搜索
分类号：TH164单位代码：11232密级：工程硕士综述论文机床结构动态性能研究综述学院：机电工程学院工程领域：机械工程学号：2014020062作者：宋杰指导教师：王科社教授完成日期：二〇一五年四月十八日机床结构动态性能研究综述摘要：为提高数控机床的加工性能,其必须拥有良好的结构静、动态性能。本文阐述了机床结构动态性能的研究范围，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，论述国内外机床结构动态性能的研究现状并进行分析，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OverviewoftheresearchaboutdynamicperformanceofmachinetoolstructureAbstract:InordertoimprovethecapacityofNCmachinetool,itmusthaveexcellentstaticanddynamicproperty.Inthisdissertation,firstdescribesthestudyscopeofthedynamicperformanceaboutmachinestructure.Thenreviewstherecentdevelopmentsrelatedtothedynamicperformanceaboutmachinestructurefromthewholemachinetooldynamics,thekeypartsdynamicsandthejointpartsdynamics.Andtheshortcomingsofthedynamicperformanceaboutmachinestructureandfutureresearchsuggestionsarepointedout．Keywords:thewholemachinetooldynamics;thekeypartsdynamics;thejointpartsdynamics0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，除了要求机床成本低、重量轻、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[1]。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。通过文献调研，文章重点选取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机床结构动态性能研究现状1.1整机动态性能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，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]；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]；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，最后再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[4]。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。天津大学张宪栋等人以龙门式模具加工中心的方滑枕部件为例，运用有限元分析软件Ansys对方滑枕结构进行变量化分析。结合方滑枕在加工中心中的结构和运动特点，提出几种方滑枕结构的改进方案，通过Ansys中的静态和模态分析，对比其分析结果，做出最后的结构改进方案[5]。天津大学满佳等人结合抑制轴承外圈沟槽超精研机四杆机构产生的受迫振动，和对床身、工件箱和床鞍等部件结构改进以减小弧齿锥齿轮铣齿机切削时产生的自激振动的工程实例，研究了综合利用实验模态分析、有限元分析和运动仿真等技术对机床结构动态分析与改进的方法[6]。围绕有限元与实验结合的方法，文献[4]采用子结构法，验证了有限元实体模型的正确性，并进一步分析了整机动力学性能；文献[7]优化了机床的动态性能并提出了利用灵敏度分析对修改方案进行取舍的方法。针对动态性能研究中整机到部件这一思路存在分析修改周期长的缺陷，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[8]。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[4]。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60%～80%[9]。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，其中对主要组成部分的研究最具代表性。一些学者以机床立柱或者床身作为研究对象。广东工业大学王英乾等人采用静、动态相结合的方法对微纳机床的立柱进行分析,首先对立柱的连接螺栓施加预紧力的条件下对立柱进行静力学分析,在此基础上对机床进行模态分析和谐响应分析,研究立柱在磨削力的作用下的磨削点和工件之间的动态刚度[10]。兰州理工大学王富强等人提出床身的几种典型筋板布局方案并对其进行分析,以床身结构固有频率为优化目标,从中选取合理的筋板布局型式；然后提取床身的典型元结构并进行结构优化设计,找出合理的结构优化参数；最后以元结构优化结果为依据,提出该床身结构的优化方案,并对方案进行分析[11]。