機(jī)床隔振裝置設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)【畢業(yè)設(shè)計(jì)】

1、<p>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)</p><p><b>　?。ǘ?屆）</b></p><p>　　機(jī)床隔振裝置設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動化 </p>&l

2、t;p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號 </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　環(huán)境振動以及

3、地面反饋給機(jī)床的振動，不僅會引起機(jī)床本體的振動，而且更重要的是會引起切削刀具與被加工零件間的位置變化，最終影響加工零件的質(zhì)量。在機(jī)床切削加工中，廣泛應(yīng)用的振動被動控制技術(shù)，不需要外界能源，裝置結(jié)構(gòu)簡單，減振效果與可靠性較好。本文以被動隔振裝置運(yùn)用于小型精密機(jī)床為目標(biāo)，設(shè)計(jì)分析了該機(jī)床的固有特性，以數(shù)值計(jì)算和動態(tài)性能測試等為手段，通過對機(jī)床被動隔振特性分析測試，實(shí)現(xiàn)機(jī)床振動有效控制。在測試了機(jī)床模態(tài)參數(shù)（固有頻率、阻尼比和振型圖）的基礎(chǔ)上

4、，通過實(shí)驗(yàn)測量了JG1-2型橡膠減振器、RM型橡膠減振器、橡膠減振墊以及青島愛博瑞公司生產(chǎn)的AGS-53A和SAGS-53A型彈簧阻尼減振器的隔振效果及它們的工作頻率。經(jīng)過測試，這些減振器都能夠有效的進(jìn)行隔振。</p><p>　　關(guān)鍵詞：被動隔振，精密機(jī)床，動態(tài)分析，實(shí)驗(yàn)</p><p>　　The design and experiment of machine's vibra

5、tion isolation device</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The vibration of ambient and ground ,not only cause the vibration of machine body ,but more importantly ,change the situation

6、between tools and the machineing parts .Finally , the quality of machineing parts' would be inferior .The widely used passive control technologies in cutting ,no power ,simple structure ,work well and excellent reli

7、ability .This article based on the used of passive vibration isolation device and Small precision machine tool as goal ,designs and analyses inherent feature </p><p>　　Keywords: Passive Vibration Isolation，P

8、recision-machined Tool，</p><p>　　Dynamic Analysis， Experiment</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p>

9、;<b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1課題研究背景及意義1</p><p>　　1.2國內(nèi)外被動減振研究成果2</p><p>　　2機(jī)床振動和隔振原理及測試技術(shù)5</p><p>　　2.1機(jī)床動態(tài)性能的研究方法5</p><p>　　2.2機(jī)床振動測試技術(shù)6&

10、lt;/p><p>　　2.3機(jī)床的切削振動分析8</p><p>　　2.3.1 振動產(chǎn)生的原因8</p><p>　　2.3.2 振動的影響8</p><p>　　2.3.3 防止和減小振動的措施9</p><p>　　2.4隔振原理的理論分析9</p><p>　　2.3 本章小結(jié)

11、11</p><p>　　3機(jī)床特性及振動測試方案12</p><p>　　3.1機(jī)床被動減振測試系統(tǒng)的組成12</p><p>　　3.1.1 測試系統(tǒng)的構(gòu)建12</p><p>　　3.1.2 測試方案說明13</p><p>　　3.2 儀器的選擇14</p><p>　

12、　3.2.1 傳感器14</p><p>　　3.2.2 激振器14</p><p>　　3.2.3 被動阻尼器15</p><p>　　3.2.4 數(shù)據(jù)采集儀17</p><p>　　3.3 本章小結(jié)18</p><p>　　4機(jī)床特性及被動減振測試分析19</p><p&g

13、t;　　4.1機(jī)床模型19</p><p>　　4.2機(jī)床特性實(shí)驗(yàn)分析20</p><p>　　4.3 減振器對機(jī)床實(shí)際減振效果測試21</p><p>　　4.4 減振器在測試平臺上的測試結(jié)果25</p><p>　　4.4.1 減振墊26</p><p>　　4.4.2 JG1-2減振器27<

14、;/p><p>　　4.4.3 RM型減振器28</p><p>　　4.5 本章小結(jié)30</p><p><b>　　5總結(jié)與展望31</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)32</b></p><p>　　致謝錯(cuò)誤!未定義書簽。</p>&l

15、t;p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1課題研究背景及意義</p><p>　　根據(jù)前兩年的權(quán)威資料表明，我國的機(jī)床產(chǎn)業(yè)正在飛速發(fā)展，在2005年的時(shí)候，我國的金切機(jī)床產(chǎn)量機(jī)床產(chǎn)量45萬臺，為“十五”初的2.4倍；鍛壓機(jī)床產(chǎn)量63萬噸，是“十五”初的2.4倍。2005年機(jī)床工具全行業(yè)工業(yè)總產(chǎn)值1260億元，是“十五”初期的2.5倍，平均年

