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《机械模态分析与实验》作业---机床结构动态性能研究综述刘康康研1402NO.2014020068机床结构动态性能研究综述刘康康（北京信息科技大学机电工程学院，北京100192）摘要--阐述了机床结构动态性能的研究现状及范围，从整机动态性能、关键部件动态性能，以及结合部动态性能三个方面进行论述分析给出具体实例，并给出了进一步研究的建议。关键词:整机动态性能；关键部件动态性能；结合部动态性能Abstract--Thispaperexpoundsthepresentsituationofthestudyondynamicperformanceofmachinetoolstructureandthescope,keycomponentsfromthemachinedynamicperformance,dynamicperformance,dynamicperformanceandtheintegrationofthreeaspectsdiscussesanalysisofspecificexamples,andgivesSuggestionsforfurtherresearch.KeywordsThemachinedynamicperformanceThedynamicperformanceofkeypartsIntegrationofdynamicperformance0引言社会生产中数控机床的使用范围越来越广，生产对机床的要求也越来越高，除了要求机床重量轻、成本低、使用方便和具有良好的工艺可靠性外，还要求机床具有良好的加工性能。事实证明，随着机床加工性能的不断提高，对机床结构动态性能的要求也随之增加。本文在对机床结构动态性能进行研究时，将机床结构动态性能定义为机床整体或者机床某子结构在动态力作用下所表现出的性能，包括模态、阻尼和动刚(柔)度等。经过大量的文献调研，围绕机床结构动态性能的相关研究，并在分析与总结的基础上进行归纳，同时提出进一步研究的建议。本文根据阐述的需要以及鉴于结合面对机床结构动态性能分析的重要性，将机床结构动态性能分为整机动态性能、关键部件动态性能以及结合部动态性能三个部分进行分析【1】。1机床结构动态性能研究现状机械结构的动态特性问题早在30年代就引起人们的重视。但目前，机械动态设计仍然是正在发展中的一项新技术，涉及现代动态分析、计算机技术、产品结构动力学理论、应用数学、设计方法学等众多学科范围，还没有形成完整的动态设计理论，方法和体系，许多问题尚需进行深入广泛的研究。不论是国内还是国外，动态设计都还处在初级阶段，许多高层次动态设计问题正在研究过程中。正因为如此，目前大型高速旋转机械屡屡发生毁机事故，由于这些事故多数是在强非线性、强藕合的条件下发生的，因此，近来国内外科技工作者对这些机械的动态设计十分重视。动态设计已经从一般的动态设计向更高层次的方向发展，即向非线性、高维、多参数的研究方向发展。这就要求设计者用更新和更深的理论、方法与技术进行设计，这必然会给动态设计带来相当的难度。目前国内外对机械设备的动态设计十分重视，机械系统的非线性动力学问题是国际上研究的热点，许多原来认识不清的问题，现在可以用非线性动力学理论与方法来解决。因此，对重大机械装备进行高层次的动力学设计，引入与采用非线性动力学理论与方法。这是十分必需的。60年代，随着振动实验技术的发展，以及机械阻抗测试了迈和频率特性分析的问世，使结构频率响应函数测试成为可能。70年代发展起来的快速傅立叶变换技术及有限元分析技术，实现了机械结构的实验建模和理论建模;80年代末，机械机构的动杰设计得到了发展。目前机械结构动态设计研究的重点，是将作为动态分析重要手段的实验模态分析技术和有限元分析方法同迅速发展的计算机辅助设计技术有机结合起来，以便进一步发展和完善机械结构动态设计技术。在此基础上，对机械结构进行优化设计。