TH6213数控镗铣加工中心关键零部件模态分析硕士论文.doc

硕士学位论文 论文题目TH6213 数控镗铣加工中心关键 零部件模态分析 研究生姓名 指导教师姓名 专业名称 研究方向 论文提交日期 TH6213 数控镗铣加工中心关键零部件模态分析中文摘要 I TH6213 数控镗铣加工中心关键零部件模态分析 中文摘要 随着工业领域技术需求不断增长 镗铣加工中心正向着高速 高精度 高柔性 化和模块化方向发展 一个性能良好的机床 需具备良好的加工精度 加工效率 稳定性以及可靠性等 研究表明机床关键零部件的动态特性直接影响着加工中心性 能的好坏 以往机床动态特性的研究仅凭经验进行 随着电子技术的发展 以有限 元方法和模态分析理论为支撑的现代设计方法 已经成为现代机床设计发展的必然 趋势 本文首先综述了课题的背景 意义以及国内外的研究现状 并指出了用有限元 和试验模态相结合的方法设计和改进机床的新思路和重要意义 以及有限元分析和 模态分析的基本理论知识 为后续的研究工作奠定了理论基础 其次 以 TH6213 数控镗铣加工中心为研究对象 从理论研究方面着手 采用 有限元分析软件 ANSYS Workbench 对数控镗铣加工中心的关键零部件立柱与主轴 箱进行了有限元模态分析 得到立柱前六阶固有频率和振型 发现立柱的一阶固有 频率 21 393 Hz 二阶固有频率 32 586Hz 三阶固有频率 58 332Hz 均在工作频率范 围内 会有共振的危险 主轴箱前八阶固有频率和振型 其中一阶固有频率为 74 925Hz 远远高于工作频率 没有共振的危险 然后 理论联系实际 运用北京东方振动和噪声技术研究所研制的 DASP 模态 测试系统对立柱与主轴箱进行模态参数试验 采用变时基脉冲激励 单点激振多点 拾振的方法进行数据采样 得出固有频率 振型 阻尼等模态参数 试验分析得到 立柱的一阶固有频率 21 876 Hz 二阶固有频率 32 650Hz 三阶固有频率 50 061 主 轴箱一阶固有频率 78 312Hz 最后 通过试验频率值与理论频率值的比较 发现误差在可控范围内 并且各 阶模态振型基本一致 说明理论与试验分析结果均是真实可信的 针对立柱前三阶 固有频率偏高的问题 找到模态薄弱环节 并且提出优化改进的方法 在现有理论 分析和试验测试的基础上 提出了今后研究的目标和方向 关键词 关键词 镗铣加工中心 立柱 主轴箱 有限元模态分析 模态试验 作作 者者 王 旭 中文摘要TH6213 数控镗铣加工中心关键零部件模态分析 II 指导老师指导老师 王传洋 The key components of TH6213 CNC boring and milling center machine s modal analysisAbstract III The key components of TH6213 CNC boring and milling center machine s modal analysis Abstract With growing technology demand in the field of industry the Boring and milling center machine is developing in high speed high precision high flexibility and modularity The dynamic characteristics of key parts of machine affect the precision efficiency stability and reliability in processing of center machine The dynamic characteristics of machine have become the important indicators of the structure performance of machine Previous research about dynamic characteristics of machines only depended on experience with the development of electronic technology modern design method of the finite element method and modal analysis theory has become the inevitable trend in the development of modern machine designing At first this paper has summarized the background of topics significance and research status at home and abroad pointed out that using the method of the finite element method combining the experimental modal designing is a new idea and has significance to improve