有限元技术在基于能量平衡的机床动态设计中的应用

结构动态系统的能量平衡是实现机床结构动态设计的依据之一.文中尝试将有限元技术应用于基于能量平衡的机床结构动态设计,在介绍结构动态系统能量分析方法的基础上,针对结构动态系统的有限元模型,提出定量描述结构动态特性优劣的方法,通过算例对悬臂梁结构的集中参数模型能量分析结果与有限元能量分析结果进行比较,并以有限元能量分析实现悬臂梁结构的改进.结果表明该结构动态设计技术具有明显的优越性,最后将该技术应用于某平面磨床结构的动态特性分析,找出该磨床结构的薄弱环节,对该磨床结构的优化设计起到指导作用.     

基于能量平衡原理的机床结构动态优化

提出了一种基于能量平衡原理的机床结构动态优化的方法,通过提高机床部件能量分布的均匀性来提高机床动态性能。以数控雕铣机龙门架的动态性能优化设计为例,对这一方法做了具体的阐述。首先,利用有限元软件模态分析确定出部件危险模态的固有频率及振型;然后,根据能量分布确定出动能和势能集中的区域,再根据能量平衡原理对零件结构进行优化;最后,使用标准差对能量分布的均匀性进行评价,最终达到提高机床部件动态特性的目的。     

有限元技术在基于能量平衡的机床动态设计中的应用

结构动态系统的能量平衡是实现机床结构动态设计的主要依据。将有限元技术应用于基于能量平衡的结构动态优化设计中,在介绍结构动态系统能量分析方法的基础上,针对某平面磨床床身进行了结构动态分析。结果表明,该结构动态优化设计方法对找出机械结构的薄弱环节、结构的动态设计优化有指导作用,可推广到其它结构的动态设计中。     

变频调速数控机床主传动系统的功率平衡方程

针对我国变频调速数控机床使用量大和能耗严重的问题,全面分析这类机床的能量传输规律,为进一步的节能研究提供理论依据。通过建立变频调速类数控机床主传动系统的能量流模型,分析机床主电动机功率传输特性和机械传动系统功率传输特性及其各部分的能量损耗规律;建立整个主传动系统的动态功率平衡方程并论述了该功率平衡方程相对于普通机床功率平衡方程的三个特点;最后,应用分析和实践展示了上述功率平衡方程的广阔应用前景。     

基于能量平衡原理的机床动态性能分析

机床被广泛应用于工业生产中，是最主要的生产加工设备。机床动态设计的特点是在机床研发阶段解决各类问题，它能较为全面地考虑到机床在后期实际运行过程中各种动态因素对机床动态性能的影响。本文基于能量平衡原理对机床的动态性能进行了分析，并提出了一些改进方案。     

数控机床多能量源的动态能耗建模与仿真方法

机床能量消耗过程的评估和分析是机床能效优化研究的基础。现有研究提出的机床能耗模型主要是静态能耗模型,少数对机床动态性能耗的研究又主要集中在机床运行状态的动态性的建模,缺乏对机床能量源特别是数控机床多能量源的动态性能耗的研究。针对数控机床能量源多、加工任务及加工参数动态变化等特点,提出了一种数控机床多能量源的动态能耗建模与仿真方法。对数控机床能耗过程的动态性进行分析;在此基础上,结合面向对象着色赋时Petri网(Colored timed object-oriented Petri net,CTOPN)和虚拟部件方法建立数控机床多能量源动态能耗模型,其中CTOPN模型用于描述数控机床能耗过程机床和多能量源运行状态的动态特性,虚拟部件方法用于描述数控机床多能量源受加工参数影响的动态特性;通过CTOPN中"变迁"蕴含的信息来驱动虚拟部件模型实现对数控机床多能量源的动态能耗特性的建模。案例分析结果证明了该方法的可行性,上述模型可为数控机床动态能耗的预测、综合的能耗特性分析以及定量的能耗影响因素分析提供一种基础支持,具有较广阔的应用前景。     

IDB-1型智能式动平衡仪在M11100型宽砂轮无心磨床上的应用

我厂活塞杆以磨代车工艺所使用的机床是无锡机床厂生产的M11100型宽砂轮无心磨床。该机床砂轮的动平衡常规的方法是:先将砂轮在砂轮静平衡架上手工进行静平衡。静平衡后,将砂轮装上磨床,然后,凭经验继续对砂轮反复进行动平衡,直至找到砂轮架相对导轮架动态机械振动幅值小于0.02mm为止。     

