機床動態(tài)特性測試與優(yōu)化設計開題報告

研究生（選題）報告立式銑車床性能測試與仿真優(yōu)化TOC\o"1-5"\h\z學 號：姓 名：專 業(yè)：指導教師：院（系、所）：華中科技大學研究生院TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"一課題的來源、目的、意義，國內(nèi)外概況和預測 3\o"CurrentDocument"1.1課題來源 3\o"CurrentDocument"1.2課題研究背景，目的及意義 3\o"CurrentDocument"1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 4\o"CurrentDocument"二預計的研究內(nèi)容和達到的要求、技術(shù)指標，預計的關(guān)鍵技術(shù)、技術(shù)方案 5\o"CurrentDocument"2.1預計的研究內(nèi)容 5\o"CurrentDocument"2.2擬達到的技術(shù)指標 6\o"CurrentDocument"2.3預計關(guān)鍵技術(shù) 6\o"CurrentDocument"2.4預計技術(shù)方案 6\o"CurrentDocument"三前期工作 9\o"CurrentDocument"四參考文獻 10\o"CurrentDocument"五課題的研究進展計劃 12\o"CurrentDocument"現(xiàn)有的條件、人員（姓名、職稱）及主要設備情況 136.1人員配置 136.2主要設備情況 13\o"CurrentDocument"指導教師評語、教研室審查意見 14一課題的來源、目的、意義，國內(nèi)外概況和預測1.1課題來源與武漢重型機床集團有限公司合作的技術(shù)開發(fā)項目。1.2課題研究背景、目的及意義當今世界，工業(yè)發(fā)達國家對機床工業(yè)高度重視，競相發(fā)展機電一體化、高精、高效、高自動化先進機床，以加速工業(yè)和國民經(jīng)濟的發(fā)展。長期以來，歐、美、亞在國際市場上相互展開激烈競爭，已形成一條無形戰(zhàn)線，特別是隨著微電子、計算機技術(shù)的進步，數(shù)控機床在20世紀80年代以后加速發(fā)展，各方用戶提出更多需求，四大國際機床展早己成為各國機床制造商競相展示先進技術(shù)、爭奪用戶、擴大市場的焦點。中國加入WTO后，正式參與世界市場激烈競爭，今后如何加強機床工業(yè)實力、加速數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)發(fā)展，實是緊迫而又艱巨的任務。隨著世界科技進步和機床工業(yè)的發(fā)展，數(shù)控機床作為機床工業(yè)的主流產(chǎn)品，己成為實現(xiàn)裝備制造業(yè)現(xiàn)代化的關(guān)鍵設備，是國防軍工裝備發(fā)展的戰(zhàn)略物資。數(shù)控機床的擁有量及其性能水平的高低，是衡量一個國家綜合實力的重要標志。加快發(fā)展數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)也是我國裝備制造業(yè)發(fā)展的現(xiàn)實要求。根據(jù)中國機床工具工業(yè)協(xié)會組織用戶調(diào)查表明，航天航空、國防軍工制造業(yè)需要大型、高速、精密、多軸、高效數(shù)控機床;汽車、摩托車、家電制造業(yè)需求高效、高可靠性、高自動化的數(shù)控機床和成套柔性生產(chǎn)線；電站設備、造船、冶金石化設備、軌道交通設備制造業(yè)需求高精度、重型為特征的數(shù)控機床;制造業(yè)、生物工程等高技術(shù)產(chǎn)業(yè)需求納米級亞微米級超精密加工數(shù)控機床;工程機械、農(nóng)業(yè)機械等傳統(tǒng)制造行業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級，特別是民營企業(yè)的蓬勃發(fā)展，需要大量數(shù)控機床進行裝備。