机床结合部特性的理论解析及应用

对机械结构的结合部特性进行了理论解析,从基本的动力学方程出发,推导出单平面结合部静位移与结合部受力之间的关系,进而转换为静刚度的表达式;并基于一个振动周期中某方向的输入能量与阻尼消耗的能量相等的概念,推导出单平面结合部阻尼的表达式。将机械结构中的多平面结合部,看成是多个单平面结合部的组合,而将回转结构等效为正多面体。由此,在机床结合部结构形式、受力大小确定的条件下,可以计算出结合部的等效结合刚度和阻尼。为了在机床整机动力学建模中融合结合部的特性,给出刚性结合和柔性结合两种情况下的协调方程。通过对XK712B立式镗铣床的整机建模和计算,并与试验结果进行比较,结果表明,综合静刚度相对误差的绝对值小于5%,固有频率相对误差的绝对值小于9%。将结合部特性融合到机床整机模型中,可以更精确地预测机床整机的综合静动态特性。     

基于结合面基础特性参数的机床导轨结合部动态特性解析分析

导轨是机床的最重要功能部件之一,由于其具有滑动特性,因此也是机床整机动态特性中最有影响的结合部之一。本文以结合面的基础特性为基础,研究了机床导轨结合部的动态建模解析方法,并将其应用机床整机动态特性解析,为机床整机动态特性解析中结合部参数的确定提供了一种方法,并为机床图样设计阶段预测整机动态特性开辟了道路。     

基于结合面基础特性参数的机床导轨结合部动态特性解析方法

导轨是机床的最重要功能部件之一,由于其具有滑动特性,因此也是机床整机动态特性中最有影响的结合部之一.本文以结合面的基础特性参数为基础,研究了机床导轨结合部的动态建模解析方法,并将其应用于机床整机动态特性解析,为机床整机动态特性解析中结合部参数的确定提供了一种方法,并为机床图样设计阶段预测整机动态特性开辟了道路.     

机床导轨结合部的动态特性解析方法及其应用

基于结合面动态基础特性参数,研究了机床导轨结合部动态特性的建模解析方法,并将其应用于机床整机动态特性解析,为机床整机动态特性解析中结合部参数的确定提供了一种方法,使机床图样设计阶段预测整机动态特性成为可能。     

整机结构混合建模方法研究

提出基于动力边界元的混合建模方法研究整机结构的动态特性.通过对整机结构混合建模过程分析和结合条件的处理,采用动静态基本解,将结合部特性通过域内项合理地引入整机结构中,直接推导出整机结构边界动力学方程,高效地建立起相应的动力学模型.通过给出的算例和相应的动力学实验,结果表明文中的建模解析方法具有较好的精度和效率,在满足一定精度的要求下可以实现高效的计算.     

一种螺栓结合部刚度四点等效方法

螺栓结合部是机床结构中应用最普遍的固定结合部之一,直接影响着机床整机性能。应用有限元软件分析机床整机结构性能时,为了保证计算精度,需要精细划分螺栓结合部网格,导致计算规模大、耗时,因此探索简单有效的机床螺栓结合部有限元模型的处理方法具有重要意义。基于实验获取结合面基础特性参数,通过解析方法得到螺栓结合部中每个单元螺栓结合部的六项刚度,然后基于刚度等效原则将每个单元螺栓结合部等效成对称分布的四个弹簧单元,给出了等效弹簧刚度及位置的计算方法,在机床整机结构有限元分析时,以等效弹簧单元代替单元螺栓结合部,直接将其等效刚度代入有限元模型求解,可大大简化有限元计算模型。实验验证该等效方法是可行的。     

机床导轨结合部动态特性的有限元分析方法

基于动态的结合面基础特性参数,研究了机床导轨结合部特性的有限元建模方法,并将其用于机床整机的动态特性分析,为机床整机特性分析中结合部特性参数的确定提供了一种方法,使机床在图纸设计阶段预测整机特性成为可能.首先给出了结合部单元的建模方法,然后通过一个实例,说明了该方法的有效性.     

机床动力学建模的拓展传递矩阵法

针对现代高性能数控机床动力学建模与优化问题,提出一种适合机床动态分析的拓展传递矩阵法,该方法将机械系统划分为刚体、柔体和结合面三类元件,并以矩阵的形式给出元件数学模型.而整机的动力学模型则是由这三类元件组成的复杂网络,应用状态矢量传递思想对元件网络进行整合,最终得到用一个高维矩阵表示的整机模型,求解该高维矩阵能够方便地得到整机的动态特性.最后应用该建模方法对数控机床中一种直线电动机驱动进给功能部件进行动力学建模与分析,给出该功能部件频响函数的仿真与试验对比,并作了相应的分析.分析表明该方法对于数控机床整机的建模、动态特性分析具有很好的建模精度.该方法简化机床动力学的建模过程,更适合于工程应用.     

