。其辐值电荷灵敏度定义为输出电荷辐值 Q 与所受力辐值 F之比。 加速度传感器：在进行模态分析试验的响应测量时，目前用的最多的还是压电加速度计。它具有重量轻，体积小，频响宽，灵敏度高的特点。nts某些晶体（如天然石英晶体或人工极化陶瓷等）在承受一定方向的外力产生变形时，其晶面或极化面上会产生电荷。即所谓的正压电效应。压电加速度计正是利用这种正压电效应制成的机电换能器。当它承受机械振动时，在它的输出端能产生与所承受的加速度成比例的电压或电荷量。目前常用的有压缩型和剪切型压电加速度计。 电荷放大器：与压电式传感器最典型的配置线路是电荷放大器的输入与传感器的输出相连。电荷放大器基本上是一个具有反馈电容 cf的高增益运算放大器 阻抗传感器：为测量原点导纳，目前常采用压电晶体机械阻抗传感器，或称阻抗头，它把力传感器和加速度传感器做成一体，可测出同一点的激振力和响应。这种结构应确保上端的加速度计有尽可能高的基座刚度及力端压电元件下面的质量应尽量小。 3、分析设备： HP3562A 分析仪： HP（ Hewlett-Packard） 3562A动态信号分析仪是一种双通道系统、频谱、波形分析仪。有时域和频域两方面的分析能力，它具有 100KHz的频宽， 150dB 的测量范围和 80dB 的动态分析范围，因此，在机械、机电一体化控制系统中有着强大的分析解决问题的能力。 HP3562A动态信号分析仪对双通道 FFT分析仪的精密度和多功能性提出了一个新的标准。充分完整的测量和分析能力结合突出的特性使 HP3562A在测量、分析、设计电子机械和机械系统方面成为一个无价的工具。 HP3562A的基本操作是通过逻辑上面板按键群和面板显示器右边一组 八个“软键”按键来执行的。面板上的按键是通过功能分类的而且可以执行三分之一的操作：能够直接操作例如开始测量、输入数据或是显示一个“软键”按键菜单。“软键”按键也可以执行三分之一的功能：选择“ 1 of N”功能例如测量模式，定义一个数据入口参数例如频率间隔和终止适当单位入口，如“ kHz”或是“ mHz”。 4、记录设备 2 胡时岳，朱继梅，机械振动与冲击测试技术，北京：科学出版社， 1983。 振动测量方法按振动信号转换方式分： nts电测法：原理：将被测试件的振动量转换为电量，然后用电量测试仪器进行测量。 优 缺点：灵敏度高，频率范围及动态，线性范围宽，便于分析遥 测。但易受电磁场干扰，是常用的测量方法。 机械法：原理：利用杠杆原理将振动量放大后直接记录下来。 优缺点：抗干扰能力强，频率范围和动态，线性范围窄。测试时 会给工件上加上一定的负荷，影响测试结果。主要用于大振幅振 动及扭振的测量。 光学法：原理：利用光杠杆原理，读数显微镜，光波干涉原理，激光多普 勒效应等进行测量。 优缺点：不受电磁场干扰，测量精度高，适于对质量小及不易安 装传感器的试件作非接触测量，在精密测量和传感器、测振仪标定中用的比较多。 四、 正交试验原理 1 陈魁，试验设计与分析，北京：清华大学出版社， 1996。 对多因素问题进行试验时，若对各因素不同的组合水平进行全面试验，工作量的一般是很大的。例如四因素 3水平做 34=81次试验，六因素 5水平要做 56=15625次试验。因此要减少试验次数，又要得出全面的结论，这就需要用科学 的方法进行合理的安排，即对试验方案进行设计。 用正交表进行试验设计是目前应用较广的一种方法。因为正交表具有搭配均衡的特点 .对正交表各列不同水平，从行的角度看去是一个“完全”的 搭配，即做到了第 I列的每一个水 平都与第 j列 (i-Aj)的各个水平至少搭配一 次且每两个水平搭配次数一样，均衡公平。因此将试验中各因素对应于正交表的 列，则正交表的行便是因素各水平氖组合中搭配均衡的一部分，可以看成是所有 组合水平中均衡抽样的样本。若按行所对应的各个组合水平进行试验，便能减少试验次数，达到因素之间的均衡，同时提供比较丰富的试验信息，得到较好的组 合水平。 nts在试验中，正交表记号 Ln（ tm ）的含义如下： 正交表基本上可分为两种形式，同水平正交表 和混合水平正交表。同水平正交表是指各个因素的水平数相等的表格，当人们认为各个因素对结果的影响程度大致相同时，往往选用同水平正交表。混合水平正交表，是指诸因素的水平数不完全相等的正交表。当实验设计时，如感到某些因素更重要而希望对其仔细考察时，就可将其取多一些水平，这样既突出了重点，又照顾了一般。 正交表有下面两条重要性质： （ 1） 每列中不同数字出现的次数是相等的。 （ 2） 在任意两列中，将同一行的两个数字看成有序对时，每种数对出现的次数是相等的。 这两个性质合成为“正交性”，使实验点在实验范围内排列整齐，规律，也使实验点在 试验的范围内散布均匀，既“整齐可比，均匀分散”。 因此，在进行本次的减振试验中，由于对钢球及其他减振材料作多因素不同水平的全面试验，试验次数繁多，故采用科学的正交试验方法安排实验步骤。 利用正交表安排试验并分析试验结果的步骤： （ 1） 明确试验目的，确定要考核的试验指标。 （ 2） 根据试验目的，确定要考察的因素和各因素的水平。要通过对实际问题的具体分析选出主要因素，略去次要因素。这样可以使因素个数少些。如果对问题不太了解，因素个数可适当地多取一些。经过对试验结果的初步分析，再选出主要因素，因素被确定后，随之确Ln （ tm） 正 交 表 最多可安排的因素个数（表中列数） 因 素 水 平 数（ 表 中 字 码 数 ） 试验数（表中行数） L n ( t m) nts定各因素 的水平数。 （ 3） 选用合适的正交表，安排试验计划。首先根据各因素的水平选择相应的正交表，同水平的正交表有好几个，究竟选哪一个要看因素的个数。一般只要正交表中因素的个数比试验要考察的因素的个数稍大或相等就行了。 （ 4） 据安排的计划进行试验，测定各试验指标。 （ 5） 试验结果进行分析，得出合理的结论。 五 、 应用钢珠式减振器提高卧式铣床动态特性的试验研究 1张俭，应用钢珠式减振器提高卧式铣床动态特性的试验研究，陕西机械学院， 1987。 该论文，首先，对卧式铣床进行了整体的模态分析，确定了震荡环节和敏感方向，选定了减振器的最佳安放 位置。其次，应用广义巨阵法建立了“减振器 铣床”综合系统的动态特性表达式，并依此进行了减振器对铣床抗振性和稳定性的影响分析。再次，在卧式铣床上进行激振试验，揭示了钢珠减振器工作原理的本质、内在联系及工作规律，设计出用于XA6132A的减振器。最后，进行了极限切削宽度的对比实验，其结果表明，XA613
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