机床动态性能实验方法总结

2024-04-28

机床动态性能实验方法总结（精选3篇）

篇1：机床动态性能实验方法总结

方兵[1]采用力锤对机床的立柱施加激励，通过多次测量求平均值的方法得到频率响应函数，进而采用模态分析系统集成的算法便可估计结构的固有频率，振型等模态参数。

魏要强[2]等采用数控机床自身运动产生的振动为激励源，通过控制运动部件以特定方式空运行，激励起结构的有效振动响应，并结合基于响应信号的模态参数识别方法获得结构的动态特性参数。

杜奕[3]等基于结构实验模态分析技术，对磨床空转及磨削工况的噪声及部分测点的加速度信号进行了拾取分析，初步掌握了磨床工况下加工信号频率范围及峰值随频率分布情况

周莉[4]利用压电传感器和加速度传感器作为前端信号采集装置,通过7700Pulse软件采集激励信号和响应信号,然后应用ME’scope软件进行机床实验模态分析。

张良[5]采用单点激振多点拾振的方法对其进行模态实验分析,得到主轴部件的模态参数,采用Lanczos法对建立主轴箱和主轴有限元模型进行自由模态分析,得到主轴箱和主轴的固有频率和振型参考文献

[1]方兵.精密数控机床及其典型结合面理论建模与实验研究[D].吉林大学,2012.[2]魏要强,李斌,毛新勇,毛宽民.数控机床运行激励实验模态分析[J].华中科技大学学报(自然科学版),2011,39(06):79-82.[3]杜奕.MSY7115平面磨床的实验模态分析及动特性修改[D].昆明理工大学,2002.[4]周莉,李爱平,古志勇,刘雪梅,张正旺.基于实验模态分析的机床动态性能测试[J].中国工程机械学报,2014,12(04):360-363.[5]张良.高性能数控机床主轴部件动态分析与实验[D].重庆大学,2007.

篇2：机床动态性能实验方法总结

一.实验目的1）了解常用机床的总体布局及主要技术性能

2)熟悉常用机床的用途及加工表面特征

3）了解机床主轴箱结构特点，了解操纵机构的工作原理

二.实验内容

1）了解实验室现有机床的名称、用途。

2）理解常用机床的布局，刀具、工件的安装方法。

3）掌握常用机床的运动特点，工件与刀具间运动关系。

三.实验要求

1、写出你在实验室见到的其中至少5种机床名称与型号。

2、分析、比较三种不同类型机床（车床、镗床、钻床）的加工工件特点（主运动，进给运动形式、主要用途，精度等）。

篇3：机床动态性能实验方法总结

机床广泛应用于国民生产的各个领域,是主要的生产加工设备。传统的机床结构设计方法是一种基于技术和经验积累的设计方法,虽然依据分析结果能够初步判断出结构的性能缺陷,但却无法解决结构修改的问题。同时由于缺乏对机床振动、噪声、热变形等动态因素的考虑,使机床无法获得较好的动态特性,不能满足更高的产品质量要求。机床的动态设计,可以在很大程度上解决此类问题。动态设计的特点是把问题解决在产品研发阶段,其优点是比较全面地考虑了机床在实际加工过程中各动态因素对机床动态性能的影响。所以,对机床动态设计技术的研究很有必要[1]。

2 有限元法的能量平衡原理

基于能量平衡的动态优化设计方法在机床上应用很多,但主要应用于集中质量模型中,没有和有限元模型结合起来。因此,本文提出基于有限元模型的能量平衡的动态优化法,对机床动态优化设计进行了初步的研究。

2.1 有限元的能量计算

振动结构的能量计算是结构分析的前提。对于无阻尼振动系统,结构的振动能量主要有势能和动能两种形式,振动结构势能、动能计算的矩阵形式为:

本文以ANSYS有限元分析软件为工具,来研究能量平衡的原理和有限元模型结合过程中的相关问题。

ANSYS中的模态分析属于线性分析,而任何非线性问题,在模态分析中都当作线性问题来解决,所以本文的势能应该按照公式:

来计算。另外,由于在计算过程中,不存在单元应力刚度矩阵,即[Se]=0,因此,单元势能计算公式变为:

2.2 机床能量分布均匀度评价参数

基于能量平衡原理的机床动态特性评价方法[2]的最大优点就是它以能量均匀程度作为指标,在机床动态特性分析过程中不需要涉及到指标之间的贡献系数问题。但该方法也存在着问题:在机床的有限元模型中,由于单元的数目庞大,很难客观、准确地通过单元能量分布情况去比较不同方案间的能量分布均匀程度。因此,找到一种合适、直观的体现能量分布均匀程度的方式是该评价方法的关键。

对于表达机床能量分布均匀程度,我们可以借用均方差,通过计算不同方案对应阶次的各单元能量值,继而得出相应阶次的能量均方差来体现其能量值偏离平均值的程度,以此来分析各改进方案动态特性的优劣性。

对应于机床的势能,其均方差可以表示为:

其中,σr V为机床第r阶势能的均方差,Vi为第i个单元的势能值,为第r阶的势能平均值,i为第i个单元,n为单元数。

同理,机床动能的均方差可以表示为:

其中,σr T为机床第r阶动能的均方差,Ti为第i个单元的动能值,为第i阶的动能平均值,i为第i个单元,n为单元数。

2.3 机床薄弱环节分析方法

薄弱环节的分析,是机床动态设计过程中的一个重要步骤,也是优化设计的前提。目前,主要通过振型来分析机床薄弱环节,但该方法最大的缺点就是无法比较准确地找到薄弱部件上(如立柱)的具体位置。

在有限元能量平衡原理中提到,某单元或结构的能量分布率高,说明它和其他单元或结构相比,其质量过大或刚度过低,是需要改进的单元或结构。通过减小能量分布率高的单元或结构的重量,或者提高其刚度,使结构向能量分布均匀的方向改进。我们可以根据能量分布情况,找出机床中能量分布比较大的区域作为薄弱环节,再根据实际情况对该环节进行改进。该方法的优点在于能够通过能量分布情况,客观、准确地找出薄弱部件的具体位置。但由于能量是标量,不具方向性,因此,在薄弱环节的分析过程中,无法从能量分布情况来判断出机床结构的振动形态(如弯曲、扭转等),增加了修改的盲目性。

因此,本文提出一种以能量平衡为主、振型为辅的薄弱环节分析方法,发挥两种方法的优点,对机床的结构改进具有很大的理论指导作用。

3 理论方法应用

3.1 机床动力学建模

本文以SL-500/HZ超精密平面磨床为研究应用对象。根据适当的修改原则,简化后的磨床的CAD模型如图1所示。在ANSYS中采用Solid45单元对磨床CAD模型进行自由网格划分,并将通过模态试验识别出的各结合面参数应用于有限元模型。整机有限元模型如图2所示。

3.2 磨床的有限元模态分析

对磨床进行有限元模态分析,选取了前六阶理论模态作为分析对象。前六阶模态参数如表1所示。

3.3 磨床的能量及均方差计算

在有限元模态分析的基础上,从ANSYS软件中得到了磨床的前六阶的势能、动能分布情况。仅取前三阶的势能、动能的分布情况如图3～图5所示。

3.4 磨床的薄弱环节分析及结构改进方案

通过观察各阶的势能、动能分布情况,可以得到前六阶势能和动能的最大值,如表2所示。

从表2中可以看出,各阶势能最大值和动能最大值普遍偏大,特别是势能最大值。这表明了该机床能量分布比较分散,均匀度较低,离结构的最优设计还有很大的距离。

结合工程实际,提高机床动态特性的方法是提高磨头-立柱结合面的刚度值;增加拖板-床身结合面上方的拖板处刚度;减小立柱两端以及拖板两端的质量,来减小该处的动能。