machine as well as summarized the basic theory knowledge of the finite element analysis and modal analysis All that has laid a theoretical foundation for the subsequent research work Then we have taken TH6213 CNC boring and milling center machine as the research object at the theoretical research aspects we have used the finite element analysis soft ware ANSYS Workbench to do element modal analysis of the columns and spindle box of boring and milling center machine We have gotten the previous six natural frequency and vibration mode of the column We have founded that the first order natural frequency was 21 393 Hz the second order natural frequency was 32 586 Hz the third order natural frequency was 58 332 Hz they were all on the range of working frequency There would be risks of resonance We also have gotten the first eight order natural frequency and vibration mode of the spindle box The first order natural frequency was 74 925 Hz and far higher than that of the working frequency there was no risk of resonance AbstractThe key components of TH6213 CNC boring and milling center machine s modal analysis IV Then taking theory into practice we have used DASP modal testing system developed by Beijing vibration and noise technology institute to do test modal parameters of spindle box After doing pulse excitation with variable time sampling data with single point excitation but multi point vibration picking we have gotten the results of column the first order natural frequency was 21 876 Hz the second order natural frequency was 32 650 Hz the third order natural frequency was 50 061Hz the first order natural frequency of spindle box was 78 312 Hz Finally through the comparison of test frequency values and theoretical values we have found that their error was within 15 and each modal vibration mode were same So the instructions of theory and test analysis were believable According to the problems of the first three higher order natural frequency of the column we have gotten the modal weak links and proposed the method to optimize and improve On the basis of the existing theoretical analysis and experimental test we have putted forward the goal and direction of researching in the future Keywords boring and milling center machine