國民經(jīng)濟可以被看成是一部巨型的從資源到產(chǎn)品及服務的轉(zhuǎn)化器，生產(chǎn)這個轉(zhuǎn)化器的就是機械制造業(yè)，機械制造業(yè)為國家重點建設提供成套技術(shù)設備，是關(guān)系國計民生、涉及國家經(jīng)濟安全的產(chǎn)業(yè)。各個工業(yè)化國家經(jīng)濟發(fā)展的歷史表明，沒有強大的機械制造業(yè)，就不可能實現(xiàn)國民經(jīng)濟的工業(yè)化、現(xiàn)代化和信息化。當今數(shù)控機床的發(fā)展，除了要求機床重量輕、成本低、使用方便和具有好工藝可能性外，還著重要求機床具有愈來愈高的加工性能。所謂機床的加工性能，主要是指機床的加工精度、加工質(zhì)量和切削效率等方面的指標。為了提高機床的加工性能，在設計上除了合理配置機床部件和控制系統(tǒng)以外，還應盡可能提高機床的靜剛度和動態(tài)性能。機床的動態(tài)性能包括機床在運轉(zhuǎn)狀態(tài)下的振動、噪聲及熱變形情況.對于普通數(shù)控機床而言，其切削過程中的抗振性和穩(wěn)定性是最受用戶關(guān)注的。機床在加工過程中的振動，無論是強迫振動還是自激振動過大，都會降低機床加工的精度和表面質(zhì)量，影響機床加工效率的發(fā)揮。因此，現(xiàn)代機床的發(fā)展，越來越重視對機床結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的研究。機床結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性主要包括振動固有頻率、阻尼比和振型。由于機床結(jié)構(gòu)是多自由度系統(tǒng)，必然存在多個具有特定固有頻率、阻尼比和振型的模態(tài)。試驗模態(tài)分析是一種在頻域內(nèi)研究結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的方法，其特點是理論分析與測試實驗密切結(jié)合，運用模態(tài)參數(shù)識別技術(shù)得到機床結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率、阻尼比和振型，從而為機床動態(tài)特性的深入研究、分析機床動態(tài)薄弱環(huán)節(jié)及機床結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計提供科學的依據(jù)。1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國內(nèi)對機床整體動態(tài)特性的研究的現(xiàn)狀：1、對整機進行機床靜剛度試驗，機床抗振性即動剛度試驗（1） 昆明理工大學杜弈試驗方法對MSY7115平面磨床的動態(tài)性能研究，用相對激振法激振和穩(wěn)態(tài)正弦共振激勵法，分別得到砂輪與工件接觸點處的幅頻特性圖和磨床的各階模態(tài)振型。（2） 廣西大學陳文鋒，毛漢領對MXBS-1320型高速外圓磨床的動態(tài)性能使用脈沖激振法進行了試驗研究，得到磨床前幾階模態(tài)的頻率和振型圖，尋找出機床振動的薄弱環(huán)節(jié)和主要振源，并提出一些機床改造的措施。2、對主要零部件進行有限元分析，優(yōu)化零部件結(jié)構(gòu)的設計（1） 東南大學和無錫機床股份有限公司對內(nèi)圓磨床M2120A床身結(jié)構(gòu)進行有限元分析，得到床身前幾階的固有頻率和振型，分析床身的內(nèi)部筋板布置對結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的影響。