现代加工技术日益向着高速、大切削量的方向发展，这就要求所设计的机床具有高速、高刚度、高精度的优良性能。为了适应生产线的快速可重组性，现代数控机床对地基的要求越来越弱，或者根本就不需要特殊的地基;数控机床加工中的振动不仅产生噪音，还将严重响应零件加工表面的质量。这样，为《机械模态分析与实验》作业---机床结构动态性能研究综述刘康康研1402NO.2014020068了保证应有的加工质量，必须使数控机床，尤其是机床床身，具有极好的动、静刚度。由于我国数控机床结构动态设计技术和手段落后，仿制国外产品成功率低，使我国高性能数控机床的设计技术与发达国家有较大的差距随着汽车工业、航天制造业等行业的发展，对大型模具加工中心、高速加工中心的需求量愈来愈大。要想提高数控机床的性能，必须以科学的方法进行结构设计。概括目前机床动态研究领域的内容，可知设计阶段预测机床的动、静刚度问题尚未解决，而数控机床的静、动态性能关系到机床加工精度、效率、振动等问题，是目前研究的热点【2】。1.1整机动态性能机床是机械制造工业中最基本的设备。随着国民经济的发展，人们对机床提出了越来越高的要求，其中最基本的问题就是要提高机床的工作性能，而机床的工作性能是与其动态性能紧密相关的。随着现代设计方法的广泛运用，对机床进行动态特性分析，用动态设计取代静态设计已成为现代机床设计发展的必然趋势。机床是由多个部件组成的复杂组合结构,各部件之间结合部的动态参数对整机动态性能的分析精度产生的影响很大，特别是在动态分析中，各零部件之间结合部的接触参数对动态性能的解析计算精度影响很大，因此要准确预测机床的动态性能,应该将机床作为一个整体进行分析。目前对整机动态性能的研究主要有以下三种思路:1)从整机的模态分析入手，通过分析模态参数,确定薄弱部件,进而对薄弱部件进行分析和再设计,达到提高整机动态性能的目的，这种思路即是从整机到部件的思路2)在对整机进行动态性能分析的同时，选定一些关键部件，并对这些关键部件进行动态性能分析和再设计，这种思路即是整机与部件并行的思路。3)先将整机分解成不同的子结构，然后对各子结构进行动态性能分析和再设计，最后在考虑结合部参数影响的情况下分析整机的动态性能，这种思路即是从部件到整机的思路。整机到部件的思路在整机动态性能的研究中运用得最为广泛。一些学者通过有限元建模对整机进行模态分析，进而确定机床的薄弱部件；鉴于动态实验能够准确地进行模态参数的识别以及为动态优化提供准确的数据，很多学者以实验为中心进行整机动态性能的研究【3】。南京理工大学的夏玲玲等人以KVCIOSON立式加工中心为研究对象，建立了其整机有限元模型，重点研究了机床结合面特性的等效处理，分别计算了柔性联接和刚性联接两种模型的整机模态，对比两者的计算结果，研究了结合面特性对机床动态性能的影响【4】。西安交通大学的刘弹针对传统机床整机动态性能测试架构高成本、可测对象单一、分析方法有限等问题，提出一种基于反射的对象关系映射与插件技术的机床整机动态性能测试架构，该架构可降低测试成本、扩展测试对象和分析接口方法的种类。基于该架构实现对西门子840D系列数控系统的圆测试、主轴测试、通用轴测试和恒速轴测试等测试与分析。通过对比实验验证了该系统的测试效果和完整性【5】。经过有限元分析和动态测试实验确定整机薄弱环节后，往往存在多种可修改方案，一些学者提出整机和部件并行的思路，有效地缩短了动态性能研究修改的周期。长春工业大学关英俊等人运用这一思路进行了整机动态刚度实验和有限元仿真，在较短的时间内得出了机床动态性能。动态性能研究中部件到整机的思路即是先使关键零部件动态性能满足设计要求，从而确保整机的动态性能符合要求。此时结合部动态参数准确程度将决定该方法的准确性【6】。沈阳机床的赵进等人进行了机床整体系统振动特性分析，用有限元计算方法对新研发的产品整机进行动态性能估计，掌握机床加工区域的的振型及固有频率。在该数控机床完成安装后对整机进行振动模态测试，把实验得到的模态参数与有限元计算得到的进行对比。结果表明，有限元模型的振型与实验基本一致。