column spindle box finite element modal analysis modal experiment Written by Wangxu Supervised by Wang chuanyang 目 录 第一章 绪 论 1 1 1 引言 1 1 2 课题研究的背景 来源及方法 1 1 2 1 课题研究的背景 1 1 2 2 课题的来源 3 1 2 3 数控机床动态特性研究方法 4 1 3 国内外研究概况 6 1 3 1 理论研究状况 6 1 3 2 试验研究状况 8 1 3 3 综合方法研究的状况 10 1 4 本文研究的内容 意义及工作流程图 11 1 4 1 研究的内容 11 1 4 2 研究的意义 12 1 4 3 课题工作流程图 13 1 5 本章小结 14 第二章 有限元模态分析的基本理论 15 2 1 有限元分析的基本理论 15 2 1 1 有限元分析法概述 15 2 1 2 有限元分析的一般过程 15 2 2 辅助工程技术现状与发展趋势 18 2 2 1 CAE 现状 19 2 2 2 CAE 发展趋势 20 2 3 有限元分析软件 ANSYS WORKBENCH介绍 21 2 3 1 ANSYS 软件简介 21 2 3 2 ANSYS Workbench 介绍 22 2 4 模态分析基本理论 22 2 4 1 概述 22 2 4 2 模态参数与模态方程 23 2 5 本章小结 26 第三章 基于 ANSYS WORKBENCH 的 TH6213 立柱与主轴箱理论模态分析 27 3 1 ANSYS WORKBENCH模态分析过程 27 3 2 子空间迭代理论 28 3 3 立柱模态分析过程 31 3 3 1 立柱三维模型的建立 31 3 3 2 立柱三维模型的简化 32 3 3 3 立柱有限元模型的建立 35 3 3 4 施加约束边界 37 3 3 5 分析结果 37 3 4 主轴箱模态分析过程 42 3 4 1 主轴箱三维模型的建立 42 3 4 2 主轴箱三维模型的简化 43 3 4 3 网格划分 45 3 4 4 施加约束边界 45 3 4 5 主轴箱模态分析结果 46 3 5 本章小结 50 第四章 TH6213 立柱与主轴箱试验模态分析 51 4 1 概述 51 4 2 模态方程与频响函数 51 4 3 试验模态系统 53 4 3 1 试验对象 53 4 3 2 激励系统 54 4 3 3 数据采集与分析系统 56 4 4 立柱模态试验 58 4 4 1 边界条件的选择 58 4 4 2 试验测点的布置 59 4 4 3 测试方法 60 4 4 4 试验过程 60 4 5 主轴箱模态试验 74 4 5 1 边界条件的选择 74 4 5 2 实验测点的布置 74 4 5 3 测试方法 75 4 5 4 试验过程 75 4 6 有限元理论与试验模态参数的对比 86 4 7 本章小结 87 第五章 总结与展望 88 5 1 全文总结 88 5 2 研究展望 89 参考文献 91 攻读学位期间本人出版或公开发表的论著 论文 96 致 谢 97 TH6213 数控镗铣加工中心关键零部件模态分析第一章 1 第一章 绪 论 1 1 引言 机床是机械制造业中用于加工各种产品和零件的先进的生产工具 机床工业是 机械工业的重要组成部分 企业对市场的应变能力 生产效率以及机械产品的质量 更新速度在相当程度上取决于机床 数控机床行业是装备制造业的基础产业 数控即数字控制 Numerical Control 简称 NC 是数字程序控制的简称 它是通过特定处理方式的数字信息去自动控 制机械装置的工作 数控机床行业不仅是先进制造技术的载体 是发展新兴高新技 术产业和尖端工业 如信息技术及其产业 航空 航天等国防工业产业 的关键 同时还关系到国民经济发展和国家的战略物资问题 很多国家正采取重大措施来发 展自己的数控技术及其产业 数控镗铣加工中心是主要用作镗铣的一种数控机床 大型数控镗铣加工中心广泛应用于各种发电设备 航空航天 冶金 造船 铁路车 辆等特种重型加工中 这些产品基本都是我国国防军工 重点建设项目急需的关键 核心部分 国家正在大力进行该类机床产品开发和技术研究的工作 随着科学技术的发展 先进刀具的大量出现和使用以及工艺水平的不断提高 机床的加工性能需向高精度 高效率和高光洁度等方向发展 事实表明 机床的这 些加工性能与它的结构动态特性紧密关联 1 如果把机床的动态特性进行一定的改 善 完全可以使它的加工精度 效率 抗振性能 使用寿命以及可靠性得到一定的 提高 并且机械噪声也会有所降低 这样为了满足机床越来越高的加工性能的要求 机床就必须具备相应良好的结构动态特性 如今人们认识和解决问题能力不断提高 机床制造行业中新产品研制人员越来越重视机床结构动态特性的分析和研究这一重 要环节 尤其是机床的模态分析 2 3 1 2 课题研究的背景 来源及方法 1 2 1 课题研究的背景 1952 年 因飞机生产的需要 美国研制出了世界上第一台数控机床 并立即生 第一章TH6213 数控镗铣加工中心关键零部件模态分析 2 产了 100 台 1958 年 我国研制出了首台数控机床 自此 我国先后三次在全国掀 起数控机床的研制 生产 攻关高潮 但由于缺乏技术基础 各种机 电 液 气 等配套基础元部件 数控系统不过关 