16、增長約26%，其中金屬加工機(jī)床產(chǎn)值達(dá)到了51億美元，總體經(jīng)濟(jì)規(guī)模已超過意大利，躍居世界第三位。其中，數(shù)控機(jī)床產(chǎn)值從“九五”末的4.9億美元增加到“十五”末的21.8億美元，年平均增長34.8%。數(shù)控金切機(jī)床的產(chǎn)量從“九五”末的1.4萬臺增加到“十五”末的6.0萬臺，年均增長達(dá)到33.5%。數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量占全部金切機(jī)床的比重同時(shí)由7.3%增長到2005年的13.3%。同時(shí)，數(shù)控機(jī)床出口占機(jī)床出口比重逐年上升，2005年達(dá)到28.2%，比20

17、01年上升了13個(gè)百分點(diǎn)。今年1～5月，金屬加工機(jī)床出口4.2億美元，同比增長54.1%，數(shù)控機(jī)床出口金額達(dá)1.34億美元，同比增長75.8%。從這些數(shù)據(jù)來看，我國已經(jīng)步入了世界機(jī)床制造業(yè)的前列。[1]</p><p>　　但是數(shù)量并不代表質(zhì)量。我國私人性質(zhì)的小型加工車間占據(jù)了國家制造業(yè)的半壁江山，因?yàn)槭撬饺诵再|(zhì)的，不了解當(dāng)今科學(xué)發(fā)展的速度，對新生產(chǎn)的材料、機(jī)器不關(guān)心，無法及時(shí)跟上時(shí)代的腳步，而且注重產(chǎn)品的產(chǎn)量多

18、于產(chǎn)品的質(zhì)量，從而形成了薄利多銷的惡性循環(huán)，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量下降，以至于在世界的舞臺上逐漸失去了同外國企業(yè)競爭的能力。雖然現(xiàn)有的數(shù)控機(jī)床不論是在加工精度上還是加工功能上已經(jīng)達(dá)到了非常高的高度，但是其價(jià)格也達(dá)到了前所未有的高度。普通的機(jī)床在價(jià)格上能夠讓大多數(shù)人接受，但是在性能上就差強(qiáng)人意了。</p><p>　　普通機(jī)床的性能之所以不是很強(qiáng)勁，就是因?yàn)榫冗_(dá)不到要求。而影響機(jī)床加工精度的要素主要有一下幾個(gè):刀具、振動、

19、各種誤差等等，其中振動是比較重要的一個(gè)因素。由于電機(jī)的激勵(lì)，刀具和工件的沖擊等各種因素都會產(chǎn)生振動，通過床身傳遞到地面，再從地面反饋到機(jī)床，使機(jī)床產(chǎn)生變形影響刀具定位，主軸晃動使得工件產(chǎn)生跳動，這些最終將在加工工件的精度和表面粗糙度上表現(xiàn)出來。</p><p>　　隨著科技的發(fā)展，機(jī)床行業(yè)面臨著高精度、高速度、高效率和被切削材料多樣化的要求，對零件的加工質(zhì)量的要求也越來越高。尤其對于超精密數(shù)控機(jī)床使用金剛石刀具進(jìn)

20、行超精密切削時(shí)，要求機(jī)床工作極其平穩(wěn)，振動極小，否則很難保證獲得較高的加工精度和超光滑的表面質(zhì)量。因此，減振就成為超精密加工中保障加工質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)之一。[2]</p><p>　　因?yàn)槲覈膰橄拗疲茈y在短時(shí)間內(nèi)將所有機(jī)床更新?lián)Q代，所以只能夠在現(xiàn)有機(jī)床的基礎(chǔ)上改善加工環(huán)境，而最為直接的方法就是增加減振裝置?，F(xiàn)有的減振裝置主要有三種，主動減振器，半主動減振器，被動減振器。主動和半主動減振器在價(jià)格上較高，而且我國

21、現(xiàn)有的大多數(shù)加工企業(yè)不需要有非常高的精度，所以并不需要加裝主動或者半主動減振器。這兩種減振器在目前情況下能夠發(fā)揮其最佳效果的地方還是超精密機(jī)床和一些高檔的機(jī)床。被動減振器在價(jià)格上非常便宜，而且隔振效果較為突出，滿足我國大多數(shù)企業(yè)的需求，為他們度過這個(gè)過渡期直至將所有機(jī)床更新?lián)Q代。所以研究被動隔振有著很大的意義，也符合我國現(xiàn)在的需要。</p><p>　　1.2國內(nèi)外被動減振研究成果</p><

22、p>　　每當(dāng)工程機(jī)構(gòu)受到激勵(lì)或者干擾的時(shí)候，都會以結(jié)構(gòu)的振動和噪音來做出響應(yīng)。他們不僅降低了機(jī)械系統(tǒng)的性能，還會造成環(huán)境的污染。所以很多國家都花了很大的力氣在控制振動和噪音上。</p><p>　　減小機(jī)床的振動有兩方面，一方面是改善振動的質(zhì)量，減小振動的振源。另一方面是設(shè)計(jì)優(yōu)良的減振系統(tǒng)，使機(jī)床對激勵(lì)有良好的隔振性能[2]?，F(xiàn)在主流的方法就是設(shè)計(jì)一套優(yōu)秀的減振系統(tǒng)，主要的減振系統(tǒng)主要有主動減振，半主動減振

