卧式铣床主轴悬臂梁系统振动减振问题的模拟实验研究【5张CAD图纸+毕业论文】

卧式铣床主轴悬臂梁系统振动减振问题的模拟实验研究

38页18000字数 说明书+开题报告+任务书+文献综述+5张CAD图纸

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卧式铣床主轴悬臂梁系统振动减振问题的模拟实验研究

摘要

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。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。本文主要是针对卧式铣床的振动及减振问题的研究。首先，参照X62W型铣床，设计了一台用于减振试验的铣床模型机。其中，盛放不同规格钢球的减振槽相当于一个阻尼消振器，利用钢球之间及其与槽壁之间的碰撞摩擦，消耗铣床模型机的振动能量，以达到减振的目的。其次，利用正弦信号激励的方法测试寻找了模型机的各阶主要频率，并分析了其结构的固有特性。最后，利用正交表安排了五组钢球减振实验以及一组沙子减振实验。六组实验的数据对比及结果分析从一定程度上说明了利用钢球减振的可实施性。

关键词：振动减振，主轴悬臂梁系统，模拟实验研究，固有频率，钢球减振

The horizontal milling machine cantilever beam vibrates the antivibration system the experimental characteristic research。

ABSTRACT

The engine bed has the vibration when it works .Not only can affect the dynamic precision and the part precision of the engine bed, but also reduce the production efficiency and the cutting tool abrasive resistance. With the leap development of the science and technology .It has put forward a higher request to the manufacture precision and the surface quality of the machine part .The engine bed vibration has became a important issue to the development, production and implementation department. This article is focus on the research of the horizontal milling machine vibration and the antivibration question. On the one hand, I has designed a milling machine molding machine that can be used for antivibration experiment refer to the X62W milling machine. The machine has a antivibration trough, we can put different specification steel ball according to our needs, which serve as a damping shock absorb. Utilizing the collision among the steel balls and the collision between the balls and the trough wall, the vibrational energy of the milling molding machine can be seriously reduced, achieving the antivibration goal. Next, the method test which drove using the sine signal has sought the molding machine various steps primary frequency, and has analyzed its structure inherent characteristic. Finally, has arranged five group of steel ball antivibration experiments as well as a group of sand antivibration experiment using the orthogonal array. Six groups test the data contrast and the result analysis showed from certain degree antivibration may implement using the steel ball。

KEY WORDS：Antivibration, Cantilever beam system, inherent frequency, antivibration using the steel ball

目录

第1章  前言 1

第2章  机床振动问题的分析 3

   2．1  机床减振问题的提出3

   2．2  机床振动产生的原因及减振问题3

         2．2．1  机床振动产生的原因 4

         2．2．2  机床减振问题的讨论 5

   2．3  本课题的提出7

第3章  铣床模型机的设计 9 

   3．1  X62W型铣床的介绍  9

   3．2  模型机的设计 10

         3．2．1  模型机的总体结构设计10

         3．2．2  模型机的内部选型11

第4章  固有频率的测定13

   4．1  固有频率测定方法的介绍 13

         4．1．1  测定固有频率的意义13

4．1．2  仪器介绍13

   4．2  用正弦激励法测固有频率 16

   4．3  用脉冲激励法测固有频率 18

第5章  模型机的减振试验研究19

1  正交试验原理 19

　　　5．1．1  正交试验原理介绍 19

　　　5．1．2  正交表安排试验步骤 20

5．2  试验方案的选择及试验结果 21

　　　5．2．1  钢球减振试验 21

　　　5．2．2  沙子减振试验 29

　　　5．2．3  结论 31

第6章  机床动态性能的研究及趋势展望33

总结…………………36

参考文献37

致谢38

附图39

第1章 前言

    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。

本文对机床的振动危害及减振方法做了一定的讨论及研究。机床的减振方法从理论上来说，一般有四种途径：1、减少激振力P。2、增大系统的阻尼 。3、增大系统中的刚度K。4、提高系统的固有频率 或改变激振频率 ，以使两者远离。本文主要是对卧式铣床的振动减振系统的实验特性的研究，由于铣床的外部环境及本身构造在其的研究中可看做是不可改变的因素，所以可以实现的减振方法只有附加谐振系统在振动结构上用以抵消原振动，以达到减振的目的。故本文主要讨论的减振方法属于阻尼消振的一种，即安装减振器或类似结构以抵消卧式铣床悬臂梁本身的振动，以达到减振的目的。

本文的研究主要可以分为以下三个部分：

首先，参照X62W型铣床，设计了一台用于减振试验的铣床模型机。铣床模型机模拟了铣床的主要结构，包括底座、立柱、刀轴等，并根据需要添加了减振槽、挂架及相当于偏心轮的模拟铣刀等结构。盛放不同规格钢球的减振槽相当于一个阻尼消振器，利用钢球之间及其与槽壁之间的碰撞摩擦，消耗铣床模型机的振动能量，以达到减振的目的。