设计出的机床整体实力差 导致机床工作不 可靠 故障频繁 而日本在此阶段 规划周密 科学行事 步子扎实 在发展生产 高效 自动化的机床 自动线的基础上 保证主机过硬的设计本领 可靠的配套元 部件 数控系统 1979 年 日本数控系统年生产量达 14 235 套 数控机床年产量达 14 317 台 超过了美国的当年产量 7 925 台 年产量居世界第一 4 1980 年起 我国先后引进了日 德 美 西班牙的数控系统 各种数控机床 各类机 电 液 气基础元部件等进行合作生产 我们学习国外先进生产技术 采 用国外先进产品配置 使用国外关键零部件 针对数控机床的核心部件 基础配件 以及数控系统进行生产 这样改变了以往产品的质量不可靠的问题 至此我国开始 大批量生产数控机床并将它正式用在加工制造方面 1980 至 2000 年这 20 年间 我 国的数控机床在产量上 品种上和技术上提高较快 取得了很大的成就 1980 年 我国的数控机床年产量达 692 台 1999 年产量达九千多台 2000 年超过了万台 品 种上 各类激光加工机床 数控全切机床 成形机床等均能生产也比较齐全 设计 制造技术上也有了很大提高 大量国产数控机床 已在广大用户生产现场使用 取 得了用户的好评 但还是由于主机设计本领不过硬 很多机床 特别是先进的高性 能机床还需要与国外合作 5 随着大批量生产自动化的实现 多品种柔性化生产正在蓬勃发展 以适应社会 产品多样化的需求 数控机床顺应了这一需求 综合应用了计算机 微电子 自动 控制 精密测量和机床结构等方面的最新成就 对复杂件 难切削件的加工起到攻 坚作用 随着微型电子计算机技术的发展 今后数控机床在数量 品种上将不断增 多并且数控机床的发展与 CAD CAM CAE 互相促进 相辅相成 CAD 的发展 可以加速数控机床的设计 CAM 的发展 可加速数控机床在实际生产中的应用 CAE 的发展 使数控机床在整个机器制造业中应用更加广泛 6 未来数控机床的发展之路为高速度 高性能 高精度 高柔性化和模块化 1 高速度 数控机床各轴运行的速度将大大加快 2 高性能 随着数控系统集成度的增强 数控机床也实现多台集中控制 甚 至远程控制 TH6213 数控镗铣加工中心关键零部件模态分析第一章 3 3 高精度 数控机床以及加工件的精度会越来越高 且精度的保持性会更好 4 高柔度 数控机床柔性化的发展方向为更高的自动化 将物流 管理以及 各种相应的辅机集成为柔性化制造系统 5 模块化 数控机床将向模块化的方向发展 这样既缩短了制造的周期 降 低了成本 而且有利于制造商和客户 7 1 2 2 课题的来源 本论文课题研究的对象是苏州江源精密机械有限公司正在生产研制的 TH6213 数控镗铣加工中心 如图 1 1 所示 它是江源精密机械有限公司与意大利合作共同 研发的一款机床 该机床已被列为江苏省工业支撑项目 BE2011076 该数控镗铣加工中心最适于加工较大型复杂零件 可加工零件上各种面 各种 复杂孔系 各种台阶 各种复杂图形或三维曲面等 连续完成铣 钻 镗 铰 攻丝 等多种工序加工 加工零件的过程具有高精 高效 高稳定性的特点 可广泛适用 于汽车 航空航天 船舶制造 军工 能源 电力设备 矿山机械 锻压设备和模 具等行业中 TH6213 立柱采用框架封闭式结构 空腔内设置有较多的纵向和横向筋 提高了立柱的抗扭刚度 先进的方形主轴箱头部设计 大大提高了其强度与刚度 箱体采用铸铁材料 具有机械与热对称结构 采用四导轨接触 安装在具有热对称 结构的立柱中央位置 导轨选用德国进口的机床专用大尺寸重载滚柱直线滚动导轨 TH6213 数控镗铣加工中心的主要技术参数如下表 1 1 所示 表表 1 1 TH6213 数控镗铣加工中心的主要技术参数数控镗铣加工中心的主要技术参数 Table 1 1 the main technical parameters of TH6213 CNC boring and milling center machine 项目 单位 TH6213 主轴箱行程 Y 轴行程 mm 2000 立柱行程 Z 轴行程 mm 1600 镗杆直径 mm 130 主轴最大速度 rpm 4000 主轴锥孔 ISO BT50 最大功率 kw 37 最大扭矩 Nm 1580 第一章TH6213 数控镗铣加工中心关键零部件模态分析 4 图图 1 1 TH6213 数镗铣加工中心实物图数镗铣加工中心实物图 FIG 1 1 The physical diagram of TH6213 CNC boring and milling center machine 1 2 3 数控机床动态特性研究方法 长期以来 机床结构的设计基本是根据经验进行的 对它的动态特性方面只作 粗略的原则性的考虑 如果要获得具备较高动态特性的结构 往往需经过多次试制 改进设计等漫长的研究过程 造成这样复杂结果的原因有 1 机床结构复杂 组成的零部件较多 2 动态条件较为多变 机床工作时出现的某些振动机理与各部分的结构定量关 系尚不清楚 3 目前结构的动态特性分析方面的理论与方法不很完善 而且动态特性分析的 计算量是很大的 如果不依靠先进的计算工具是没法进行的 随着计算机的普及 机床结构与振动方面理论的迅速发展 先进的机床动态分 析和试验技术的相继出现以及机床自振理论知识的逐步深入与统一 