机床动力学分析开题报告.doc

开题报告机床动力学分析1 选题的背景、意义1.1 机床动力学分析的背景众所周知，在机床加工过程中，振动的危害极大，尤其对于超精密机床。使用金刚石刀具作超精密切削时，要求机床工作极其平稳，振动极小，否则很难保证较高的加工精度和超光滑的表面质量。因此，对机床的动力学分析就成为超精密加工中，保障加工质量的关键技术之一。 通过查阅大量的资料文献发现，目前国内外对机床的主轴、导轨等单个零件的动力学分析有很多，但是对机床整机的动力学研究就相对少很多。有介绍机床整机的动力学分析的也是大概笼统的介绍了下，很少有很详细全面的研究。对于这种情况大致了解了到是因为对机床整机进行动力学分析，因为机床本身的体积很大，很难进行有效的激振，需要考虑的因素较多。例如：机床整机不是一个单一的零件，做动力学分析难度较大；机床整机的体积较大，外界环境的干扰较大；所以做机床整机的动力学分析，想要得到有效的动力学数据，必须合理的设计实验步骤和实验平台。机床的加工性能与其动力学特性非常密切，其动态性能（振动、噪声及稳定性等）是影响其工作性能及品质质量最重要的性能指标。随着机床向高精度、高表面质量和高生产率方向发展，关于机床的振动问题，近年来备受关注。其加工精度很大程度上取决与切屑加工过程中机床的振动，振动的产生不仅制约了数控机床的生产效率，而且还会在加工工件的表面留下波纹，这大大影响了机床加工精度。因此，对机床的动力学研究一直以来都是一个重要的课题。我国及世界其他国家都在竞相发展以高速、高精、高效为主要特征的超精密机床，对这类机床进行动力学优化就显得更加重要。对于高速精密机床而言，进行机床动力学特性分析，了解机床结构本身具有的刚度特性即机床的固有频率和主振型，将避免在使用中因振动造成不必要的损失。1.2 机床动力学分析的意义 通过对机床进行动力学分析，可以了解到机床各阶模态的振动情况，并联系模态实验坐标和物理坐标，从而了解到机床结构存在的薄弱环节。为机床结构薄弱环节的改进设计、振动故障诊断预报以及结构动力学特性的优化设计提供依据。通过对机床的动力学分析可以确定机床结构的振动特性即固有频率和主振型，它们是承受动载荷的重要参数。根据此数据对机床床身进行优化设计，提高它的固有频率，即结构本身具有的刚度特性，使床身的动力学特性得以改善，满足机床对加工质量和加工精度的要求。通过动力学分析就可以判断机床的振型是否影响加工精度和表面粗糙度，并可对机床结构进行优化设计，使它满足机床对加工质量和加工精度的要求。通过对机床进行动力学分析，并应用先进的计算机负责测试与分析的手段可以获得精确的结构动态性能参数，进一步分析就可以发现机床结构存在的薄弱环节，这就为平台结构优化打下了基础。为后续的机床结构的优化设计提供依据。同时也为后续的有限元分析提供了可靠的验证方法。精密、超精密机床振源主要来源于机内振源和机外振源。通常数控机床的内部振源主要来自不平衡运动的旋转件、附件的振动和自激振动,其中影响最大的是主轴部件和被加工工件的不平衡运动。当主轴部件和工件旋转时,由于其质量中心和旋转中心的不一致,从而产生了回转中心旋转的离心,它是使车床产生整机振动和不稳定的主要因素。超精密机床机外振源主要来源于其它机床、锻压设备、火车、汽车等通过地基传给机床的振动。零件的加工质量与机床的动态特性有着密切的联系，随着机床系统高速化发展，各类振动对机床动态特性的不良愈发凸显出来。而纵向振动是一种主要的振动形式，它可引起机床主轴的弯曲振动，最终影响零件的加工质量，还会使机床、夹具中的连接零件松动，影响工件在夹具中的正确定位，甚至直接导致机床故障和使用寿命缩短。此外，由于振动，势必降低切屑用量，降低生产率，造成噪声污染，直接影响到机床的可靠性和使用寿命。所以对精密、超精密机床进行动力学分析是必不可少的。 2 相关研究的最新成果及动态 2.1 国内外研究进展目前国际领域非常重视机械产品的动力学研究，如日本的SHNIPPON KOKI Co.Ltd.公司在其机床产品的说明书中，特别强调该产品是经过虚拟动力学研究制造完成的。而我国的机床发展，工业基础薄外，研究手段落后于其他先进国家、资金短缺等困难。机床的加工性能与其动态性关系非常密切，其动态性能（振动、噪声及稳定性等）是影响其工作性能及品质最重要的性能指标。目前，数控机床动力学分析仍是国内外研究的热点，我国及世界其他国家都在竞相发展以高速、高精、高效为主要特征的超精密机床，对这类机床进行动力学优化就显得更加重要。对于高速精密机床而言，进行机床动态特性分析和优化设计，了解机床结构本身具有的刚度特性即机床的固有频率和主振型，将避免在使用中因共振因素所造成不必要的损失。