23、動和被動減振。由于主動機(jī)床減振系統(tǒng)的復(fù)雜性、高成本和高能耗，其實(shí)用性和廣泛應(yīng)用受到了極大的限制。研究表明半主動機(jī)床減振系統(tǒng)可使其加工精度提高并且能耗較小，但是半主動減振系統(tǒng)成本較高，結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜，所以暫時(shí)無法全面推廣。被動減振器因?yàn)槠鋬r(jià)格低廉，結(jié)構(gòu)簡單，輕便等特點(diǎn)，所以適合各方的需求。本申請課題結(jié)合科技發(fā)展趨勢與嘉興市制造業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展“十一﹒五”規(guī)劃，針對超精密機(jī)床高精度、高速率、高效率和被切削材料的多樣化要求，結(jié)合機(jī)械、航空、宇航、汽

24、車工業(yè)等領(lǐng)域眾多產(chǎn)品的精密與超精密加工對減振抗沖性能要求的不斷提高，因此，以數(shù)值計(jì)算和動態(tài)性能測試等為手段，通過對機(jī)床被動隔振特性測試分析，實(shí)現(xiàn)機(jī)床振動有效控制。本申請項(xiàng)目研究不僅對被動減振器件的設(shè)計(jì)方法有重要理論意義，而且為被動阻尼器件的超精密機(jī)床減振控制系統(tǒng)的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)，同時(shí)對復(fù)雜機(jī)電裝備減振抗沖理論和技術(shù)的發(fā)展起到極大的推動作用。</p><p>　　現(xiàn)代航空、航天、國防和電子等新技術(shù)的興起，幾乎帶動

25、所有工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展。例如，數(shù)控機(jī)床、加工中心等生產(chǎn)裝備機(jī)械，汽輪機(jī)、水輪機(jī)和電機(jī)等動力機(jī)械，汽車、船舶、飛機(jī)等交通運(yùn)輸工具，航天發(fā)射器、武器發(fā)射系統(tǒng)、核電站保護(hù)裝置等國防和武器系統(tǒng)等，都向著高速重載的方向發(fā)展，其振動與沖擊問題已經(jīng)日益成設(shè)計(jì)者們所面臨的問題。隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，在各個(gè)領(lǐng)域，特別是汽車、航空航天以及國防等尖端領(lǐng)域，對于零件的加工精度要求越來越高，這對制造業(yè)提出了更加苛刻的要求。尤其是居于重要地位的精密、超精密加工技

26、術(shù)，它的發(fā)展直接關(guān)乎到國家的國防建設(shè)。在超精密機(jī)床加工中，振動是影響加工質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，必須予以重視。[3]</p><p>　　《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》針對“十一五”期間一系列重大裝備和工程建設(shè)計(jì)劃啟動，明確提出要利用先進(jìn)的理論、技術(shù)與實(shí)驗(yàn)手段研究高檔數(shù)控機(jī)床的動力學(xué)和振動特性，發(fā)現(xiàn)影響振動的因素，對振動進(jìn)行相應(yīng)的控制，提高加工精度。被動控制通過改變結(jié)構(gòu)參數(shù)、釋放自身潛在能量實(shí)現(xiàn)靜態(tài)控制，控制效

27、果明顯。[4]</p><p>　　電磁執(zhí)行器一直是人類研究的熱點(diǎn)，特別是在旋轉(zhuǎn)機(jī)械減振領(lǐng)域有著很高的地位。它通過控制電磁執(zhí)行器線圈當(dāng)中的電流大小，提供附加的阻尼和剛度，從而抑制轉(zhuǎn)自的振動。轉(zhuǎn)子減振控制按照實(shí)現(xiàn)方法也可以分為主動和被動減振。主動減振控制是根據(jù)轉(zhuǎn)自不同的轉(zhuǎn)速等方面來采取不同的控制措施，從而更好的抑制轉(zhuǎn)自的振動。但是主動減振需要時(shí)時(shí)監(jiān)測轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，所以需要借助傳感器，與微處理器和執(zhí)行器一起形成一個(gè)閉環(huán)控

28、制系統(tǒng)；由于傳感器和微處理器的價(jià)格比較高，所以導(dǎo)致主動減振的成本，復(fù)雜度都較高。而被動控制原則上不需要傳感器，而且結(jié)構(gòu)簡單，費(fèi)用較低，并且減振效果也較好。進(jìn)來在旋轉(zhuǎn)機(jī)械上被動減振主要有被動式電磁阻尼器和電磁輔助支承的被動減振。[5]</p><p>　　電磁輔助支承與電磁軸承類似，不同的地方在于電磁輔助支承結(jié)構(gòu)還提供了主剛度，即電磁輔助支承提供的剛度是主剛度和電磁執(zhí)行器提供的附加剛度之和。所以電磁輔助支承所允許的

29、電磁執(zhí)行器的附加剛度可以在一定范圍內(nèi)為負(fù)值，這就是電磁輔助支承和電磁軸承的不一樣的地方。[6]</p><p>　　被動式電磁阻尼器就是給傳統(tǒng)的電磁阻尼器施加了靜態(tài)的工作電流之后，該電磁阻尼器會產(chǎn)生較大的、能夠一直轉(zhuǎn)自振動的阻尼，而且它無需外界的控制。這種阻尼器的結(jié)構(gòu)簡單，成本低，無摩擦，無接觸，耗能少，響應(yīng)快，控制很方便，減震效果明顯，可以用低壓電原來控制，安全可靠。在需要的時(shí)候能夠改變工作電流的大小來改變所附