目前的技术已 能够解决机床工作时因为动态力的原因而发生的各种复杂问题 一般可在设计阶段 就对机床结构动态特性做出理论分析 然后再进行机床结构动态方面的设计 用较 为经济且合理的手段去获得具有预想动态特性指标的机床结构 让机床能发挥出它 应有的加工性能与精度 研究机床动态特性的方法主要有 TH6213 数控镗铣加工中心关键零部件模态分析第一章 5 1 理论分析法 理论分析法就是以结构动力学的基本理论为基础 依据机床的设计要求进行理 论建模和分析 并最终得到机床理论动态特性的方法 通过理论建模和分析的方法 能够检查机床的动态特性能否满足设计和工作的要求 为机床的结构改进提供一定 的理论依据 此方法可经济 快速地达到优化设计的目标 它最明显的优势是能够 在机床设计的过程中发现其动态性能存在的问题 及时提出解决的方案 但这种方 法也有不足之处 就是在设计中对机床结构进行建模和分析时难免会产生误差 这 些误差又不可避免的导致分析结果的偏差 进而影响到分析和模拟的准确性 造成 这些误差的原因比较多且较复杂 如边界条件的近似 界面连接条件 阻尼参数的 确定等 这些都会导致误差 影响分析计算的精度和准确性 2 试验测试法 试验测试法即是借助试验测试的手段对机床系统进行试验 提取系统的输入输 出相关数据 在得到的数据的基础上建立起反应系统真实状态的模型 并对模型进 行计算和分析 8 这种方法是以已经制造出来的机床设备为研究对象 先对现有的 机床设备做全面的了解和测试 得到诸如结合面参数 阻尼参数 边界条件参数等 然后对机床系统进行建模 这样可降低在建模的时候产生的因参数不准确而导致的 误差 试验法还可以使建立的模型与实际的机床系统具有十分相近的各项性能 从 而有效的避免了因建模误差导致的分析计算的不准确 这些是试验建模方法的优点 但它也有缺点 比如我们在建模之前 不得不对相应的机床设备作相关的测试实验 这样就必须提供相关试验设备 试验方法 分析处理数据的手段 不可避免的造成 较高的投入 此外 在测试的过程中难免受到诸如信号处理设备的误差 检测设备 的误差 随机噪声等因素的影响 导致参数识别的精度有所降低 进而影响建模的 准确性 3 理论试验相结合的方法 该方法是以试验数据为基础 修正机床的动力模型 并利用这个动力模型进行 整机动态性能分析与优化 这种建模方法能够充分发挥有限元方法和动态分析方法 各自的优势 最终获得能够准确反映系统真实动态特性的模型 9 此方法关键的地 方是运用试验手段获得的比较精确的系统数据来改进理论建模后的系统模型 让改 进后的数学模型可以真实的反映系统的动态特性 然后对这样较真实的较准确的模 第一章TH6213 数控镗铣加工中心关键零部件模态分析 6 型进行分析和计算 得到较为准确的系统的动力学特性数据 进而更好的改进及优 化结构 目前 国内外对机床进行模态分析多采用第三种方式 即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 由此得到含有 结构参数的 精确的有限元模型 1 3 国内外研究概况 1 3 1 理论研究状况 1 3 1 1 国外理论研究状况国外理论研究状况 60 年代 S Taylor 与 S A Tobias 10 建立了一台摇臂式钻床的质量集中模型 整 台机床计算结果显示低阶固有频率与试验值很接近 但仍未能计算出动态响应值 70 年代 德国亚琛工业大学的 M 韦克 11 教授较系统地论述了了解机床动态特 性的意义 他认为 机床的动态特性往往会对机床工作效率产生难以预料的影响 70 年代 J Hi jink 12 等人运用质量分布梁的方法 建成了一台卧式升降台形的 铣床的结构模型 并根据铣床各部分的结构弹性变形对机床整体影响的情况 将其 结构分成刚性梁与弹性梁两种 假设其中的刚性梁只作刚性运动没有弹性变形 这 样能够更接近实际机床的结构特点 不足之处是未考虑到结合面的动态性能 其理 论共振固有频率与试验值相差约差 15 动柔度值相差约 1 倍以上 日本得学者吉村尤孝 13 在考虑了结合面动态性能的基础上 建立了带有双立柱 的车床质量分布梁的动态力学模型 这个模型具有 20 个结合面 其中 2 个是导轨的 结合面 其余是螺栓联接处固定的结合面 他考虑到了结合面的动态特性 因而理 论计算值比较接近于实测的值 M Dalenbring 14 16 等人对机床也做了理论方面的一些研究 他们研究的结果很 一致 他们研究了计算过程的效率及计算当中出现的误差 得到的结论表明 运用 理论方法建出的模型 其确定的力学模型会直接影响分析计算出的结果 1978 年 日刊名为 机械与研究 的杂志出版了垣野议昭 17 发表的文章 机床 动态特性 他提出热变形与颤振是影响机床加工精度与加工效率的两个主要因素 Michigan 大学的 T Jiang 和 M Chiredast 18 在应用有限元动态分析的基础上 建 TH6213 数控镗铣加工中心关键零部件模态分析第一章 7 立了可以模拟机床结构联接形式的数学模型 它们提出了建立整机模型的方法并对 机床结合面的联接形式进行了研究 并对机床结合面的联接件 如焊点 螺栓等 的位置和数量进行了拓扑优化设计 1 3 1 2 国内理论研究状况国内理论研究状况 汤文成 易红 19 对机床床身部件的静态与动态两方面的特性进行了分析并且做 