对机床床身动力学分析的方法主要是模态分析法，通过模态分析得出数据，根据此数据对机床床身进行优化设计，提高它的固有频率，即结构本身具有的刚度特性，使床身的动力学特性得以改善，满足机床对加工质量和加工精度的要求。近年来，国内外学者在机床动力学研究的基础上发展了虚拟现实技术、模态力法和理论与实测结合法等。综合运用模态力法与有限元法对机床进行固有频率及其振型分析时，可直接计算出刀具和工件间在各阶固有频率下的相对动位移量及相应模态。该方法与单一机床动力学分析相比，精度相当，但计算速度更快。由于机床动力分析中不仅需要许多的实验参数还依赖于理论计算，所以单靠测试往往得不到符合工程实际的解析，因此将动力学测试技术和有限元技术结合很有必要。2.2 当前机床动力学分析方法及成果目前，机床动力学研究的方法主要是模态分析法，模态分析技术是基于系统响应和激振力的动态测试方法，是利用信号处理和参数识别技术来确定系统模态参数的一种方法，它可以非常直观地反映各阶模态的情况，并联系模态坐标和物理坐标，从而为结构薄弱环节干改进设计、振动故障诊断预报以及结构动力学特性的优化设计等提供依据。模态分析研究的主要内容是确定结构的振动特性即固有频率和主振型，它们是承受动载荷的重要参数。通过模态分析就可以判断机床的振型是否影响加工精度和表面粗糙度，并可对机床结构进行优化设计，使它满足机床对加工质量和加工精度的要求。通过对机床进行动力学实验，并应用先进的计算机负责测试与分析的手段可以获得精确的结构动态性能参数，进一步分析就可以发现机床结构存在的薄弱环节，这就为平台结构优化打下了基础。为后续的机床结构的优化设计提供依据。同时也为后续的有限元分析提供了可靠的验证方法。模态分析是研究结构动力学特性的一种方法。振动问题是在动态分析中常见的问题，模态分析就是为了研究振动问题，而提供的很好的方法。所谓模态分析就是确定设计结构或机械部件的振动特性，得到结构的固有频率和振型，由于它们是进行动力学研究的重要参数，所以模态分析也是为了更详细的动力学分析如谱响应分析、瞬态动力学分析、频谱分析等做准备。机床的每一个模态都有一个特定的固有频率和振型，不仅是机床承受动态载荷设计的重要参数，而且对于分析和评价机床结构的动态性能、指导结构优化设计与分析、实时控制以及标定等均有指导意义。计算机技术的飞速发展，使快速傅立叶（FFT）分析得以实现，出现了模态分析仪器设备，促进了模态分析技术的迅速发展。模态参数识别按照使用响应信号的数目分为局部识别和整体识别两种，按照使用激励和响应的数目分为单入单出(SISO)识别法、单入多出(SIMO)识别法和多入多出(MIMO)识别法。SISO属于局部识别， SIMO和MIMO属于整体识别。在SISO频域模态参数识别中，按照模态密集程度不同，可分为单模态识别和多模态识别。前者将待识别的几阶模态看作与其他模态独立的单自由度系统，适于阻尼较小、模态较分散的情形。后者将待识别的几阶模态看作耦合的，并考虑拟合频段以外的模态影响。对于阻尼较大、模态较密集的情况，必须用多模态参数识别法。在模态分析中，阻尼是一个较难处理的问题。根据结构性质不同，常用到粘性比例阻尼、一般粘性阻尼、结构比例阻尼与结构阻尼四种阻尼模型。2.3 机床动力学分析所用的激励方式单点激励是最简单、最常用的激励方式。所谓单点激励,是指对测试结构一次只激励一个点的一个方向,而在其他任何坐标上均没有激励作用。单点激励是SISO参数识别所要求的激励方式。单点激励方式之所以有效,是建立在振动系统的可控性和可观性假设基础上的。所谓振动系统的可控性,是指对选择的点施加激励,能激发出系统的各阶模态。理论上讲,只要激励点不在各阶模态振型的节点上,且具备足够的能量,就可以激发系统的各阶模态。所谓振动系统的可观性,是指测量出的各响应点的输出信号中包含各阶模态的信息。对线性系统,可观性总是满足的。具备了可控性和可观性,系统才可辨识。SISO方法要求同时高速采集输入、输出两个点的信号,用不断移动激励点位置或响应点位置的办法获取振型数据。多点激励是指对多个点同时施加激振力的激励方式。显然,输入系统的激励能量会成倍增加。同时,也增加了激振的复杂性。而且SIMO及MIMO的方法则要求大量通道数据的高速并行采集,因此要求大量的振动测量传感器和激振器,试验成本较高。对中小型结构的模态分析,采用单点激励即可获得满意效果,然而,对大型、复杂结构,单点激励往往丢失模态,或由于激励能量有限而得不到有效的高信噪比频响函数,有时甚至无法激起结构的整体振动,导致模态实验彻底失败。多点激励虽说比较复杂,但它具有以下优点:不易遗漏模态；输入能量大且传递均匀,获得的频响函数信噪比高；一次性获得频响函数矩阵,比单点激励分别求出的频响函数矩阵一致性要好。