30、加的阻尼的大小，這是一種非常簡單、響應(yīng)又很快的一種控制，所以在工程實(shí)際中能夠投入使用。[6]</p><p>　　DSP技術(shù)在近年來也被應(yīng)用于壓電被動控制中。近年來，A.J.Fleming和S.Behrens等人利用DSP構(gòu)建“合成阻抗”電路替代傳統(tǒng)的壓電分流阻尼電路中存在的問題。A.J.Fleming等人使用了dSPACEds1103開發(fā)平臺做了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了減振效果。但是被動減振的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，輕便等，

31、而該平臺只是一個(gè)實(shí)時(shí)仿真模塊的開發(fā)平臺，使用的時(shí)候需要與PC機(jī)相連，所以并不具有真正意義上的被動減振。而TI公司的TMS320LF2407 DSP芯片實(shí)現(xiàn)的合成阻抗使得該項(xiàng)目成為了真正具有實(shí)用價(jià)值的被動減振電路。[9]</p><p>　　DSP減振電路的工作原理是將一般電路中的導(dǎo)納s域（Y（s））離散化得到Y(jié)（z），并利用DSP實(shí)現(xiàn)Y（z），即用DSP構(gòu)建的合成阻抗Y（z）替代壓電分流阻尼電路中的阻抗Y（s）。

32、該電路能夠解決了傳統(tǒng)的壓電分流阻尼電路的一些嚴(yán)重的問題，如需要較大電感值，所以利用模擬電感替代理想電感；隨著所需要的控制模態(tài)數(shù)的增加，電路體積增大，而且電路間的參數(shù)難以調(diào)諧，最終將導(dǎo)致不能實(shí)現(xiàn)最佳減振效果等。[9]</p><p>　　在超精密領(lǐng)域內(nèi)，被動隔振技術(shù)也占有較大的分量。總的來說在超精密領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用的被動隔振技術(shù)主要有：動力吸振器（DVA）、Skyhook、空氣彈簧（Pneumatic）、負(fù)剛度系統(tǒng)（Ne

33、gative Stiffness system）、鐘擺系統(tǒng)（Pendulum）等。在被動隔振中，阻尼元件的參數(shù)和剛度元件的參數(shù)都是固定的，但是空氣彈簧的阻尼元件和負(fù)剛度系統(tǒng)的剛度元件是具有可變參數(shù)的。[8]</p><p>　　動力吸振器是一種能夠有效的抑制窄帶振動的被動隔振裝置。它主要由主質(zhì)量、彈簧和連接在主質(zhì)量上的輔助質(zhì)量阻尼器組成，或者由主質(zhì)量和鐘擺所組成。它并不改變主質(zhì)量系統(tǒng)的固有頻率，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，

34、控制也復(fù)雜，所以吸振器的通用性不高。Skyhook就是在單自由度系統(tǒng)中增加了阻尼，以此來降低共振的幅值，但是這樣做的話會使系統(tǒng)在高頻率下隔振效果變差，傳遞率增高，而且Skyhook很難實(shí)現(xiàn)，這是因?yàn)樯戏降墓潭☉壹芗茉O(shè)較為困難。2002年，Steve Griffin等人將動力吸振器引入到了Skyhook。在1971年的時(shí)候，J.E.Ruzicka和T.F.Derby等人提出了基于Zener模型（彈簧-阻尼模型）的串列雙腔室空氣彈簧結(jié)構(gòu)。它

35、的剛度定義為當(dāng)空氣彈簧有效腔室的高度為常數(shù)是，它的固有頻率是一個(gè)固定值，而且與負(fù)載的質(zhì)量大小無關(guān)，空氣彈簧剛度與它的內(nèi)部壓力有關(guān)，剛度隨著空氣壓力伺服的改變而改變。由于空氣彈簧中的橫向隔振用橫向隔振橡膠存在很多非線性因素，所以在1974年的時(shí)候，Matthews首次提出了在空氣彈簧中采用鋼索構(gòu)造鐘擺系統(tǒng)來解決這個(gè)問題。在理論上，系統(tǒng)的共振頻率只和鋼索的長度有關(guān)系，與負(fù)載</p><p>　　隨著國際競爭的加劇，國

36、外對核心技術(shù)的封鎖日益嚴(yán)重，各個(gè)跨國公司正在不遺余力地奮力搶奪中國這個(gè)巨大的市場。而我國的研發(fā)力度較小，暫時(shí)無法與國外的公司競爭，國內(nèi)的市場正在慢慢流失到國外去，所以根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況，我們必須走自力更生、自主創(chuàng)新、理論方法研究與應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)并重的發(fā)展道路，來振興我國的制造業(yè)。</p><p>　　2機(jī)床振動和隔振原理及測試技術(shù)</p><p>　　隨著時(shí)代的發(fā)展，各行各業(yè)的技術(shù)要求越來越高，特