（2） 上海理工大學李曉燕對MK7150平面磨床的床身用有限元法進行靜剛度分析，找出影響機床加工精度的床身發(fā)生最大變形的部位。國外，機床結(jié)構(gòu)的動力學修改和動態(tài)優(yōu)化設計等方面的研究發(fā)展很快，普遍采用有限元法對機床部件及整機進行動態(tài)特性分析，并已用于高速機床的開發(fā)和研究中。西班牙M.Zatarain用有限元對立柱移動式銑床進行模態(tài)分析。采用Nastrain和T-deas兩種商用軟件，建立包括床身、立柱、頭架及它們之間的滾動導軌結(jié)合部在內(nèi)的整機模型，并進行了模態(tài)分析，可以通過幾種方案的比較，選擇其中較合理的結(jié)構(gòu)。韓國科學技術(shù)高級學院JungDongSuth和DaiHillLee用有限元法分析高速機床的主軸外殼的阻尼特性，并用有限元法對高速銑床的滑塊結(jié)構(gòu)進行分析，得到一種新型的夾層復合結(jié)構(gòu)，不僅減輕質(zhì)量，還提高了它的阻尼系數(shù)。綜上所述：要準確的預測機床的動態(tài)性能，就必須對機床部件進行動力學分析。用有限元方法是研究機床動態(tài)性能的有效手段。因此用有限元法機床的動態(tài)性能是開發(fā)和設計機床的趨勢。目前，由于對機械系統(tǒng)動態(tài)性能研究的理論分析方法和試驗方法均有一定的局限性，故可將兩種方法結(jié)合起來，相互取長補短，形成理論和試驗相結(jié)合的分析計算法，是當前機床動態(tài)性能分析與研究中較為經(jīng)濟有效的途徑。利用試驗模態(tài)分析結(jié)果校驗，補充和修正原始有限元動力學模型。利用修正后的有限元模型計算結(jié)構(gòu)的動力特性，再進行優(yōu)化設計。用這種方法可以在機床及圖樣設計階段通過建模，仿真，分析，修改，優(yōu)化，就能準確預測其動態(tài)性能。二預計的研究內(nèi)容和達到的要求、技術(shù)指標，預計的關(guān)鍵技術(shù)、技術(shù)方案2.1預計的研究內(nèi)容采用有限元方法對主軸、主軸箱進行模態(tài)分析，得到主軸、主軸箱的模態(tài)頻率和振型，為進一步理論分析得到有效數(shù)據(jù)；采用有限元法對主軸和立柱等主要部件進行靜力分析，得到主軸和立柱靜態(tài)特性；應用模態(tài)試驗測試軟件LMSTEST.Lab，對銑床關(guān)鍵部件如主軸、主軸箱等進行模態(tài)實驗分析，得到其固有頻率和阻尼比，并與計算結(jié)果進行對比分析，證明建立的有限元模型是合理的。并根據(jù)分析的結(jié)果，提出幾種改進方案；(4)利用ANSYS工程分析軟件對銑床立柱部分進行結(jié)構(gòu)參數(shù)化優(yōu)化設計，根據(jù)優(yōu)化分析結(jié)果，改進原立柱的結(jié)構(gòu)，對改進后的立柱結(jié)構(gòu)進行靜、動態(tài)分析，并通過對比分析得出最佳方案，以達到提高機床的加工性能的目的。2.2擬達到的技術(shù)指標消除結(jié)構(gòu)對振動的薄弱環(huán)節(jié)；算出主軸最佳轉(zhuǎn)速，避開共振轉(zhuǎn)速；通過優(yōu)化設計盡量減輕關(guān)鍵部件的重量，降低體積；為該型銑車床的設計提供定量的仿真數(shù)據(jù)和理論依據(jù)，促進機床開發(fā)周期的縮短和性能可靠性的提升。2.3預計關(guān)鍵技術(shù)測試試驗中傳感器與拾振器的布置；數(shù)據(jù)的處理分析；建立反映實際結(jié)構(gòu)的計算模型；確定結(jié)構(gòu)載荷條件和邊界條件；機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計。