面向工件随机到达的机床节能运行方法

为提高机床运行阶段的能量利用率,针对目前机床加工间隔节能方法缺乏考虑工件随机到达的现状,提出一种面向工件随机到达的机床节能运行方法。基于机床运行状态制定了一种机床在加工间隔中的节能运行策略,以计算机床在采用该节能运行策略后的一个加工间隔中所消耗的预期能量。通过对该预期能量的优化,实现对节能运行策略中机床运行参数的优化,得到节能运行方法。将该机床节能运行方法应用到具体实验中进行分析,比较使用节能运行方法前后机床在加工间隔中消耗的能量,结果显示,机床应用所提节能运行方法后能适应工件的随机到达,并提高其在加工间隔中的能量利用率。     

基于模态预测及敏度分析的机床动特性设计方法

为了提高机床的动态性能,以机床整机固有频率和频响函数振幅为目标,提出基于机床测试数据、进行试验模态分析及灵敏度计算的机床动态特性设计方法。方法首先提取机床测试数据建立机床结构原型模型,逐步计算机床大件结构和整机的固有频率对刚度、质量的灵敏度,确定结构薄弱环节;继而,对薄弱结构,采用模态预测和灵敏度分析方法设计计算,获取更合理的质量和刚度;之后,将设计分析结果输入LMS_Test.lab软件,借助软件完成对原型结构的模态修改,对修改后结构的动力学特性进行模态预测;最后,进行预测结果模态置信验证,确认模态预测的正确性,完整机床动态特性设计方法体系。将该方法应用于实际机床设计中,对比整机优化前后的频响函数曲线和仿真分析验证均证明,基于模态预测及灵敏度分析的机床动态特性设计方法完成的机床优化设计使得机床固有频率得到提高的同时振幅下降,机床的大件结构及整机的动态性能均有提升。     

数控机床能效在线监测方法及监测系统

针对数控机床能量效率难以在线监测的问题,提出一种基于机床功率平衡方程和能量损耗特性的数控机床能效在线监测方法。该方法通过实时测量机床总电源输入功率和主轴输入功率分离出切削功率,从而在线获取机床能量效率,同时基于功率信息在线识别机床状态,获得机床设备利用率等信息。给出了基于ARM(Advanced RISC Machines)Win CE平台的数控机床能效在线监测分析系统软/硬件解决方案,完成了系统的初步开发和实现。通过实验验证了该系统具有较高的准确性和方便的实用性。数控机床能效在线监测对于机械加工过程和车间能效评估、能耗预测、能量管理及节能技术研究均有重要支持作用,具有较广阔的应用前景。     

基于模态柔度和能量分布的机床动态优化设计

使机床切削点动柔度最大值在整个工作频率范围内最小,是机床实现无颤振稳定切削和高精度切削加工的要求,也是对其进行动态优化设计所应达到的目标。基于模态柔度和能量分布的机床结构动态优化设计原理,实现了一种以降低切削点交叉动柔度值为目标的优化方法。该方法利用切削点交叉动柔度与模态柔度的关系,首先寻找薄弱模态,再分析薄弱模态上各部件和环节的能量分布,确定该模态上的薄弱环节,然后在一定的约束条件下,改进这些环节的设计参数,从而实现优化目标。以某型万能工具铣床为例,在整机建模分析计算的基础上,阐述了该优化方法的具体应用。通过模态柔度和能量分布计算,判明该机床的薄弱环节是横梁-水平主轴体系统,针对薄弱环节设计参数的改进实现其质量和刚度的优化,优化后的静柔度和模态柔度都有较大的降低,而固有频率则相应提高,切削点动柔度的最大值降低近18%。并在此基础上进行结构改进设计,改进前后机床的谐响应分析和切削试验对比结果表明优化方法有效地改善了机床的动态性能,再生颤振稳定性得到大幅提高。     

基于键合图的五轴联动数控机床动态特性分析与能耗建模研究

制造业是我国碳排放的主要源头，高能效绿色机床装备是制造业实现“碳达峰、碳中和”目标的关键，机床的动态特性分析与能耗建模是机床绿色设计的重要环节。以五轴联动数控机床的各子轴系统为研究对象，针对其能量交互不明晰、自由度高、结构复杂的特点，基于键合图理论建立动力学特性数学模型和能耗模型。该模型综合考虑了机床各子轴系统动态特性和对能源消耗具有强关联性的关键变量，并利用Matlab-Simulink仿真工具建立了动态仿真模型。仿真分析和实验验证结果表明，所提出的基于键合图理论的动力学特性数学模型和能耗模型是合理且有效的。该模型对于深入分析各子轴系统的动态特性，了解其能量传递过程，指导其高能效优化设计，具有现实的指导意义。     

基于正交试验的机床结合部动刚度优化配置

机床中结合部分布众多且不同接触条件下其动刚度值不同,优化分析时很难研究每个动刚度值对机床动态性能的影响。针对此类问题,提出一种基于正交试验的机床结合部动刚度优化配置方法。该方法通过模态柔度与弹性能分布理论判定机床的薄弱模态和薄弱结合部,建立以薄弱结合部的动刚度为设计变量,各阶薄弱模态的最小模态柔度为目标的多目标优化模型。为提高优化效率,采用正交试验方法规划试验方案,并在试验结果分析中引入相似优先比法对结合部动刚度进行协同优化配置。以某型立式加工中心为例,采用优化配置方法确定其结合部动刚度的最优配置方案。仿真结果显示该方案下薄弱模态的模态柔度明显降低,整机动态性能提高,验证了该方法的可行性。     

