数控机床整机动态特性测量技术及其应用项目1:数控机床动力学设计缺陷定位技术研究

机床的动态特性决定了机床切削的能力、机床切削的精度,是影响机床性能最为重要的特性。在加工状态下获得机床整机动力学测试结果,是建立机床数字化虚拟样机、评价机床各主要部件动态性能、发现设计缺陷、结构设计优化和机床性能监测的前提。本项研究基于贝叶斯运行模态分析法(BOMA)对加工状态下的机床整机进行动态性能测试与模态识别,获得整机的模态参数,包括固有频率、模态振型以及阻尼特性等,并对信噪比水平进行评估。通过对模态识别结果进行分析,结合加工过程中机床的动力学测试结果,对机床结构动力学设计的薄弱环节进行精确定位;并进行了相关实验研究,对改进后的机床动力学特性进行了测试,验证了本项研究中方法的有效性。     

直驱型高速立式加工中心设计与静动态特性分析

为实现数控机床高速度、高精度切削加工要求,通过对直线电机驱动单元研究、主体结构设计分析、功能部件测算选型等,设计了直线电机驱动立式加工中心总体方案。通过ANSYS Workbench对立式加工中心的整机进行基于有限元法的静动态特性分析,结果显示:整机主轴端面最大变形量小于0.01mm,最大应力为5.66MPa,因此整机具有良好的刚度和强度;避开前六阶各个模态频率,整机具有较好的抗振性能,能够实现高速精密加工设计要求。     

渐开线斜齿轮传动摩擦动力学耦合研究

综合考虑时变啮合刚度、轴承刚度以及摩擦力等对动力学行为的影响,基于载荷分担理论和动力学、弹流润滑理论,建立12自由度斜齿轮摩擦动力学模型。采用解耦方法求解该摩擦动力学模型,将动力学求解获得的动态轮齿作用力用于润滑分析中,而润滑分析获得的摩擦因数再次用于动力学分析计算中。通过实例研究了齿面摩擦学特性和动力学行为以及两者之间的耦合关系。研究表明:考虑耦合效应后的斜齿轮动态响应与定摩擦因数下的动态响应相比有较大不同,且时变摩擦力对垂直于啮合线方向的动态响应影响尤为显著;动态载荷等对斜齿轮润滑特性影响较大,转速接近共振转速时,动态载荷作用下的油膜厚度、油膜承载比例、油膜温升和摩擦因数分布规律与幅值与稳态载荷相比差异明显。动态载荷对斜齿轮润滑特性以及时变滑动摩擦力对动态响应的影响不可忽略。     

基于广义加工空间及工件效应的超重型机床动态特性分析

针对超重型卧式镗车床广义加工空间的动态响应,建立了基于结合面特性的整机有限元模型,分析了整机在广义加工空间的模态及刚度场特性,并考虑到大型工件本身对整机动态特性的影响,对比分析了考虑大型工件效应的整机动态特性.为优化机床的加工工艺,提高机床加工精度提供了理论支持.     

基于贝叶斯运行模态法的外圆磨床动力学模态参数识别

磨床的动态特性决定了机床磨削的能力、机床磨削的精度,是影响机床性能最为重要的特性。在加工状态下获得机床整机动力学测试结果,是建立机床数字化虚拟样机、评价机床各主要部件动态性能、发现设计缺陷、结构设计优化和机床性能监测的前提。研究基于贝叶斯运行模态分析法（BOMA）对加工状态下的机床整机进行动态性能测试与模态识别,获得整机的模态参数,包括固有频率、模态振型以及阻尼特性等,并对信噪比水平进行评估。     

YKH200数控弧齿锥齿轮铣齿机设计与分析

针对传统机械型铣齿机结构复杂、传动链长、精度差、速度低,无法满足高速、高精度齿轮加工要求的状况,设计了YKH200数控弧齿锥齿轮铣齿机及迈雷特H218i型数控系统,分析该机关键部件结构,采用有限元方法对数控弧齿锥齿轮铣齿机进行静/动态特性仿真分析,并对关键件立柱进行了拓扑结构优化.结果表明:优化后立柱的静刚度与前2阶固有频率比优化前均有所提高,质量减少7.32％.实践证明,该铣齿机采用常规速度切削加工齿轮时,性能稳定,工作可靠.但高速切削加工齿轮时,某些高速切削的工况仍有可能发生共振情况,需进一步提高整机刚度或采用其他方法进行抑振.为进一步提高整机刚度,实现机床在更高切削速度加工齿轮提供参考依据.     