37、別是制造業(yè)。振動及設(shè)備動態(tài)特性引起的問題，例如：導(dǎo)彈、飛機(jī)和火箭在飛行過程中，發(fā)動機(jī)、氣流擾動和結(jié)構(gòu)動態(tài)特性造成的振動，都直接關(guān)系到飛行的精準(zhǔn)度和安全度；車輛行駛過程中與凹凸不平的地面接觸產(chǎn)生的振動，會使得乘客感覺到不舒服，甚至導(dǎo)致事故的發(fā)生；機(jī)械加工設(shè)備生產(chǎn)加工時(shí)產(chǎn)生了的振動會直接反映在加工零件上，影響零件的粗糙度、精度和有效性；大型建筑結(jié)構(gòu)在風(fēng)載和地震的影響下產(chǎn)生的振動直接關(guān)系到這些結(jié)構(gòu)的安全。</p><p&g

38、t;　　如果要解決各式各樣如以上例子般的振動和動態(tài)特性的問題，那么就需要對系統(tǒng)的動力學(xué)特性進(jìn)行分研究，對產(chǎn)生振動的原因進(jìn)行分析，對結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和設(shè)備的振動進(jìn)行測試和信號分析都是必不可少的手段。通過這些手段來研究設(shè)備或者結(jié)構(gòu)的力學(xué)動態(tài)特性，即通過模態(tài)實(shí)驗(yàn)來獲得結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)即固有頻率、阻尼比和振型。</p><p>　　2.1機(jī)床動態(tài)性能的研究方法</p><p>　　機(jī)床的動態(tài)性能是指機(jī)床運(yùn)

39、轉(zhuǎn)之后振動、噪聲、熱變形與磨損等性能的總稱。但長期以來主要指的是機(jī)床的振動性能，即主要指機(jī)床抵抗振動的能力。近幾年，機(jī)床的動態(tài)特性的研究方法主要有三類：即理論建模及其分析方法、試驗(yàn)建模及其分析方法和二者相結(jié)合的方法。建模及分析方法是在結(jié)構(gòu)動力學(xué)原理之上，根據(jù)原有結(jié)構(gòu)的各種數(shù)據(jù)，比如圖紙、設(shè)計(jì)方案等進(jìn)行建模進(jìn)行建模利用軟件進(jìn)行該結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性有限元分析，不需要依賴實(shí)體結(jié)構(gòu)的純理論分析。該種方法能夠檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)的各種特性是否滿足設(shè)計(jì)的要求，或者

40、指出有缺陷的地方以方便更改。還可以對模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，最大限度的接近實(shí)體的狀態(tài)，并且對設(shè)計(jì)模型進(jìn)行反復(fù)的比較、修改，最終讓該結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性逼近設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)的要求。從而可經(jīng)濟(jì)、迅速地達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)，檢驗(yàn)是否滿足使用需求，不需要將結(jié)構(gòu)制造出來在進(jìn)行測試，這也是該方法較試驗(yàn)建模方法最突出的優(yōu)點(diǎn)，最普遍的就是用畫圖軟件進(jìn)行建模，將圖紙導(dǎo)入Ansys分析軟件進(jìn)行分析處理。但是該方法也有自己的缺點(diǎn)，即該方法需要對結(jié)構(gòu)、各接合面連續(xù)條件、阻尼假

41、設(shè)、各邊界條件進(jìn)行簡化，這些工作會使得近似計(jì)算產(chǎn)生誤差與實(shí)際情況有出入，影響了所建立有限元模型的</p><p>　　實(shí)驗(yàn)建模又稱為系統(tǒng)辨識，是通過觀測到的系統(tǒng)的輸入、輸出數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)確定一個(gè)數(shù)學(xué)模型，使這個(gè)數(shù)學(xué)模型盡可能精確的反應(yīng)系統(tǒng)的動態(tài)特性。簡單來說，就是對實(shí)體進(jìn)行測試，將傳感器采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而得到精確的動態(tài)特性。由于該方法是對現(xiàn)有設(shè)備的典型工況進(jìn)行動態(tài)試驗(yàn)建模，所用數(shù)據(jù)是實(shí)際產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，而且避

42、免了對各種細(xì)節(jié)的簡化，減小了近似計(jì)算時(shí)的誤差，所得模型與實(shí)際工況有較高精度的吻合，因而模型及其動態(tài)特性對機(jī)床的模擬精度都較高，這是該方法的最突出的優(yōu)點(diǎn)。但是該這種方法需要對現(xiàn)有機(jī)床進(jìn)行動態(tài)試驗(yàn)，需要有動態(tài)試驗(yàn)所需的激勵(lì)、測試、信號分析及數(shù)據(jù)處理的設(shè)備和系統(tǒng)，因而投資較大；由于動態(tài)試驗(yàn)及信號分析數(shù)據(jù)處理過程中都要受到各種隨機(jī)噪聲的干擾，測試儀器誤差，各種信號變換誤差，測試機(jī)床本身就是精密機(jī)床，所采集到的數(shù)據(jù)并不明顯很容易被干擾，所以給動態(tài)

43、性能帶來了一定的誤差。</p><p>　　綜合建模是人們將有限元法理論建模和試驗(yàn)建模有機(jī)地結(jié)合起來得到一種理想的方法。這種方法發(fā)揮了其他兩種方法各自的長處，以得到確切的，能夠反應(yīng)實(shí)際情況的動態(tài)特性分析。利用測試得到的較準(zhǔn)確的模態(tài)參數(shù)來修正理論模型，使修正后的理論模型能夠確切地模擬結(jié)構(gòu)的動力特性，在這樣的動力學(xué)模型基礎(chǔ)上進(jìn)行分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，就能夠充分發(fā)揮理論分析的作用，為優(yōu)化機(jī)床振動等參數(shù)提供了良好的基礎(chǔ)。<