Sensor fault diagnosis based on energy balance evaluation: application to a metal processing

This paper deals with the design of a residual generator for fault detection and isolation in the dynamic closed-loop systems based on the balance of energy which "enters" and "leaves" plants. The main contribution of this paper consists in developing a suitable fault detection and isolation technique to detect faults in single-input single-output closed-loop system based on major signals without the requirement of an accurate static or dynamic model. Indeed, in the absence of conventional input-output models, the proposed method involves the on-line energy balance evaluation to detect a sensor fault. The application to the monitoring of a galvanizing line in steel industry shows the effectiveness of the suggested approach when a sensor fault occurs.     

基于振动检测的旋转机械现场平衡研究

探讨旋转机械现场平衡的实用方法,以解决工程实际中旋转体平衡操作要求高、过程复杂的问题。介绍了基于振动检测的旋转机械静平衡和动平衡的平衡原理及不同平衡方法的适用条件;重点分析了基于振动检测的三点法现场平衡的实施步骤与操作方法,指出了实施过程中的注意事项。该平衡方法不需要复杂的测试设备,只用普通的振动计,简单易行,而且是在实际使用条件下进行平衡,不存在安装后可能产生新不平衡问题的现象。     

基于能量分布的机床整机动态特性优化方法

基于机床结构中的能量分布,在准确建立立式加工中心整机有限元模型的基础上提出一种整机动态性能优化方法。采用弹簧阻尼系统等效结合部的接触特性,基于辨识的结合部等效刚度和阻尼值在Ansys中建立了立式加工中心整机有限元模型,对整机进行模态分析和谐响应分析。通过整机模态试验验证了该有限元模型的准确性,并根据有限元分析与试验结果确定整机的薄弱模态。计算薄弱模态下整机、结合部的弹性能以及结合部在整机中的弹性能分布率,以分布率较高的结合部作为薄弱结合部。基于薄弱结合部的等效接触刚度提出优化方案,优化后薄弱结合部的弹性能分布率明显降低,主轴轴端的动态响应幅值降低,从而使整机动态性能得到改善,验证了该优化方法的可行性。     

机床主轴在线动平衡装置现状分析研究

综合国内外机床主轴在线动平衡技术,对动平衡装置的相关研究进行系统分析,找出现有装置的不足,概括机床主轴在线动平衡装置设计的几点要求.     

An approach to evaluate the effects of nonlinear traveling joints on dynamic behavior of large machine tools

In order to select the best possible design from various candidates based on structure configurations of traveling components, it is essential to evaluate the effects of traveling joints on dynamic behavior of large machine tools. Firstly, regression analysis and energy method were used to determine the nonlinear parameters of the metal–plastic joints. Then, a nonlinear receptance coupling approach was used to establish a simplified model of a large machine tool including nonlinear joints. The evaluations of the large machine tool were analyzed with different milling forces. The results show that the nonlinearity of traveling joints significantly influences the resonant frequency and the response amplitudes. Experimental verifications were performed on a prototype of a large machine tool for milling large gears.     

基于空间统计学的机床动力学特性

机床刚度、固有频率等动力学特性随着机床部件位置、姿态在工作空间中的变化而变化。对机床动力学特性的研究不仅需要考虑到机床质量、刚度、阻尼值的大小,还应重视机床加工点的空间位置变化。采用空间统计学方法,以超精密机床固有频率这一关键动力学性能为例,分析机床动力学性能与机床位置姿态之间的数学关系,选取机床动态特性变异函数,建立动力学性能变化预测的Kriging方法模型,研究动力学特性在工作空间中的变化规律以及动力学特性空间信息的表述方法。将所建立的模型与正交多项式方法、径向基神经网络方法、二阶响应面方法等方法建立动力学性能预测分析模型比较,空间统计学Kriging方法所建立的模型R²检验大于0.96,在四种模型建构方式中为精确度最优,能够在完整工作空间中准确地描述机床动力学特性。基于空间统计学的机床动力学特性研究为机床的动力学设计提供了新的设计分析方法及相应的技术支持。     

动平衡校正系统的研制

对旋转机械进行动平衡测试时,采用目前比较普遍的影响系数法等算法得到不平衡量的大小和相位后,为了使被平衡部件恢复到预定精度的平衡状态,必须对其进行校正.文中介绍了几种应用性很强的动平衡校正方法,包括去重法、配重分量法、附加动平衡盘法.并采用VB程序设计语言,开发出一套基于这几种算法的动平衡校正系统.