可以对研发的新产品进行动态特性预估分析【7】。1.2关键部件动态性能随着机床转速和加工精度的不断提高，企业对机床结构动态性能也提出了更高的要求，如果无法保证关键部件的动态性能，那么整机的动态性能也将无法保证。研究表明，中型车床各个部件的动态性能均反映在刀具与工件切削处的综合位移中,主轴部件的影响最大:未处于共振状态时主轴部件的影响占总影响值的30%～40%，共振状态时主轴部件的影响占总影响值的60%～80%。可见对机床关键部件动态性能的研究具有非常重要的意义。目前对机床关键零/部件的研究范围非常广泛，其中对《机械模态分析与实验》作业---机床结构动态性能研究综述刘康康研1402NO.2014020068主轴系统的研究最具代表性。北京工业大学的张飞等人以某机床集团自主研发与设计的大型龙门铣床为研究对象,对铣床较高转速下出现的振动异常现象及影响铣床动态性能的关键部件(摆角铣头与滑枕)进行了探究。铣床在转速较高的条件工作时,其关键件摆角铣头出现明显的振动异常现象,就此对摆角铣头传动系统进行了阶次分析,发现引起振动异常的原因是传动系统中通过齿轮轴连接的两齿轮发生调至现象所引起的强迫振动,连接轴存在严重的不平衡。并且提出与关键件第一阶固有频率重合的强迫固有振动所对应的工作转速,工作时应尽量避免在此转速下工作【8】。中国科学技术大学王硕桂等人以滚动轴承静力学和滚道控制理论为基础，研究了多种因素对轴承滚珠与内圈及外圈的接触刚度、轴承径(轴)向刚度和角刚度的影响，并编写了相关的计算程序【9】。天津大学的钱叶昶对三门峡车床主轴,以改善主轴动态特性、提高机床加工性能为研究目的,借助有限元分析软件ANSYS,研究了主轴轴承刚度、轴承预紧力及轴承跨距对机床主轴动态特性的影响规律。为进一步研究机床综合动态特性、实现对数控机床加工性能的正确评估和开发数控机床综合动态性测试系统,提供了一定的理论基础【10】。西安交通大学田久良等人建立了主轴轴承系统的热力耦合模型，研究装配过盈量、温升和离心效应等因素对轴承变形和刚度的影响，并通过有限元法和模态实验进行对比验证。为了更好地模拟主轴系统的实际工况，一些学者将主轴轴承夹持装置刀具作为整体来研究其动态性能【11】。1.3结合部动态性能机床的振动是影响现代数控机床加工精度以及生产效率的主要原因之一。随着数控设备自动化程度的不断提高以及高速切削和超精加工的迅速发展，都要求必须对振动产生的原因和过程进行深入的研究。而机床的振动与结合部的非线性特性有着重要关系。机床结合部很大程度上影响了整机的动力学特性，机床中结合部接结合部动态性能对被连接系统动态性能的影响很大，对于由多个部件组成的机床更是如此。研究表明:机床静刚度的30%～50%由结合部刚度决定,机床上出现的振动问题有60%以上源自结合部，机床阻尼有90%以上来源于结合部,因此开展机床结合部动态性能的研究，对提高整机动态性能具有极其重要的意义。1998年02期20世纪50年代,前苏联学者开始对机床的结构振动特性及其影响因素开展了研究之后,各国学者相继开始对结合部进行研究。相对结合部的静态性能而言，其动态性能的研究要困难得多，主要体现在以下两个方面：其一，结合面不是一个独立的动力学单元，它只能存在于机械结构中；其二，结合面自身的阻尼与它所处的结构系统中其他结构的阻尼往往处于同一数量级。几十年来，众多学者从不同方面研究了结合部的动态性能。一些学者以实验为出发点，研究结合部的动态性能。张学良等人对结合面动态性能参数的理论及获取方法进行了深入的研究，提出了用于获取具有通用性的结合面动态基础性能参数实验装置的设计原则和对结合面动态基础性能参数影响因素的处理方法等【12】。日本学者堤正臣对螺栓结合面进行动态实验，定性地分析了结合面阻尼产生的原因，经过进一步研究认为结合面间的微观滑移是结合面切向阻尼产生的原因【13】。中国石油大学赵宏林等人从基本的动力学方程出发，利用一个振动周期中某方向输入能量与阻尼消耗能量相等的特点，得出了单平面、多平面结合部的阻尼