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。     

机床主轴系统的动态优化设计

以降低主轴前端动柔度值为优化目标,综合利用传递矩阵法和子结构的概念,寻找薄弱模态和计算其能量分布率,并编制了相应的计算机程序,使调参能方便地在微机上进行。优化后的主轴结构可以提高机床的切削稳定性,完全能够满足工程应用的需要。     

基于Kriging模型的数控机床空间切削稳定性

针对机床加工点空间位姿的改变,导致切削稳定性预测具有复杂性和不确定性问题,提出一种基于Kriging模型的机床空间切削稳定性研究方法。该方法以机床最小极限切削深度为研究对象,首先,通过构建描述其与加工位姿间数学关系的Kriging模型,预测其在加工空间的演化规律;其次,引入改进粒子群算法,计算具有最小极限切削深度极大值的加工位置,并结合切削实验和能量分布理论确定机床易颤振模态及对应的薄弱结合部,通过优化结合部动刚度以提高最小极限切削深度值。以一台立式加工中心主要加工任务中耗时较多的工序进行实例验证,建立该工序最小极限切削深度的Kriging模型,阐明加工位置变化对切削稳定性有较大影响,并提出结合部动刚度优化方案,提高了最小极限切削深度。     

高速精密电主轴单元的动态优化设计

以降低高速电主轴前端动柔度值为优化目标,综合利用传递矩阵法和子结构的概念,寻找薄弱模态并计算其能量分布率,提出了具体的结构改进措施,改善了高速电主轴系统的模态分布.     

CK5116数控立式车床振动系统动态特性的确定

在简要介绍数控机床模态测试原理的基础上,对某机床厂生产的CK5116数控立式车床的模态及动态特性进行了测试,获得了机床整机的固有频率、模态振型、阻尼比、动刚度、动柔度等动态特性参数。通过测试发现,该机床的立柱在沿y方向的振动是该机床的薄弱环节,导致y方向的动刚度显著降低。在综合分析的基础上,提出在立柱内增设加强筋的方式来提高机床整机系统的动态特性,为同类型机床的结构性能优化提供有效的参考。     

机床滑动结合面特性测试装置连接桥板的动态优化设计

以机床滑动结合面动态特性测试装置关键部件连接桥板的优化设计为例,研究了利用构件之间相对动柔度对机械结构进行优化的理论和方法.首先提出相对动柔度系数概念及其计算方法,并以相对动柔度系数为优化目标,对连接桥板进行优化设计,经过设计后的桥板动刚度远大于被测结合面动刚度,符合设计要求.该方法的提出为同一系统中两个或多个有相对动刚度要求的构件设计提供了一种新设计方法.     

C6132普通车床动刚度测试

通过对Ｃ６１３２普通型车床的动刚度测试，取得该机床的动柔度值，为评价该机床动态性能提供了参考数据，同时也分析了该方法与实际工况的差距、指出，动态测试方法应尽量接近实际工况，才能正确评价机床动特性。     

加工中心刀尖点动柔度预测方法

绘制极限切削深度叶瓣图可以对加工中心切削稳定性进行有效评价,其前提是必须事先获取机床刀尖点动柔度,这已成为近年来机床切削颤振领域的研究热点。采用锤击模态实验获取动柔度,手段虽然简单直接,但需面向不同刀具重复实验,效率很低;常规子结构综合法虽然可以预测刀尖点动柔度,但涉及转角相关柔度的计算繁琐且精度有限。为解决上述问题,提出一种可以快速、准确预测不同刀具装夹时加工中心刀尖点动柔度的方法。该方法的核心在于首先利用改进子结构柔度耦合分析法推导出刀尖点动柔度计算表达式,然后借助模拟退火粒子群算法辨识出刀具—刀柄结合部等效动力学参数,在此基础上再次基于改进子结构柔度耦合法求得刀尖点动柔度。以某立式加工中心为研究对象,应用所提方法预测机床刀尖点动柔度,并与实测值进行对比分析,结果显示二者符合程度较高,从而验证了所提方法的有效性和准确性。     

多自由度系统准静态刚度理论研究

通过对多自由度系统的模态函数进行分析和研究,探讨了多自由度系统的准静态刚度理论,并分析了多自由度系统在准静态区内动柔度与静柔度之间的理论误差,在机床准静态刚度试验中得到了验证,解决了用单自由度理论研究的准静态刚度试验方法可应用于多自由度机床静刚度测量的理论问题。     

Interface contact pressure-based virtual gradient material model for the dynamic analysis of the bolted joint in machine tools

Bolted joints have significant influence on the dynamic characteristic of the machine tool assembly. This study proposes a new modeling method using virtual gradient material. On the basis of Hertz contact theory and fractal geometry theory, the relationship between contact stiffness and normal contact load is deduced. The contact pressure distribution at the interface is obtained through finite element contact analysis. An orthogonal material model is introduced to describe the properties of virtual material. The virtual material is divided into several layers, and the elastic modulus and shear modulus in each sub-layer are derived based on Hooke’s Law. Both experimental and theoretical results for a bolted lap structure are obtained. The experimental results are compared with theoretical ones in terms of qualitative comparison of similar mode shapes and quantitative comparison of corresponding natural frequencies. The comparison shows that the theoretical first three-order vibration mode shapes are in good line with the experimental ones. The relative errors of corresponding natural frequencies between the virtual gradient material model and the experiment are less than 9%, which are smaller than those between the traditional virtual uniform material model and the experiment. The proposed virtual gradient material method would be useful to accurately model the bolted joint in CNC machine tools.     