了优化方面的设计 他们通过改变机床床身部件的筋板类型与布局使床身静态和动 态性能都获得了显著的提升 他们还依据机床导轨部件振动的变形量来设计床身结 构 并依此建立了床身部件的结构三维模型 同时设床身结构部件参数为变量 进 行优化 最终他们得到了最优化的床身部件设计方案 总之 他们在机床参量化设 计等方面做出了有益的尝试 吴长智 20 在分析了 MG1432B 磨床动态特性的基础上 提出了一种离散误差线 性优化的方法 他建立了磨床的动力学模型 找到了磨床结构的薄弱环节 并给出 了改进的方法 总之 这些研究为整机结构动态性能的改进提供了一定的参考 徐燕申 刘晓平 彭泽比 21 等运用了模糊理论 对机床结构进行了动态性能的 分析 并取得了较好的效果 福州大学林有希 22 提出了整机有限元的方法 利用静态凝聚法和子结构技术对 整机进行了建模 大幅度缩减了机床结构自由度 浙江工业大学王伟伟 23 根据现有的理论知识确立了铣床结合面的参数 并进行 了该台铣床的进给系统的仿真分析 他还建立了铣床的有限元模型 指出了铣床存 在薄弱环节的部位 并改进了它的薄弱结构 华中科技大学的吴昊 24 针对数控机床的组成特点和性能以及仿真系统抽象建模 的要求 将数控机床分成各个有机关联的单个学科系统和模型 研究了机械动态力 学和机械控制系统方面建模的方法 并且运用相关学科理论知识和软件系统 分别 建立了机床伺服进给系统的理论与仿真模型 王飞月 25 分析机床的振源和阵型特点 研究了静 动态刚度和阻尼对机床动态 特性的影响 结合面的阻尼和刚度分别占整机的阻尼 刚度的 90 和 60 以上 以上的研究工作都是从理论角度分析 然后建立了机床的动态力学模型 他们 一般以机床的设计图纸为基础 经过抽象与简化建立了机床的动态力学模型 然后 据此进行了机床动态特性分析 这样做也带来了一定的问题 因为有限元分析过程 第一章TH6213 数控镗铣加工中心关键零部件模态分析 8 中单元细分会引起计算方面累积的误差 还有种类繁多的机床结合面 其影响因素 十分复杂 所以往往这样的机床结构理论的模型其分析结果与实际的机床动态性能 差别较大 尽管理论建模的研究方式存在着上述缺点 但随着科学研究工作的进一 步深入 我们是可以掌握比较精确且合理的机床动态性能方面的理论研究方式的 1 3 2 试验研究状况 试验模态研究技术是通过系统理论辨识和模态分析理论 把模态理论分析和动 态测试技术两者结合起来 一种非常实用的模态技术 70 年代 自从引入了控制理 论中传递函数这一概念和模态参数的解析这一理论 以及建立了描绘系统动态性能 的传递函数 试验模态分析的方法得到了飞快的发展 多种模态参数的识别方法相 继出现 1 3 2 1 国外试验研究状况国外试验研究状况 A L Klostermanan A Berman 和 W G Glannely N Miramand 等人创造了在频域内 识别模态参数的多种方法 R Potter M Richardson H G D Goyder 26 等人提出在频域内 复模态参数的识别方法 S R Lbrahim W R Smith 27 等人大量研究了时域内识别系 统的模态参数的方法 80 年代以来 新的模态识别方法相继出现 这些方法中时域分析法发展速度较 快 改变了 70 年代 Ibrahim 28 法独挡一面的格局 多基准法 最大熵谱估计法 多点随机激振与多参考点复指数识别法 这些模态参数识别方式相继出现 对其研 究也有了一定的进展 1976 年 J Tuety 3 等人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 1 3 2 2 国内试验研究的状况国内试验研究的状况 广西大学陈文峰 毛汉领 29 MXBS 1320 型高速外圆磨床动态性能的试验研究 一文中 使用脉冲激振法对 MXBS 1320 型高速外圆磨床的动态性能进行了动态试 验 得到磨床前几阶模态的频率和振型图 寻找出了机床振动时的薄弱部位和主要 振源 并提出一些改进机床薄弱环节的措施 东南大学和无锡机床股份有限公司合作进行了内圆磨床 M2120A 床身部件结构 的有限元分析 30 得到了床身前几阶的固有频率和振型 并且分析了床身的内部筋 TH6213 数控镗铣加工中心关键零部件模态分析第一章 9 板布置对结构动态特性的影响 天津大学针对机械结构先后进行了动力的修改 试验模态分析 物理参数的识 别以及子结构综合的方法等方面的研究 31 32 以 Z3025 型摇臂钻床为试验研究对象 研究了如何建立该钻床结构的动态力学模型以及如何对钻床结构的结合面进行参数 识别 通过对钻床整体进行模态试验与测试 得到了它的各阶固有频率值以及相对 应的振型 结果显示摇臂部件是整个钻床的薄弱环节 浙江大学先后研究了机床固定结合部位的动态特性 加工中心立柱部件与床身 部件之间结合面的动态特性和参数识别 33 34 以 JCS 018 型加工中心的主轴部件与 刀柄部件之间的结合面为主要的研究对象 研究了加工中心的固定结合部位的动态 特性 建立了机床结构的动态力学模型 并且识别出了机床结合部位的动态参数值 在研究加工中心的立柱部件与床身部件结合面动态性能和参数识别时 提出一种识 别复杂模型结合面参数的方法 主要工作为 1 利用结合面元的方法 建立了结合 面动态力学模型 2 