第3章车铣加工中心动态特性的仿真与实验的研究

车铣加工中心需要具有良好的动态特性和加工精度，以满足现代 机械加工工艺要求，因为机床加工过程的稳定性和加工精度，是评估机 床动态性能的主要指标。机床切削时的振动和变形直接影响加工质 量，因此提高稳定性是改善机床动态性能的主要途径。随着现代设计 方法的广泛应用，对机床进行振动特性分析，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。现代制造业要求高精度、低粗 糙度的高自动化精密机床，设法提高机床的动态性能，减少和避免振动 的发生，保证机床在额定功率范围内使用时都不会发生振动，这是机床 产品的一项重要研究内容。但要使其在各种工况下都具有优良的动态 性能，目前还有较大困难。除了技术性的问题，由于生产周期缩短，很 难建立一个物理样机，这就导致必须要有一种方法来预测未来产品的 机械性能。采用虚拟样机仿真的方法和实验模态分析结构动态特性， 可以进行优化设计，从而提高产品设计性能、缩短设计周期^74091。

本章在第2章基础上分别对机床的关键部件和整机进行动态特性 仿真分析，然后在仿真结果基础上做了相应的实验以验证该方法的可 行性，因此为高档数控机床的动态优化设计提供参考依据。其机床车 削主轴和铣刀主轴作为机床的关键部件对机床的动态性能有非常重要 的影响，关系到机床设计开发的成败。机床的激振特性是动态特性的 一个重要指标，主要是指其抵抗受迫振动及自激振动的能力。由于切 削振动频率往往接近于车削主轴和铣刀主轴部件的低阶固有频率，可 以认为主轴前端切削部件激振点的动柔度反映r主轴部件的抵抗振动能力。采用理论动力学建模和有限元分析的方法可以实现对机床关键 部件的仿真分析，然后通过虚拟样机技术对整机进行分析，预测机床的 动态性能和实现优化设计，因此对车铣加工中心迸行动态特性仿真和 实验是非常有意义的。

3. 1 车铣加工中心动态特性的研究

机床的动态特性是非常重要的，因为加二过程中机床的振动极大 地妨碍加工精度和生产率的提高。机床的振动将加速刀具的磨损和破 裂，引起加工表面质量恶化，并有可能引起机床主轴支撑轴承的损坏。 机床动态特性的优劣主要是从机床结构抗振性和切削稳定性的角度出 发来分析，用传统的动力学分析及优化方法对机床的质量、刚度和阻尼 分布进行优化或修正，可以在一定程度上改善其动态性能，在考虑动态 因素的结构修改时，是以经验和反复实测为主要手段。振动分析作为 动态分析的一个重要方面已经在工程领域中口益被重视，已经成为进 行机械设计、制造和机器使用过程中的内容。作为振动工程 理论的一个重要分支，模态分析或试验模态分析为各种产品的结构设 计和性能评估提供了一个强有力的工具。其可靠的实验结果往往作为 产品性能评估的有效标准，而围绕其结果开展的各种动态设汁方法更 使模态分析和谐响应成为结构设计的重要基础。

3.1.1机床动态特性的研究内容及方法

机床动态特性的研究包括了动力分析和动态设计两个主要部分的内容。

动力分析就是在已知系统的动力学模型、外部激振和系统工作条件的基础上分析研究系统的动态特性。对机床而言，其动力分析主要指机床抵抗振动的能力。和其他的机械结构一样，机床振动也是结构弹性体振动的问题，研究内容包括机床结构的固有频率及其相应的振型和强迫振动时的响应等静、动态特性的计算。动力分析问题进行了 58 多年的研究，已经形成了比较完整的理论，出现了能适用于不同情况的 各种分析计算方法，即使是比较复杂的系统，其动力分析也可以得到比 较准确的结果。动态设计是根据设计要求，建立系统的数学模型，在设 计过程中寻求一个经济、合理的结构，动态优化设计比动力分析更复 杂，但两者之间是互相联系的。W此，对机床进行动力分析即振动分析 是十分必要的"_8]。

机床结构动态特性的研究方法大体可以分为理论研究方法、实验研 究方法和理论、仿真、实验相结合的研究方法:理论研究方法是按照设计 图纸，建立机床结构的动力学模型，根据这个模型进行分析、综合和计 算，边分析边改进设计，逐步达到预先给定的设计要求；实验研究方法是 对机床的具体机构进行动态测试，根据测试数据进行动力分析，找出限 制机床动态性能提高的薄弱环节为改进设计提供依据;两种相结合的方 法是以测试数据为基础，建立机床结构的力学模型，再根据这个力学模 型进行动力学分析和动力学设计，这样做可以预测改进设计的效果，有 效地达到改进设计的目的。下面就这三种方法进行简单介绍。

(1)理论研究方法:这是早期的理论研究方法，是用简单梁元素连 接集中质量，建立机床结构动力学模型的方法，并计算出了与实测值比 较一致的固有频率和振型。这种方法的问题在于如何用简笮合理的力 学模型来模拟复杂的机床结构，而且在进行复杂结构的动力学分析时， 精度比较低。但是，这样可以缩短产品的研制周期，降低研制费用。

(2)实验研究方法:实验模态分析技术是通过系统辨识理论进行 分析的。模态分析理论把理论分析和动态测试结合起来，实验模态分 析技术的发展推动了出实验数据建立系统动力学模型方法的发展，是 一种很实用的技术。此外，由于实验只能提供结构系统有限几个低阶 模态，并且实验模型不便于将模态参数转化为实际可以修改的结构尺 寸参数，因此，单单靠这种方法进行机械结构的优化设计是不现实的。

(3)综合研究方法：随着计算机技术的发展，人们将有限元法和模 态分析技术有机地结合起来，发挥各向的长处，以得到能确切反映实际 动态特性分析技术。利用测试得到的较准确的模态参数来修正理论模型，使修正后的理论模型能够确切地模拟结构的动力特性，在这样的动 力学模型基础上进行分析和优化设计，就能够充分发挥理论分析的作 用。在这个基础上进行仿真，优化和评价其结构，最后釆用实验验证其 理论和仿真的可行性。所以这种方法是、最准确的方法，本章就 采用该方法对车铣加工中心进行动态特性分析。

3. 1. 2模态分析原理

车铣加工中心在不同的方向上有多个自由度（MuhiDegree Of Free- dom，MDOF)，直接对其进行模态分析比较难。由于铣刀相对于加工工 件表面之间的振动是非常重要的，因为它影响工件的最终表面质量、被 切除切肩的厚度和激励机床的切削力。因此可以先以两个自由度系统 模态分析原理为例，然后扩展为机床多个自由度。

不论在机械的哪一点测量，得到的传递函数及其分母值均应相同， 但分子不同。对于线性系统，传递函数矩阵是对称的，即利用 模态矩阵特件和传递函数的对称性就足以得到完整的模态矩阵。利用 计算机中的模态分析软件可以测量的频域传递蜗数矩阵数据?转换 成数字计算形式。这些频率是系统的同有频率，然后系统用分母具有 (2 x〃）阶多项式对数据进行曲线拟合。传递函数中包含系统的所有 动力特性参数，但取得传递函数后，还需要进行模态参数识别，即将实 测的传递函数数据与理论的传递函数公式进行曲线拟合，才可以得到 系统的固有频率、阻尼比和振型这些模态参数。

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