2.4預計技術(shù)方案2.4.1鋌床主軸、主軸箱的計算模態(tài)分析為了從理論上得到主軸、主軸箱的固有頻率，利用軟件對其進行模態(tài)分析，得到箱體的固有頻率和振型，為后面的結(jié)構(gòu)改進打下基礎。模態(tài)分析過程由4個主要步驟組成，即建模、加載和求解、擴展模態(tài)，以及查看結(jié)果和后處理。建立模型。即指定單元類型、定義單元實常數(shù)、輸入材料屬性、建立幾何模型和有限元模型等。加載和求解。它完成的主要工作包括定義分析類型、指定分析選項、施加邊界條件、設置載荷選項、進行固有頻率求解等。擴展模態(tài)。再次進入求解器、激活擴展處理及相關(guān)選項、制定載荷選項、開始擴展處理、退出求解器。查看結(jié)果和后處理。模態(tài)分析的結(jié)果，即模態(tài)擴展的結(jié)果寫到結(jié)果文件中，其結(jié)果數(shù)據(jù)包括結(jié)構(gòu)的固有頻率、已擴展的振型、相對應力和力分析等。對主軸、主軸箱進行計算模態(tài)分析，得到其理論上的固有頻率。由于低階是主要動力學分析的重點，擬只截取前十階，與之后的模態(tài)實驗得到的結(jié)果進行對比分析。2.4.2銑床主軸模態(tài)實驗分析實驗采用LMS-Test.Lab軟件進行數(shù)據(jù)采集。（1） 預實驗其目的是檢驗各種實驗方案的有效性，以便選取最合適的實驗方案，同時驗證動力特性的預算結(jié)果，以便合理地布置測點，選擇比較理想的激勵點。（2） 激勵方式、激振點與拾振點位置的確定激勵方式：對于任何能夠引起系統(tǒng)結(jié)構(gòu)振動的信號都可以作為信號。對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行動態(tài)模態(tài)分析，激勵設備一般為激振器和力錘。力錘激勵測試系統(tǒng)具有設備少、試驗效率高，測試設備簡單，不會帶來附加質(zhì)量，不會影響系統(tǒng)的動態(tài)性能等優(yōu)點。但由于力錘信號的激勵能力主要集中在短時間內(nèi)，容易引起連擊、過載以及非線性問題，一般只適用于零件、輕型、小型機械結(jié)構(gòu)的激振試驗。對于主軸箱等大型機械結(jié)構(gòu)則采用激振器與信號發(fā)生器相結(jié)合來進行激勵。為了能夠順利的進行模態(tài)參數(shù)識別并獲得較高精度的頻響函數(shù)，一般對激勵信號有以下要求：激勵信號應該包含足夠的頻率成分，有足夠的幅值水平；在結(jié)構(gòu)存在微小非純屬因素時，有一定的抗干擾能力。正弦激勵信號作為至今最有使用價值也是最經(jīng)典的一種測試信號，在進行測試時，給機械振動結(jié)構(gòu)施以一定的穩(wěn)態(tài)正弦激振力，激振力的頻率精確可調(diào)，在激振力的作用下，系統(tǒng)產(chǎn)生振動，然后精確地測量不同頻率下的激振力信號及各測點響應的信號，通過分析軟件進行分析得出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。穩(wěn)態(tài)正弦激勵可分為單點激勵和多點激勵兩種方法。單點激振所用的設備少，測試方便；多點激振所用的設備多，測試時要調(diào)節(jié)各點的激振力，使其按一定的規(guī)律變化，因而測試工作比較困難。綜上，本實驗擬采用單點激勵，多點拾振，即單輸入多輸出法，利用正弦函數(shù)信號對主軸箱進行單點激勵。激勵點：關(guān)于激勵點的選擇主要考慮兩個原則：a，應盡可能避開各階模態(tài)的節(jié)點和節(jié)線位置，從而能夠激起盡可能多的模態(tài)；b，應使各測點響應信號足夠大，使各測點信號有良好的信噪比。拾振點：拾振點的選擇也應遵循兩個原則：a,各拾振點的連線能勾勒出主軸箱的輪廓形狀；b，對于感興趣的結(jié)構(gòu)部件可以將拾振點布置得更密一些。（3） 采集前設置根據(jù)傳感器布點位置，在測試軟件上通過建立節(jié)點、線、面建立幾何模型。