44、;/p><p>　　2.2機(jī)床振動測試技術(shù)</p><p>　　現(xiàn)階段的振動測試技術(shù)主要可以分為兩類：第一類測量的是設(shè)備和結(jié)構(gòu)在工作或者實(shí)驗(yàn)的時(shí)候產(chǎn)生和存在的振動，這種測量可以利用振動信號對設(shè)備和結(jié)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測評估和故障診斷；另一類就是系統(tǒng)特征參數(shù)的測量，包括了系統(tǒng)的頻響、脈沖響應(yīng)函數(shù)以及模態(tài)和物理參數(shù)等。這種測試技術(shù)一般需要對被測機(jī)構(gòu)進(jìn)行激勵(lì)，包括認(rèn)為的或者自然的激勵(lì)，使機(jī)構(gòu)產(chǎn)生振動

45、，并且測量這種振動，這種測試的目的就是為了研究被測機(jī)構(gòu)的動力學(xué)特性。在本論文中，兩種測試方法都需要被用到，前者用來測量被動阻尼器的減振效果，而后者用來檢測機(jī)床的固有頻率、阻尼比等模態(tài)參數(shù)。</p><p>　　若要研究被測機(jī)床的動力學(xué)特性，常常通過模態(tài)實(shí)驗(yàn)獲得的模態(tài)參數(shù)，即固有頻率、阻尼比和多階振型。這種測試方法也有兩大類：一種是純模態(tài)實(shí)驗(yàn)方法，即通過多個(gè)激振器對結(jié)構(gòu)進(jìn)行激勵(lì)，當(dāng)激振頻率為結(jié)構(gòu)的某階固有頻率時(shí)能夠

46、產(chǎn)生共振，這是一種物理分離模態(tài)的方法。 另外一種方法是數(shù)學(xué)上分離模態(tài)的方法，一般對結(jié)構(gòu)進(jìn)行激勵(lì)，測量系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)矩陣，再進(jìn)行模態(tài)參數(shù)的識別。</p><p>　　但是在很多情況下很難人為的進(jìn)行激勵(lì)，比如大型橋梁，建筑等等，所以這些情況下就要利用自然環(huán)境進(jìn)行激勵(lì)，比如風(fēng)載、地震等來識別模態(tài)參數(shù)的方法。</p><p>　　為了獲得系統(tǒng)的動態(tài)特性，需要測量系統(tǒng)的頻響函數(shù)。目前頻響函數(shù)測試

47、技術(shù)可以分為單點(diǎn)激勵(lì)單點(diǎn)測量（SISO）、單點(diǎn)激勵(lì)多點(diǎn)測量（SIMO）、多點(diǎn)激勵(lì)多點(diǎn)測量（MIMO）等。單點(diǎn)激勵(lì)多適用于結(jié)構(gòu)較小的頻響函數(shù)測量，比如小型精密機(jī)床。多點(diǎn)激勵(lì)則適用于大型復(fù)雜機(jī)構(gòu)，比如機(jī)體、船體或者大型車輛機(jī)構(gòu)等等。</p><p>　　頻響函數(shù)隨著激振力的不同可以分為穩(wěn)態(tài)正弦激勵(lì)、隨機(jī)激勵(lì)（純隨機(jī)、偽隨機(jī)、周期隨機(jī)）、瞬態(tài)激勵(lì)（快速正弦掃描激勵(lì)、脈沖激勵(lì)以及階躍激勵(lì)）。穩(wěn)態(tài)正弦激勵(lì)的有點(diǎn)很多，例如能

48、在一定頻率之下輸入比較大的能量。根據(jù)選擇的激振器不同，可以方便的控制小于10N，大到數(shù)萬N的力，信噪比較高。所以很多情況下，無論是小型家電，或者是大型的建筑結(jié)構(gòu)等，穩(wěn)態(tài)正弦激勵(lì)都是很適合使用的精度較高的方法，但是它有一個(gè)很大的缺點(diǎn)，就是實(shí)驗(yàn)所需要的時(shí)間很長，所以對于不太穩(wěn)定的系統(tǒng)會使得試驗(yàn)的難度增加，精度降低。</p><p>　　隨機(jī)激勵(lì)是很多頻率同時(shí)作用在結(jié)構(gòu)上，結(jié)構(gòu)的響應(yīng)是所有頻率一起作用的結(jié)構(gòu)。它能夠分為

49、純隨即、偽隨機(jī)、和周期隨機(jī)信號。純隨機(jī)信號由字面意思可得，沒有固定周期，每個(gè)采樣樣本不同。該激勵(lì)的優(yōu)點(diǎn)是通過總體平均來消除實(shí)驗(yàn)當(dāng)中產(chǎn)生的非線性畸變和噪聲隨機(jī)誤差的影響，提高了測試的精度。它的缺點(diǎn)是由于信號沒有規(guī)律，所以在處理信號時(shí)會產(chǎn)生泄漏誤差。偽隨機(jī)信號是周期性的，所以當(dāng)截?cái)嚅L度等于一個(gè)完整的周期的時(shí)候，可以避免功率的泄漏，但是因?yàn)橹芷谛裕圆荒芎图冸S機(jī)信號一樣消除非線性及畸變的影響。周期隨機(jī)信號則結(jié)合了前兩個(gè)信號的有點(diǎn)，避免了它們