其次，是对模型机固有频率的测定。这是试验最基本和首要的一步，用以作为标准衡量之后减振试验效果的好坏。本文讲述了三种模型机的激振方法：1、稳态正弦激励法：稳态正弦激励又称简谐激振，它是通过激振设备对被测试对象施加频率可控的简谐激振力，常用的激振设备是频带宽、波形好的电磁激振系统，由扫描信号发生器，功率放大器和激振器组成。 2、脉冲激励法：脉冲激振是用一把装有力传感器的锤子（又叫脉冲锤）敲击试件，它对试件的作用力为近似正弦波，其有效频率范围决定于脉冲持续时间τ，锤头垫愈硬τ越小，则频率范围愈大。使用适当的锤头垫材料可以得到要求的频带宽度，改变锤头配重块的质量和敲击加速度可调节激振力的大小。3、施加偏心激振力法：在模型机设计中，在模拟铣刀上设计了一通孔，使模拟刀具相当于一偏心轮，在高速旋转的状态下，即对系统产生一离心激振力，对调频电动机转速进行调节可改变激振力的大小。在本次试验中，主要是利用正弦激励法测定了模型机的固有频率，由于时间和条件限制，脉冲法只做了一组用于对比，最后一种方法仅作为设想来介绍。

最后，减振试验由于是多因素，多水平试验，要得到全面准确的试验结果，工作量十分大。故采用了科学的正交试验方案，既减少了试验次数，又可得出全面的结论。正交设计（Orthogoual design）简称正交设计（Orthogoual）,它是利用规格化的正交表（Orthogoual table），科学的安排与分析多因素试验的方法，使目前最常用的方法之一。正交表是指利用“均衡搭配”与“整齐可比”这两条基本原理，从大量的全面实验方案中，挑选出少量具有代表性的实验点，所制成的排列整齐的规格化表格。

在本次的实验中，安排了五组钢球减振实验以及一组沙子的减振实验。其中，钢球减振的前四组分别是根据钢球排列层数（包括两层及三层）、重量及规格设计的正交试验方案，第五组是一组为更好得到钢球大小和槽数对实验结果影响的对比而做的全面试验。另外，为对比钢球及其他材料的减振效果，还做了一组根据沙子重量设计的正交试验。六组实验的数据对比及结果分析从一定程度上说明了利用钢球减振的可能性。

在对振动问题的研究分析之外，本文也对现今国内外机床动态性能的研究作了一定的介绍，并指出了未来的研究趋势。

    在本文的撰写过程中，参考了大量有关机床振动、动力学及冲击测试、试验模态分析等的有关书籍，并且得到了指导老师及同学的帮助。但由于时间及条件限制，可能存在一些不足之处，希望评阅老师指出并原谅。

第2章  机床振动问题的分析

2．1   机床减振问题的提出

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。

当开动机床进行加工时，由于机床各运动部分彼此发生一定规律的相对运动，因而其摩擦表面上必然有摩擦力作用着。机床迴转部分不平衡等因素必将使迴转系统受到离心力的作用。切削过程中刀具切入工件去除金属层，将会使整个机床系统受到切削力作用。这些作用力并非保持常值，有的是周期性变化的，有的可能同系统某些元件的刚度轴线有一定的方位关系等。这些力在某些条件下会起一定的激振作用，从而使整个机床系统或其零部件发生各种类型的振动。机床振动一般分为三大类：1、自由振动

国外，机床结构的动力学修改和动态优化设计等方面的研究发展很快，普遍采用有限元法对机床部件及整机进行动态特性分析，并已用于高速机床的开发和研究中。

西班牙M.Zatarain用有限元对立柱移动式铣床进行模态分析。采用Nastrain和T-deas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，可以通过几种方案的比较，选择其中较合理的结构。

韩国科学技术高级学院Jung Dong Suth和Dai Hill Lee用有限元法分析高速机床的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，得到一种新型的夹层复合结构，不仅减轻质量，还提高了它的阻尼系数。

德国Stattgart大学和Auchen大学研制的两种不同结构和原理的并联运动机床Dym-M型卧式加工中心和Linapod -Ⅲ型立式加工中心，其主轴速度分别达到16.000 和24.000 。为了提高机床的动态性能和优化机床的结构，建立了两台加工中心的整机的有限元模型。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30 以上。

美国国家标准技术学院T.L.Schmitz用试验和解析相结合的方法建立高速机床的刀具——刀夹——主轴系统的模型，能很好地预测系统的动态响应，最终得到稳定性图。

综上所述：                                                                       

   （1）要准确的预测机床的动态性能，就必须对整机进行动力学分析。                     

   （2）用有限元方法是研究机床动态性能的有效手段。因此用有限元法研究机床整机的动态性能是开发和设计机床的趋势。                                                    

目前， 由于对机械系统动态性能研究的理论分析方法和试验方法均有一定的局限性，故可将两种方法结合起来，相互取长补短，形成理论和试验相结合的分析计算法，是当前机床动态性能分析与研究中较为经济有效的途径。利用试验模态分析结果校验，补充和修正原始有限元动力学模型。利用修正后的有限元模型计算结构的动力特性，再进行优化设计。用这种方法可以在机床方案及图样设计阶段通过建模，仿真，分析，修改，优化，就能准确预测其动态性能。

总结

在本次三个半月的毕业设计中，首先，我查阅了大量振动减振问题的有关书籍和资料，对振动问题有了一定的了解，并对设计研究过程中涉及到的仪器及研究方法有了一些认识。然后，设计了作为试验研究载体的卧式铣床悬臂梁模型机。最后，也是本次毕业设计中最重要的一部分，模型机的钢球减振试验，通过试验过程中采集到的大量数据，充分的说明了利用钢球减振的可能性。

由于本人知识水平有限，故论文中存在种种不足之处，希望评阅老师指出并原谅。

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