高速龙门加工中心立柱静态设计与动特性分析

立柱静动态特性对机床整机的性能有很大影响,基于有限元设计高速龙门加工中心立柱结构,为保证机床的动态特性,在ANSYS Workbench软件中建立立柱的有限元模型,并分析立柱两种工况的受力,然后对其进行静力学、模态和谐响应性能分析。仿真结果表明:两种工况下立柱的静态刚度和强度、振动特性均能满足设计指标;谐响应分析找出了立柱在激振频率作用下的共振频率。验证了立柱结构设计的合理性,并为有效避开共振频率,实现高速龙门镗铣床的高速度、高精密切削加工提供了理论依据。     

基于加载状态下动态特性预测的高速电主轴结构参数优化方法

电主轴高速运转状态下承受切削载荷时的动态特性对电主轴加工效率和加工质量具有重要且直接的影响,但迄今针对该工况下主轴动态特性的设计方法欠系统深入研究。文中提出了基于加载状态下动态特性预测的电主轴结构参数优化的思想。基于模态理论和有限元法,建立了高速电主轴系统高速状态下受不平衡力和外加载荷的动力学模型;利用该模型定量研究了主轴跨距、电机转子外径等结构参数对电主轴静刚度、临界转速和动态挠曲线的影响规律;提出了具体的参数优化途径,研究证实了所提出优化方法的有效性。     

弹簧-阻尼动力学单元螺栓连接结合面研究

螺栓连接结合面在机床结构中大量存在,结合面的动态特性对机床整机动态性能的影响不容忽视,结合面动态特性的准确分析计算对机床整机动态性能优化设计具有重要意义。在对结合面的研究中,基于ANSYS软件,采用12弹簧-阻尼动力学单元建立结合面的刚度-阻尼模型,并考虑了螺栓连接结合面的影响锥问题,选用软件自带的combin14单元,对三段梁缩小模型进行自由状态下的模态分析。分析结果与实验测试结果有较好的一致性,证明了模型的实用性和准确性。     

发射阶段着陆器及关键机构动力学分析

针对着陆器在发射阶段会经历复杂而恶劣的动态环境,研究了发射阶段着陆器及关键机构收拢状态下的动力学特性。首先基于物理样机模型建立了着陆器、月球车、太阳电池帆板等机构的有限元模型;其次采用MSC.Patran/Nastran对上述着陆器整机模型进行了模态分析,研究了着陆器收拢状态下振动的固有频率及振型;最后,基于发射阶段运载火箭特定激励对着陆器整机特性进行了频响分析。研究结果表明,着陆器发射过程中,振动以着陆腿及太阳电池帆板弯曲振动为主,通过频响分析预测了着陆器收拢状态结构设计薄弱环节,研究结果可为着陆器结构改型及提高可靠性提供设计参考。     

基于有限元的钢爪摩擦焊机床身结构设计及优化研究

针对钢爪摩擦焊机床身结构设计的合理性及静、动态性能较差的问题,在钢爪摩擦焊机满足焊接工艺要求的基本条件下,设计出了钢爪摩擦焊机床身。在对床身结构进行了有限元分析的基础上,以壁板及肋板厚度作为设计变量,以静态特性为目标参数,对壁厚、肋板厚度等设计参数进行了灵敏度分析,得到了各参数对静态特性的影响趋势,根据灵敏度分析结果对初步设计的床身各项设计参数进行了改进;最终得到了改进后的钢爪摩擦焊机床身,并对其进行了有限元分析。研究结果表明:优化后钢爪摩擦焊机床身的静、动态性能都有一定程度的改善,并且其质量也有所降低。     

齿面摩擦和啮合刚度对双渐开线齿轮传动动态特性的影响研究

针对双渐开线齿轮传动动态特性问题,通过建立双渐开线齿轮的有限元模型,综合考虑齿面摩擦与齿轮啮合刚度二因素,对双渐开线齿轮传动系统进行了有限元模态分析,运用响应曲面法研究了齿面摩擦与齿轮啮合刚度对双渐开线齿轮振动变形和模态频率的影响;选取不同模态阶数对双渐开线齿轮传动系统进行了动态特性研究,分析了不同模态阶数下双渐开线齿轮的振动变形与模态频率变化状况。研究结果表明,随着齿面摩擦因数与齿轮啮合刚度的增加,不同模态阶数下双渐开线齿轮传动系统各阶振动变形与模态频率均显著增加,齿面摩擦与齿轮啮合刚度对双渐开线齿轮传动动态特性有一定影响,在对齿轮传动系统进行动态特性研究时,必须对齿面摩擦与齿轮啮合刚度进行充分考虑。     

基于ADAMS的5000kN专用摩擦焊旋转夹具的动态仿真研究

旋转夹具是摩擦焊机的重要组成部分,用于夹紧焊接过程中的旋转部件,并与移动部件摩擦产热达到焊接的目的,其动态性能与焊接质量密切相关。基于Solid Works和ADAMS软件,对该摩擦焊机旋转部件建模并进行仿真研究,分析其动态特性,提出改进建议,研究结果具有很强的参考性和实用价值。     