更多学者将主轴-轴承作为整体进行研究。东北大学张耀满等人采用弹簧模拟轴承支承,运用仿真和实验对比的方法，研究了弹簧的组数、弹簧的布局角度对主轴-轴承系统动态性能的影响[12-13]。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[14]。1.3结合部动态性能根据精密数控机床结构特点，将机床结合部分为传动结合面和固定结合面，并对传动结合面中的轴承结合部和滚珠丝杠结合部以及固定结合面中的床身立柱结合面做详细的分析和讨论。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[15]，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。在20世纪中期的时候，科学家们发现机械部件的静刚度和振动情况与结合部有很大的关系，因此开始对结合部进行研究。其中包括结合部的刚性和阻尼、等效模型、参数确定、动力学分析以及机械结构系统建模和动态特性的影响各个方面。而结合部影响的关键因素是结合部刚度和阻尼机理。经过30多年的研究，人们从许多方面对结合部研究做了大量工作，并未曾中断进行试验测试和理论分析，对于存在机械形式中的典型结合部的原理进行了一系列研究，也取得了一些研究成果。但这些研究对结合的说明大多只处于其表现出来的特性，而对于其本质上的原理的还无法说明。由于现阶段结合部问题的理论还不够完善，对结合部性能的模型的建立只能采用参数识别的方法来进行等效和模拟。这种在结合部中表现出来既有变形又消耗系统能量的情况，针对这种性质，学者们采用弹簧和阻尼器等效出结合部的动力学模型。这是当前对结合部建模运用最广泛的方法。因此，结合部等效问题关键在于弹簧阻尼的布置方式、弹簧刚度和阻尼系数的计算问题。当前对结合部的参数识别的方法主要有:理论计算法、试验测试法和理论计算与试验测试结合法。(1)理论计算法。对各种典型的结合部，通过理论分析和动态测试，获得各种特性参数，进而建立分析计算表达式和对应的特性参数的数据库。这种根据研究所得出的形式，经过简化后由表达式可计算出等效参数。吉村允孝对机床的结合进行了研究。通过进行试验测试，测得了各种情况下的结合的等效刚度和阻尼，获得了在单位面积正压力下，结合部不同结合条件的等效刚度和等效阻尼数据图表，提出了根据结合面正压力的大小确定单位面积的刚度和阻尼，通过对面积的积分而得到结合面的等效参数[16]。(2)试验测试法。用试验的方法对结合部进行测试，在试验中测得各种数据，以此来确定结合部的等效动力学参数。由于理论计算的方法还未成熟，因此这种方法被人们所看重。但此方法还不够完善，只能获得改进的方向，由于存在条件限制，每改进一次都需要用新的样机来试验测试。张宇通过频响函数识别法，识别X8140万能工具铣床导轨、螺栓等结合部的动力参数[17]。张学良通过测出机械结构的传递函数，对其变换后求得传递函数逆矩阵，最终建立了识别结合面参数的目标函数，这种方法适用于复杂模型[18]。陈新等在之后的研究中，继续对结合面参数识别做出了修正。通过修正消除由于局部形状复杂和结构连接参数不准确的误差，并得出了修正算法[19]。(3)理论计算与试验测试相结合法。对结合部参数即有理论分析，又进行试验测试，在这两者的结合下，取两种方法的优点联合进行研究，这样便形成了理论计算和试验相结合的方法。该方法不但有理论分析的作用，而且有试验测试的可事实性，是结合部等效动力学参数识别中较为好的方法。Inamura和Sata提出一种参数识别方法，首先对结构离散化，简化结合部建立系统动力学模型，通过对结构系统进行动态试验，获得系统的各阶特征值和特征向量，将系数矩阵变换，最后求得结合部参数。只要建立起含结合部系统的动力学模型以及已有系统的实物，就可以采用此方法建立识别结合部的等效动力学参数方程[20]。刘晓平、徐燕生等人采用有限元法对机械结构进行模态，通过对比模态分析结果和试验测试结果，获得了结合面的参数[21]。2总结与展望几十年来国内外学者对整机以及关键部件的动态性能进行了大量的研究，形成了一些成熟的方法，并找到了影响整机及关键部件动态性能的诸多因素；但有些方法也存在着理论模型预测不够准确等问题。若要对机床整机和关键零部件的动态性能继续研究，可以从以下几个方面入手：1)尽可能减少各类假设条件，将非线性和实际工况融入机床动态性能理论模型，提高理论模型预测的准确性；2)机床结构动态性能研究的目的是分析机床动态性能对最终加工精度的影响，而目前机床结构动态性能的研究局限于结构的模态和动刚度，因此应该加强动态性能与最终加工精度关系的研究；3)将可靠性理论引入到机床动态性能分析的实验中，采用概率统计的方法提高动态性能实验的可靠程度。目前人们对结合部动态性能的研究主要是采用实验和构建数学模型的方法。结合部实验对实验设备要求较高，为获得准确可靠的实验数据，还需要实验人员具有丰富的模态实验经验；而构建的数学模型往往比较复杂，并且计算结果与实验数据存在较大差距。未来结合部的研究工作可以从以下几个方面考虑：第一，深入对结合部机理的研究，建立起能够准确预测常见结合部典型工况下的数学模型，同时建立起完善准确的动态参数数据库；第二，着力于将结合部的研究成果应用于实际生产，尤其是应用于含有复杂结合部结构的动态性能的计算和预测，进而对结构动态性能进行优化；第三，将新思想和新方法引入到结