考虑结合部耦合的结构梁的边界元解析方法研究

机床结合部是影响机械系统性能的关键因素之一,对机床的静态、动态和热态性能有很大影响。以机械系统中最常见的基本结构形式-梁单元及其结合部为对象,研究了结合部理论与边界元法有机结合的静态特性解析方法。基于结合部理论分析了结合面接触压力、接触变形、接触刚度之间的非线性关系,建立了考虑结合部接触刚度的边界元梁与梁、梁与边界的系统耦合解析模型,将结合部接触刚度纳入边界元解析的子结构中,使其与机械系统的元件进行合成,将结合部接触刚度作为机械系统的解耦收敛条件进行迭代,解决了机械系统与结合面结合问题的耦合并利用边界元法开发了专业的结合问题解析软件,解析结果表明,采用边界元法对于柔性结合部的处理比较方便,在柔性结合部的部件或整机性能预测方面具有明显优势。     

基于边界元法的混联数控机床整机结构动态特性解析

基于边界元法研究混联数控机床整机结构动态特性的解析和建模方法。首先采用粱单元、集中质量单元、弹簧单元及结合部单元建立混联机床整机结构动力学模型，基于边界元方法建立各单元的动力学方程式，通过单元合成方法推导出混联数控机床整机结构动力学方程，用频率扫描法得到整机结构的固有频率。基于所建立混联机床结构动态特性解析方法，开发相应的整机动态特性解析软件，实验证明，所建立混联机床整机动态特性解析方法及开发的软件是可靠的，不仅可以为混联数控机床加工过程中回避薄弱位姿状态提供依据，而且可以为混联数控机床的结构设计提供理论依据，对提高混联数控机床的设计水平具有重要意义。     

机床结合部动力学建模与辨识方法的研究

针对机床结合部动力学建模与辨识过程中对子结构间耦合关系与内部激振对外部响应影响考虑不充分问题,采用频响函数矩阵建立完备的机床结合部动力学理论模型;基于力学平衡条件和位移兼容条件推导了辨识方程,提出一种新的动力学辨识方法;辨识过程中融入了子结构间耦合关系,将难测频响矩阵作为中间变量抵消,避免使用难以测量频响或估算难以测量频响所引入的方程误差。在此基础上,将辨识方程拓展至整个测量频段,构建包含辨识关系的矛盾方程,通过最小二乘法求解确定了结合部的等效动刚度,建立了结构的有限元模型。为验证方法的正确性与可行性,基于LMS试验平台进行了现场试验,获得了良好的试验效果;与缩减维度、忽略内部激振作用的建模方法进行了对比分析,结果表明本文方法具有更好的预测性。     

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。     

混联虚拟轴研抛机床的多柔体动力学研究

为了在自由曲面的弹性研抛中 ,获得稳定的动力学特性和加工效果 ,开发了一种由“3轴并联 + 2轴串联”构成的新型 5自由度混联虚拟轴研抛机床。采用柔性多体系统动力学方法 ,建立了基于Lagrange方程的空间刚 柔耦合动力学模型 ;考虑研抛机床整体的刚性运动与各支链弹性变形间的相互作用及耦合 ,将机床的各个支链和平台看作独立子结构 ,建立各自的动力学方程 ,根据子结构之间的约束关系建立了系统约束动力学方程 ;通过动力学仿真分析 ,获得了较稳定的动力学特性     

基于PATRAN的机床结构快速动力学建模系统的开发

对机床固定结合面进行了研究,建立了机床固定结合部单元。在有限元软件PATRAN平台上,用PATRAN的二次开发工具PCL语言开发了机床结构快速动力学建模系统,利用DMIG数据卡片将实验数据输入到有限元软件PATRAN中,实现了有限元理论模型和实验模型的结合,提高了机床有限元建模的效率和精度。


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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.     

新型3T2R龙门式混联机床动力学模型

提出了一种以能实现沿X、Z轴平移和绕X、Y轴转动的新型并联机构2-RPU2-UPS作为主体,辅以能实现主体Y轴滑动的直线导轨来共同实现五坐标联动加工的一种新型龙门式混联机床的机构设计方案。运用螺旋理论分析了该机床实现3T2R运动原理,计算出该机床的自由度,进行输入选取与论证,并进行机床机构奇异分析,提出减少奇异的参数设计条件。建立该机床的位置反解数学模型,推导出了该机床的速度雅可比矩阵和加速度分析表达式,求解了该机床的位置反解、速度和加速度。基于虚功原理和该机床的运动学模型建立该机床的动力学模型,并采用Adams软件对该机床动力学进行模拟仿真,模拟结果表明理论结果完全正确。     

机械结合部单元静态变形分析研究

整机是由许多通过结合部连接的构件组成的整体,而螺栓结合部是机床设计中的主要问题之一。螺栓结合部的结合状态比较复杂,研究过程和方法也相对复杂。结合面的研究首先从结合面的静态特性开始。该文首先简要介绍了影响结合部静态特性的主要因素及接触理论,并通过非线性接触表面层理论对螺栓结合部的接触变形进行了解析计算,为整机结合部的静态特性分析提供了边界条件。     

机床—主轴耦合系统动力学建模与模型修正

复杂精密零件的加工对机床装备的性能不断提出新的挑战。为了保证零件加工精度,有必要在设计阶段对机床整机的动态特性进行精确预测和评估。以机床主轴系统为研究对象,介绍一种机床—主轴系统耦合动力学模型,并指出该模型中存在结合面动态特性参数的辨识问题。为了修正该耦合模型,提出一种基于频率响应函数的有限元模型修正技术。采用包含平动自由度(Degree of freedom,DOF),转动DOF以及平动与转动耦合DOF的刚度矩阵来描述结合面的动态特性,通过测量结合面处的动态响应数据,辨识出高速主轴与机床之间结合面的刚度参数,从而达到模型修正的目的。试验结果表明,修正后的机床—主轴耦合模型反映出了机床结构对主轴动态特性的影响,能较好地预测主轴安装到机床上以后的动态特性,从而为高性能机床的数字化设计与制造提供理论依据。