基于COSMOSXpress的定梁龙门加工中心静刚度分析

针对龙门加工中心产品设计中缺少部件及整机刚度参考值问题,通过对一种龙门加工中心的模型设计进行COSMOSXpress有限元分析和计算,获得了机床主要部件的静刚度参数,在此基础上求解了整机加工刚度参数K和整机部件的刚度分配比例ε。刚度参数为龙门加工中心的刚度设计提供了定量参考,求解过程为同类机床的刚度分析提供了一种简捷可行的方法。     

主轴—刀柄结合面刚度建模方法

为建立高速旋转状态下的主轴—刀柄结合面刚度模型,提出了经典弹性理论和吉村允孝积分法相结合的半解析方法,求解在高速旋转状态下的主轴一刀柄结合面刚度.采用文献[2]的实验数据验证了该方法的有效性.在此基础上建立了在高速旋转状态下的主轴—刀具耦合系统的动力学模型.采用基于Riccati变换的整体传递矩阵法,对主轴—刀具耦合系统的动态特性进行了分析.考察了主轴转速软化结合面刚度因素对系统动态特性的影响.通过对比说明,高速旋转产生的离心力对主轴—刀具耦合系统的动态特性有较大影响;所提的计算模型和方法可以实现高速旋转状态下的主轴刀柄结合面刚度的求解.     

基于磁流变液辅助支撑的弱刚度零件铣削加工研究

设计了一套基于磁流变液特性的自适应式柔性辅助支承装置,可用于提高复杂曲面弱刚度零件的加工精度,通过Comsol利用有限元法进行装置磁场仿真,确定其磁场强度大小,建立基于磁流变效应的弱刚度工件铣削加工与夹具系统装夹定位模型,对辅助支撑作用下的定位约束模型进行分析,计算静态下工件变形量,研究装置对工件加工质量的影响。搭建基于磁流变辅助支承铣削加工试验平台,在不同电流参数的条件下进行弱刚度零件铣削加工,使用Labview平台采集系统对切削信号数据进行采集分析,并测量铣削加工表面粗糙度,结果表明,磁流变辅助支承作用下,弱刚度工件表面相较于无支撑状态振动幅度相应降低了46.9%～75.7%,表面粗糙度约降低69.89%～80.61%。     

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。     

飞刀铣削中高速气浮电主轴转子动态特性研究

在实际的加工过程之中,加工表面的质量会由于转子振动而降低.多种作用力可导致转子振动,这些作用力包括不平衡磁拉力、加工过程中产生的切削力以及由于质量的不平衡分布导致的离心力.为深入分析这一问题,开展了气体静压轴承电主轴高速飞刀铣削过程中的转子动态特性研究.考虑上述作用力建立了一个五自由度的转子动力学铣削模型,并给出了不平衡磁拉力的计算公式;轴承的平移刚度、平移阻尼、角刚度和角阻尼的计算公式采用线性摄动法推导得出.转子动力学方程采用牛顿-欧拉方程推导得出,并利用特征方程、系统初始条件、阻抗法、状态空间模型等条件进行求解.对转子在空切削、不连续切削下的动态特性进行了数值仿真.研究发现,空切削时,转子形心的运动轨迹随运动状态变化,平稳状态时,在径向方向呈现为规则的圆形;切削过程中,主轴转子的振动特性受到转子质量偏心引起的离心力和周期性的切削力的共同影响.     

精密数控内圆复合磨床结构动态特性分析

数控内圆复合磨床因其高精度、高效率而广泛用于轴类零件的精加工阶段,其结构动态特性关系到工件的加工质量,所以在磨床设计阶段运用有限元方法对其展开动态特性分析与改进设计显得十分重要。针对用于加工大尺寸的机床主轴零件的WX-2015精密数控内圆复合磨床展开结构动态特性分析与改进设计:1)利用Pro/E软件和ANSYS软件建立磨床的有限元模型,基于赫兹接触理论计算带滚珠丝杠的滚动直线导轨结合部的刚度,并将其施加到磨床的有限元模型中。2)对整机进行模态分析与谐响应分析,并展开滚珠丝杠与滚动直线导轨选型与安装方式对磨床动态特性影响的讨论。     

渐变刚度钢板弹簧的非线性有限元分析

针对传统的钢板弹簧设计计算方法难以考虑钢板弹簧实际的工作状况,综合考虑钢板弹簧实际工作过程中的大变形、各簧片及垫片之间的接触和摩擦等非线性因素,基于有限元分析方法对某汽车后悬架渐变刚度钢板弹簧的刚度及强度特性进行分析。其刚度及强度试验结果表明,考虑非线性因素后建立的钢板弹簧有限元模型精度比较高。在模型验证精确的基础上,利用瞬态动力学分析方法求解钢板弹簧在简谐载荷激励下的动态响应,获得其动态特性随激励载荷频率与幅值的变化规律。该建模方法能有效地模拟钢板弹簧实际工作状态,可为钢板弹簧结构进一步的优化提供前提。