50、的缺點(diǎn)。這也可以算是一種偽隨機(jī)信號，但是第一個(gè)偽隨機(jī)信號在持續(xù)了幾個(gè)周期以后馬上被下一個(gè)無關(guān)的偽隨機(jī)信號代替。它的缺點(diǎn)就是測試的時(shí)間長于前兩種信號。</p><p>　　脈沖激振力的頻譜較寬，一次激勵(lì)就可以做出多階模態(tài)，所以它的有點(diǎn)就是快。而且脈沖激勵(lì)測試的設(shè)備簡單，靈活性很大，適用于現(xiàn)場操作。該激勵(lì)可以分為兩種：單點(diǎn)敲擊多點(diǎn)測量和多點(diǎn)敲擊單點(diǎn)測量。前者求的是頻響函數(shù)矩陣當(dāng)中的某一列，后者是某一行。由于矩陣的對稱

51、性，其分析完全相同。對于輕小的試件，為了減小傳感器對試件附加質(zhì)量的影響，常常采用單點(diǎn)測量多點(diǎn)敲擊。對于大試件，可單點(diǎn)激勵(lì)，多點(diǎn)測量，一次記錄所有響應(yīng)點(diǎn)的信號，最后分別求得各點(diǎn)的頻響函數(shù)。由于該種方法需要熟練的操作技巧和經(jīng)驗(yàn)，很容易產(chǎn)生很大的隨機(jī)誤差，所以較難控制。</p><p>　　2.3機(jī)床的切削振動分析</p><p>　　2.3.1 振動產(chǎn)生的原因</p><p

52、>　　在機(jī)床的切削中振動非常復(fù)雜，而且很多因素會引起機(jī)床的振動。</p><p>　　工件方面，因?yàn)樘^復(fù)雜導(dǎo)致難以選擇裝夾的部位，工件不夾緊容易在加工的時(shí)候松動，特別是切削力發(fā)生改變時(shí)，振動也不同。工件的內(nèi)部組織由于鑄造的毛胚局部有例如氣孔、砂眼等缺陷，或者晶粒粗大、摻有雜質(zhì)，最終導(dǎo)致在加工的時(shí)候由于軟硬不均勻，切削力不斷改變，刀具與工件產(chǎn)生沖擊產(chǎn)生振動，使得工件加工質(zhì)量難以控制。</p>

53、<p>　　在刀具方面，刀具的材料、剛性、切削刃角度的選擇以及工件的尺寸、材料和加工部位形狀是影響機(jī)床振動很重要的一方面。比如粗加工和精加工，連續(xù)車削和斷續(xù)車削等加工技術(shù)對刀具的要求不一樣，如果選擇不好將會產(chǎn)生很大的振動。工件在粗加工是因?yàn)槊叩某叽缡遣粶?zhǔn)確的，所以加工余量也不同，切削用量也是不同的。而斷續(xù)切削中對刀具和工件的沖擊遠(yuǎn)大于連續(xù)切削。另外，切削用量和機(jī)床轉(zhuǎn)速的選擇對于振動也有一定的影響，容易造成機(jī)床的自振。<

54、/p><p>　　機(jī)床自身方面也是振動的一大要素。機(jī)床本身的精度因?yàn)橹圃斓募夹g(shù)限制，很難達(dá)到使用要求從而產(chǎn)生振動。主軸箱內(nèi)各個(gè)嚙合齒輪、軸承等零件配合精度低，使用時(shí)間長了以后導(dǎo)軌的磨損，都會在切削中產(chǎn)生振動。機(jī)床自身產(chǎn)生振動傳遞至地面之后，會反饋回機(jī)床，造成機(jī)床的二次振動。周圍的環(huán)境振動也會從地面?zhèn)鬟f到機(jī)床，從而產(chǎn)生機(jī)床的振動。</p><p>　　2.3.2 振動的影響</p>

55、<p>　　振動對于加工來說，有著非常大的影響。首先是加工表面的質(zhì)量，加工過程中，振動會引起加工表面的振動波紋，使得表面的粗糙度變大。振動引起了工件和刀具之間的相對位移，導(dǎo)致定位誤差。最終影響加工表面的質(zhì)量和尺寸精度。振動使得機(jī)床元件之間產(chǎn)生松動，加速了零件之間的磨損，降低了機(jī)床精度和使用壽命，影響切削的質(zhì)量。</p><p>　　其次，振動影響了刀具的正常切削條件，加速刀具的磨損，乃至產(chǎn)生崩刃，所以

56、極大的降低了刀具的使用壽命，提高了成本。為了保護(hù)刀具只有降低切削用量，因?yàn)檎駝咏档土说毒叩膲勖?，還必須經(jīng)常換刀、磨刀，降低了生產(chǎn)效率。最后振動產(chǎn)生的噪音損害了操作者的身心健康，降低了工作效率。</p><p>　　2.3.3 防止和減小振動的措施</p><p>　　由于振動產(chǎn)生的危害非常大，所以必須防止或者降低振動，來提高生產(chǎn)效率，降低成本，保護(hù)工人。振動的防止措施主要有以下幾點(diǎn)：<