在通道設置頁設置通道，使各傳感器與通道一一對應，輸入各傳感器靈敏度。將幾何模型中各節(jié)點導入到其對應的通道。激振，根據(jù)顯示結(jié)果設置各通道量程。設置觸發(fā)時間、帶寬，選擇窗函數(shù)。（4） 數(shù)據(jù)采集以上各項都設置好后，對選定的激振點進行激振，同時進行數(shù)據(jù)采集。同一方案，采集多組數(shù)據(jù)。（5） 實驗結(jié)果分析打開模態(tài)分析板塊，對采集的數(shù)據(jù)進行模態(tài)分析。選擇感興趣的帶寬，設置分析階次進行計算，通過自動選擇極點功能選擇極點。再應用軟件計算出各階振動模型。最后計算各階模態(tài)相關(guān)性，以判斷數(shù)據(jù)的有效性。機床動態(tài)特性中起主要作用的是少數(shù)低階模態(tài)，只要能精確地測試和識別出這些模態(tài)參數(shù)，就可較精確地反映機床結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性。識別出主軸的模態(tài)參數(shù)后，建立模態(tài)模型，用圖形顯示結(jié)構(gòu)的振動形態(tài)，根據(jù)結(jié)構(gòu)的實際使用情況，找出薄弱的環(huán)節(jié)，為結(jié)構(gòu)動力修改提供可靠的信息。同時，根據(jù)共振頻率，計算出其臨界轉(zhuǎn)速，為機床的轉(zhuǎn)速設置提供理論依據(jù)。2.4.3銑床主軸箱實驗模態(tài)分析對主軸箱采用同樣的方法進行模態(tài)實驗。2.4.4銑床主軸和立柱等主要部件的靜力分析主軸和立柱的靜剛度是數(shù)控機床重要的參數(shù)之一。在靜剛度值低的情況下，會出現(xiàn)撓度增加，變形加大，影響加工精度等問題。因此，對主軸和立柱進行靜力分析，得到主軸和立柱靜剛度，掌握其靜態(tài)特性是十分必要的。2.4.6銑床立柱的優(yōu)化設計首先，根據(jù)立柱的結(jié)構(gòu)，運用Pro/E軟件對立柱進行三維建模，然后輸入ANSYS進行有限元分析；其中在建模過程中，為了避免造成在有限元風格劃分時出現(xiàn)過密風格，從而導致計算速度緩慢，可以將模型中的一些小結(jié)構(gòu)，如小孔、小凸臺等簡化。前處理：創(chuàng)建實體模型以及有限元模型。包括創(chuàng)建實體模型，定義單元屬性，劃分有限元風格，修正模型等。加載并求解；在求解前進行分析數(shù)據(jù)檢查，包括單元類型和選項、材料性質(zhì)參數(shù)、同一的單位；材料類型的設置，質(zhì)量特性等等。通過這些設置，計算機即可進行處理分析數(shù)據(jù)，從而得出立柱的動態(tài)特性和靜態(tài)特性。后處理：可以通過它來觀看整個模型在某一時刻的結(jié)果，或在不同階段、子步上的結(jié)果。根據(jù)分析的結(jié)果進行一定的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從滿足頻率約束以及剛度約束的結(jié)構(gòu)中系統(tǒng)地刪除低效率材料來獲得結(jié)構(gòu)的基頻約束，剛度約束，重量最小化等。三前期工作2012年8月2日，與項目組一起赴廣州東方電氣公司，對一重型龍門鉆床進行模態(tài)實驗。測得其前七階固有頻率及對應阻尼比。分析了鉆床振動的薄弱環(huán)節(jié)及需改進的地方。如圖為軟件自動拾取極點位置。下圖為所獲取的前七階固有頻率及其阻尼比。模態(tài)階數(shù)固有頻率(Hz)阻尼161.3386.39%287.9794.22%3170.6374.55%4188.1783.17%5256.6622.03%6360.7423.09%7386.3011.29%參考文獻林建龍，項輝宇.模態(tài)分析與實驗.清華大學出版社⑵ 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