Elastic dynamic research of high-speed multi-link precision press considering structural stiffness of rotation joints

An elastic dynamic model of high-speed multi-link precision press considering structural stiffness of rotation joints was established by the finite element method. In the finite element model, rotation joint was established by four bar elements with equivalent stiffness, and connected link was established by beam element. Then, the elastic dynamics equation of the system was established, and modal superposition method was used to solve the dynamic response. Compared with the traditional elastic dynamic model with perfect constraint of the rotation joints, the elastic dynamic response value of the improved model is larger. To validate the presented new method of elastic dynamics analysis with stiffness of rotation joints, a related test of slider Bottom dead center (BDC) position in different speed was designed. The test shows that the model with stiffness of rotation joints is more reasonable. So it provides a reasonable theory and method for dynamic characteristics research of sucha multi-link machine.

     

加工中心关键部件的动态特性分析

可分度车削头是加工中心的关键部件,它的动态特性好坏直接影响到机床的加工精度和表面粗糙度.以车削头为研究对象,利用Solidworks实体建模,借助有限元分析软件ANSYS进行模态分析,并采用现有的高精度信号采集仪和测试分析软件进行模态试验.对比这两种不同的模态分析结果,找出了该关键部件的薄弱环节.结合对车削主轴动刚度的测试,为提高机床的动态性能和结构优化提供了有效依据.     

数控机床主轴部件动态优化设计

在对某型数控车床进行空运转、切削及模态试验的基础上，确定了机床主轴部件动刚度薄弱是引起机床切削的结构颤振方面的原因。据此，建立了机床主轴部件的有限元动力学模型，并对主轴部件进行了静、动特性的计算和动态优化设计。     

Effects of preloads on joints on dynamic stiffness of a whole machine tool structure

The machine tool joint is a very important factor in the overall machine tool dynamic analysis, and it has great effects on the machining performance of a machine tool. As a very important operation parameter, preload greatly influences the stiffness and the damping of a machine tool joint. This paper presents the effect of preload on the dynamic stiffness of the spindle nose of a horizontal machining center. By discussing types and distribution of machine tool joints, studies on the joints of ball screws, linear guides and bolts are carried out. The influence of preload on the axial stiffness of a ball screw is calculated based on Hertzian contact theory and the effect of pretightening moment on pressure of bolt joint is discussed, while the dynamic stiffness and the damping of a linear guide are identified by an optimum algorithm with the simulated and experimental results. A finite element model (FEM) of the whole machine tool structure considering the effects of different joints is created and verified against the test results, and then the influence of preloads on ball screws and linear guides is predicted. Results indicate that preloads on machine tool joints have significant effects on the dynamic stiffness of the spindle nose.     

数控落地铣镗床滑座的模态分析及优化

车床床身是整台机床的基础和支架,其振动和刚度影响着零件的加工精度。利用SolidWorks建模,并运用ANSYS Workbench进行数控落地铣镗床滑座的前6阶模态分析,得到滑座的固有频率、振型及动态特征;在保证车床静刚度的前提下,提出3种优化方案,对优化前后的模型进行对比分析,找出最优方案,为车床的设计提供新的思路和方法。     

机床导轨结合面动刚度参数修正优化

目前,有限元方法已经广泛应用于机床分析及优化设计之中,有限元模型的准确性会对静动态分析产生巨大的影响,模态试验测试方法可以用于检验并修正模型。以某数控雕铣机为分析对象,将模态试验与有限元计算相结合,基于模态试验的动态参数测试结果,利用ANSYS Workbench有限元分析软件进行多目标优化设计,修正导轨结合面刚度参数,使矫正后的有限元模型更为准确地描述机床的动态特性。     

机床整机动刚度薄弱环节辨识与优化方法研究

提出一种机床整机动态分析指导薄弱部件改进的优化思路,即通过对机床整机的动刚度进行分析,辨识出不同激振频率下整机中的薄弱环节,明确优化目标,提高优化效率。利用ANSYS Workbench软件对一种卧式加工中心进行谐响应分析和模态分析,辨识出立柱是整机x向和z向动刚度的最薄弱环节。以立柱结构为优化对象,运用灵敏度分析法计算出立柱质量和固有频率对各个壁板的灵敏度。以立柱固有频率为优化目标,立柱质量为约束条件,建立优化方程。利用Matlab软件求解该方程,得到立柱的优化结果。通过谐响应分析得到优化后机床整机的动刚度,结果表明,优化后立柱在质量不增加的情况下,整机在x向和z向的最大共振峰值降低约6.5%,相应的共振频率提高约10%。