运用有限元模型降阶修改法 建立了立柱部件与床身结构的低 阶 高精度动态力学模型 大连理工大学是国内比较早就进行机床得接触面动态性能研究的单位之一 35 在进行机床动态性能分析与优化设计时 提出一种新的能识别出机床接触面部位刚 度与阻尼的方法 该方法主要是运用一种新的凝聚技术将有限元和时序反洗法结合 起来 只需利用机床一到两个不完整的动态振型就可将它的接触面间结构参数识别出来 昆明理工大学的张宇和廖伯瑜 36 以机械阻抗综合法为基础 提出了一种直接运 用机床结构实测的频响函数去识别部件结合面参数的方法 他们还运用多频率点最 小二乘法 减弱了试验中产生的噪声对结果的影响 该方法优点为 无需预先建立 机床结构的分析模型 比如有限元模型 大大简化了试验与测试计算的过程 此方 法尤其适合用在像机床这样的复杂的大型组合结构的结合面参数的识别 青岛大学张杰 37 提出了一种用于复杂的机械动态参数识别与机械部件结合面动 态力学建模的方法 在结合面概念与理想结合面的基础上 建立了结合面动力学模 型以及复杂结构低阶有限元动力学模型 覃文杰等 38 人提出用自定义单元处理结合面的刚度的方法 分析了整体机床的 动态特性 并用试验的方法确定了相应的刚度参数 第一章TH6213 数控镗铣加工中心关键零部件模态分析 10 魏海燕 39 等采用变时基采样的锤击法测试卧式加工中心的低阶模态 该方法简 便 适用性广 具有较高经济性和实用价值 太原科技大学李晓强 40 等学者对 Z512 2 型台式钻铣床进行了试验模态分析 得 出机床前几阶固有频率和振动大小 验证了机床结构的合理性 1 3 3 综合方法研究的状况 自上世纪 70 年代中期 人们就将有限元分析技术和试验模态分析技术有机结合 以发挥两种方法各自具有的长处 得到了能确切的反映实际且实用的动态性能分析 技术 该技术依据试验测试得到的比较准确的模态参数值修正理论上建立的有误差 的模型 修正后得到的理论模型一般都能够准确地模拟机床结构的动态力学性能 这样基于理论与试验相结合的动力学分析方法 能够更好的发挥出理论模态分析的 作用 得出更准确的分析与优化设计的方案 1 3 3 1 国外综合研究的状况国外综合研究的状况 1971 年 学者 A Berman 41 提出了不完整的动力结构模型理论 1975 年和 1979 年对此理论进行了完善 Berman 方法的优点 基于模态正交理论 无需计算特征值 和特征向量 直接用试验数据的特征向量和频率来修改理论计算的质量 刚度矩阵 最后得到结构参数 1983 年 J C Chen 42 提出从模态试验结果中直接识别数据是不完整的这一结论 他认为这样测出的模态阶数会低于理论模态数 1 3 3 2 国内综合研究的状况国内综合研究的状况 1995 年 我国的彭晓洪 43 针对 Berman 的算法提出了一个改进的算法 此方法 使修正矩阵具有带状性质 这样大大简化了计算 1993 年 徐燕申和刘晓平 44 将有限元分析与模态试验相结合来识别结合面的动 力学特性并且建立了机床整机动力学模型 他们利用动态测试分析优化参数的方法 对有限元模型进行了修正 从而保证了有限元模型的建模精度 张海伟 45 运用理论模型分析和动态试验分析相结合的方法 进行了卧式加工中 心的动态性能的分析 将所得试验测试数据与理论计算结果进行对比 验证了理论 模型的合理性 并且找出了机床的薄弱环节 针对薄弱环节进行了结构优化 优化 后机床结构的最大变形值都有了相应的降低 TH6213 数控镗铣加工中心关键零部件模态分析第一章 11 贺银芝 46 等人以机床小立柱模型为例 通过将有限元分析和试验模态分析这两 种方法有机地结合 进行了小立柱的动态特性分析 分析结果确定了该模型各阶段 的固有频率及振型 并使理论值与试验值得误差控制在 1 7 以内 这些工作为含有 复杂结合面特性的机床整机的有限元建模提供了有效的分析手段 张广鹏 47 等人运用结合面单元 均质梁与集中质量建立了机床整机的动态力学 模型 并且编制了软件程序预测出机床整机的动态性能 从试验方面验证了理论方 法具有比较高的准确性 王立华 48 等人运用有限元分析与试验模态分析结合的方法对 XK8150 型数控铣 床的导轨结合面部位的参数进行了识别 并且研究出了机床结合面的刚度和阻尼对 机床整体的动态性能的影响 为机床整机的优化设计提供了一定的依据 卢熹 49 等人对 CK1416 数控车床的床身动态性能进行了有限元分析 并且运用 模态试验的方法验证了有限元模型的有效性 2001 年 东南大学运用有限元的方法建立机床整机动态力学模型 并且运用动 态试验测试分析技术与参数优化法进行了有限元模型的修正 从而检验并保证了有 限元理论建模的精确度 50 综上所述 国内机床动态特性方面的研究相对国外起步较晚 但也有几十年历 史 尤其是近十年发展较快 取得了许多成果 研究方法上 理论研究与试验研究 各有优缺点 当结构处在初步设计和细节设计阶段时 这时采用理论分析方法比较 方便 可在计算机上方便地修改设计参数 达到设计的目的 当在验证设计阶段 设计结构已做成模型或事物 此时 采用试验建模是比较理想的方法 综合研究方 法结合理论与试验研究方法各自的优点和局限 把机械结构有限元理论模态分析的 正过程和试验模态分析的逆过程有机地结合起来 扩大了前两种方法工程应用的范 围并显著提高其工程应用的效果 