2.4当前机床动力学的测试流程(1) 确定实验仪器设备。目前振动测试技术比较成熟。(2) 确定实验内容。要综合考虑机床抗振性研究的需求来确定实验内容。模态测试是机床动力学研究的基础，通常机床都需要进行模态测试。而为了评判和检验机床的抗振性，动刚度和刀具-工件系统的振动响应也常作为机床整机测试的一个重要实验内容。(3) 搭建实验系统。搭建机床整机振动的实验系统，要根据实验的内容及相应的原理方案来规划。通常包括布置传感器、布置激振器和连接测试系统等。对于数控机床的整机振动测试，通常选用压电加速度传感器，考虑到机床的振动是一个空间振动，因此，在有条件的情况下，最好选用三维加速度传感器。在安装振动传感器时，应按照实验分析频率范围来选用固定方式，例如可以蜡粘、胶粘、螺栓连接等。在模态及动刚度测试中，需要激振器。对于小型机床，可以用单个力锤或激振器(电磁、电液等)进行激振。而对于大型机床则必须使用激振器，为了获得精确的测试结果，通常需要多个激振器同时激振。激振的方向要与最关注的振动方向相一致。实验中要将激振器的柔性杆与激振点固定连接，选用的方式包括胶结和螺栓连接等。在布置完传感器及激振器后，用数据线连接到数据分析仪，数据分析仪再连接到计算机，从而完成整机振动实验系统的搭建。(4) 振动测试。机床整机振动测试过程包括数据采集、数据存储、数据导出等操作过程。测试中需要对机床的运行状态进行调整，对传感器进行校准，以适应不同振动测试的需求。例如进行主轴转速、进给速度的变更等操作。(5) 测试数据分析。测试数据分析是为了获得影响机床抗振性能的各种参数，包括固有频率、阻尼比、模态振型、动刚度、振动响应等。分析的方法可以采用专用分析软件，例如MEScope，Dasp等。也可以采用MATLAB，Origin，Excel等通用试验数据分析软件。3课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、研究难点及预期达到的目标3.1研究内容（1） 机械模态分析测试理论；（2） 机床模态测试实验；（3） 复杂工况下机床动力学特性研究；3.2技术路线及方法（1） 机械模态分析测试理论； 通过对机床的激振，用传感器测采集振动数据，用CAD三维软件绘制机床三维图。对数据进行变换处理。把三维图和振动数据导入到模态分析软件，得到机床的固有频率、阻尼比、振型等参数。（2）机床模态测试实验；实验模态分析就是在其床体上合理布置测点及激振点，使得采集的数据能够全面、准确地反应各个部件的动态特性，后续工作即将采集到的数据通过专用软件如DASP软件进行数据分析，得出结构的动态特性参数，如结构的各阶固有频率、模态振型等，用CAD绘制机床的三维模型，把数据和三维模型导入到模态分析软件得到机床的各阶振型动画和机床的阻尼比等参数。从而能够比较直观地发现结构中的薄弱环节，使其得到优化。（3） 复杂工况下机床动力学特性研究。用激振器对机床进行不同频率的激振，进行模态测试实验。得出实验数据，分析原因。3.3 研究难点 目前国内外文献对机床整机的动力学研究真正核心的技术介绍的不是很多，这给课题的设计实验带来了一定的难度，而我国关于机床动力学研究技术还不是很成熟。（1） 需要构建机床模态实验的分析平台，考虑模态测试需要的仪器设备，需要考虑的因素较多，工作量比较大。（2） 对机床的模态分析测试需要综合多个学科知识进行考虑，需要设计制定整套试验线路和方法。花费大量的人力去设计与计算。（3） 对机床在复杂工况下的动力学研究，需要确定传感器位置的布置和激振点的确定才能顺利完成。3.4 预期达到的目标以学校的小型超精密机床为例, 以三维建模、数值计算和动态性能测试等为手段，通过对机床进行动力学特性分析测试，寻找机床振动的主要来源，并加以排除或限制。按照所提出的振动测试方法及流程对其进行了整机振动测试,测试的内容包括对主轴、导轨、刀塔等做振动测试，采集振动数据，然后对机床整机做模态分析,证明对机床模态测试实验的流程及方法是有效的。最终有效控制机床的振动及复杂工况下机床动力学特性研究。4研究工作详细工作进度和安排2011年1月10日文献综述、外文翻译；2011年2月24日开题报告；2011年3月20日机床模态分析平台构建；2011年4月20日模态分析测试；2011年5月10日复杂工况下机床动力学特性；2011年5月18日毕业设计初稿；2011年5月27日毕业设计定稿。5参考文献1. 杨明亚,杨颖洁.一种数控机床床身的动力学分析与优化设计J现代机械 2010年第2期2. 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