尤其适用于新设计的系统 已成为目前的发展方 向 1 4 本文研究的内容 意义及工作流程图 1 4 1 研究的内容 在整个机床的各个组成部分中 机床立柱和主轴箱是极其重要的大件 立柱起 第一章TH6213 数控镗铣加工中心关键零部件模态分析 12 着支撑主轴箱 连接床身等关键零部件的作用 主轴箱起着安置主轴 镗杆和刀具 等部件的作用 数控镗铣加工中心的立柱与主轴箱的结构设计和布局形式 决定了 其本身的各个动态特性 往往由于立柱与主轴箱结构设计不合理 导致它们刚度不 足 产生各种变形 振动 加工时刀具与工件间产生相对变形与振动 使零件加工 精度降低 因此 在设计数控镗铣加工中心的立柱与主轴箱结构时 分析它们的动 态特性显得尤为重要 本文针对 TH6213 镗铣加工中心的关键零部件立柱与主轴箱 的模态性能进行研究 主要研究内容分为以下几部分 1 三维模型的建立 结合实体模型 已知立柱采用的是框架封闭式结构 内部加有多个加强筋 主 轴箱是中空筋板 方形头部结构 运用 CAD 三维软件 solid edge 对立柱和主轴箱进 行三维建模 2 有限元模态分析 将在 solid edge 中建好的立柱与主轴箱三维模型 导入 CAE 软件 ANSYS Workbench 对分析件进行有限元建模 运用 ANSYS Workbench 自带的模态分析板块 对它们进行理论模态分析 得出立柱前六阶频率和振型 主轴箱的前八阶频率和振 型 3 试验模态分析 分别对立柱和主轴箱进行采样 计算频响函数 模态拟合 振型校验 得到立 柱前六阶试验模态参数 主轴箱前八阶试验模态参数 4 结果对比分析 对比立柱与主轴箱的理论与试验的模态参数值 指出误差的原因 找到模态薄 弱环节 并且提出结论和优化方案 1 4 2 研究的意义 结构振动学是研究机械设备振动 受力 动态性能等方面的重要学科基础 据 统计 机械设备尤其是机械加工设备 60 70 的机械故障是由于振动问题引起 的 机械振动往往是造成机械和其结构恶性破坏与失效的直接原因 一般情况下 超出标准规范的振动 如机床颤振 耦合振动等 会影响机械加工质量 缩短机器 寿命 降低机械及电子产品的使用性能 甚至污染环境产生公害等 如今振动设计 TH6213 数控镗铣加工中心关键零部件模态分析第一章 13 和振动分析已成为产品设计的一个关键环节 它影响着人民的生命安全和国民经济 建设中的重大工程 也是重大工程中的关键力学问题之一 51 52 因此 数控机床重 要零部件的动态分析 特别是模态分析显得尤为重要 模态分析的两个参量固有频 率和振型是机床结构的两个固有特性 分析和预测这两个特性 对提高机床的动态 性能具有重要意义 本课题运用理论与试验相结合的方法 针对研究对象的固有频率和振型等参数 进行研究 找出模态薄弱环节 提出了优化改进的方案 总之 研究本课题的意义 在于 1 运用理论与试验结合的方法研究问题 为解决同类问题 结构模态分析等提 供了一种研究方法 2 解决该产品的模态参数的测定问题 机床结构都有自己的固有振动频率 设 计时使这些固有频率避开外激振力的频率可以避免发生共振 有效的减小振动振幅 从而提高机床的加工精度和加工效率 提高劳动生产率 3 参考机床部件模态参数值 我们可以提供合理的机床加工转速 控制激振力 的频率 避免加工时产生共振 影响加工精度 4 缩短设计周期 在最短的时间内设计出最优的立柱与主轴箱结构设计方案 1 4 3 课题工作流程图 立柱与主轴箱 CAD 模型的建 立 立柱有限元模型的 建立 立柱 ANSYS 理论模态 分析 立柱与主轴箱模态 试验 比 较 提出结论及优化 方案 课题研究的 背景 有限元基本 理论 模态分析基本 理论 主轴箱有限元模型的 建立 主轴箱 ANSYS 理论模 态分析 布点采样频响函数 计算 阵型校验 试验模态参数分 析 理论模态参数分 析 第一章TH6213 数控镗铣加工中心关键零部件模态分析 14 图图 1 2 本文工作流程图本文工作流程图 FIG 1 2 Process flow diagram in this paper TH6213 数控镗铣加工中心关键零部件模态分析第一章 15 1 5 本章小结 本章阐述了本课题研究的背景 来源以及国内外研究的现状 提出了课题研究 的主要方法 理论与试验相结合的方法 确定了本课题研究的内容 意义及工作流程 图等 第二章TH6213 数控镗铣加工中心关键零部件模态分析 16 第二章 有限元模态分析的基本理论 2 1 有限元分析的基本理论 2 1 1 有限元分析法概述 20 世纪 随着电子计算机的迅速发展 应运而生了一种非常有效的数值分析方 法 即有限元法 50 年代 有限元法先后应用于连续体力学的领域 飞机结构的静 动态性能分析领域中 随后很快广泛的应用于电磁场 流体力学以及求解热传导等 连续性的问题中 53 55 有限元法 FEM 也称有限元素法 它的基本思想为 将求解域离散成一组有 限个且按一定方式相互连接在一起的单元的组合体 它属于计算机辅助工程 CAE 所用方法中的一种 以前 工程中许多问题是不太容易获得解析的数学解 的 为了得到解析解 对于一些简单的情况 人们可以做一些合理的假设和简化 现在 针对边界条件与材料性质较复杂的问题 工程师可以依靠有限元法这样一种 数值方法 56 给出近似的较令人满意的答案 将物理结构按一定方式分割成大