57、;/p><p>　　正確裝夾工件 工件在夾緊的時(shí)候，夾緊點(diǎn)要選在剛性好的地方，并且月接近工件被切削的地方越好。如果是車床，振動一半是主軸旋轉(zhuǎn)是偏心造成的，所以需要降低工件的偏心。如果是其他的機(jī)床，則應(yīng)該注意提高工件的穩(wěn)定性，即加工時(shí)工件不能有松動，具體辦法就是增大工件和工作臺的接觸面。</p><p>　　合理選擇刀具的形狀和幾何角度 一般大家都過于關(guān)心刀刃，其實(shí)刀桿也是很重要的，刀桿的剛

58、度也是越大越好，在保證正常排屑的情況下，盡量選擇直徑較大、長度適宜的刀桿。對于刀具，產(chǎn)生振動影響最大的就是刀具的角度，即主偏角和前角。主偏角的減小，使得切削界面寬度會增加，而厚度會減小，徑向切削力增大，同時(shí)振動也會增大；如果前角過小或者采用了負(fù)前角，則會增大切屑，提高切削使得加工硬化，增強(qiáng)振動；刀尖圓弧半徑也對切削振動有較大的影響，圓弧增大，切削阻力、徑向力以及摩擦力和擠壓力也會增大，同時(shí)振動增大。</p><p&g

59、t;　　合理選擇切削用量 根據(jù)文獻(xiàn)，在車削中，切削速度在50~60m/min時(shí)，穩(wěn)定性最低，容易產(chǎn)生自振。所以，需要盡量選擇告訴或低速切削。同時(shí)，振幅隨著進(jìn)給量的增大而減?。浑S著背吃刀量的的減小而減小。</p><p>　　提高機(jī)床的抗振性 對機(jī)床振動影響最大的就是地面反饋到機(jī)床的振動，其中包括了機(jī)床自身產(chǎn)生的振動傳遞到地面之后，地面反饋給機(jī)床；周圍環(huán)境產(chǎn)生的振動，比如車輛的行駛，其他機(jī)器產(chǎn)生的振動。對于超精

60、密機(jī)床，甚至操作人員的走動都會有所影響。所以對于這方面最好的辦法就是加裝減振裝置，從而隔絕地面?zhèn)鬟f給機(jī)床的振動，而且經(jīng)過多方大量的實(shí)驗(yàn)，加裝減振裝置確實(shí)是一個(gè)有效可行的方法。</p><p>　　2.4隔振原理的理論分析</p><p>　　各種工程機(jī)構(gòu)、建筑在一定頻率范圍內(nèi)，都可以視為一個(gè)單質(zhì)體。如果僅考慮垂直方向的振動，就可以將系統(tǒng)簡化成如圖2.1所示的彈簧—阻尼—質(zhì)量系統(tǒng)。以y(t)

61、表示垂直運(yùn)動的響應(yīng)位移，以x(t)表示設(shè)備的響應(yīng)位移，則由牛頓第二定律可得：</p><p><b>　　令帶入上式</b></p><p>　　令基礎(chǔ)作運(yùn)動，可得：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　式中表示的是隨著激振頻率的平方變化而變化的激振力幅值，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)

62、為。</p><p>　　圖2.1 單自由度系統(tǒng)</p><p>　　將其帶入（1）式可得：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　這就是設(shè)備與基礎(chǔ)的相對應(yīng)的位移振幅，其中：，是頻率比；，是系統(tǒng)的固有頻率；是阻尼比；為臨界阻尼。</p><p>　　同理可以得到隔振傳遞

63、率：</p><p><b>　　（3）</b></p><p>　　式中為設(shè)備的據(jù)對位移幅值，為基礎(chǔ)位移。</p><p>　　根據(jù)計(jì)算，當(dāng) 時(shí)， （）為隔振區(qū)；</p><p>　　當(dāng) 時(shí)， （）為共振區(qū)。</p><p>　　很明顯，只有當(dāng)時(shí)，系統(tǒng)才有隔振的意義。</p>&l

64、t;p><b>　　2.3 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章介紹了現(xiàn)階段的振動測試技術(shù)和機(jī)床動態(tài)性能的研究方法?，F(xiàn)階段主要有兩種測試分析技術(shù)，第一類測量的是設(shè)備和結(jié)構(gòu)在工作或者實(shí)驗(yàn)的時(shí)候產(chǎn)生和存在的振動，這種測量可以利用振動信號對設(shè)備和結(jié)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測評估和故障診斷；另一類就是系統(tǒng)特征參數(shù)的測量，包括了系統(tǒng)的頻響、脈沖響應(yīng)函數(shù)以及模態(tài)和物理參數(shù)等。動態(tài)性能的研究方法主

65、要有建模及其分析方法、試驗(yàn)建模及其分析方法和二者相結(jié)合的方法。同時(shí)還闡述了引起精密機(jī)床振動的原因，振動對加工零件的影響以及減小振動的措施，并且用理論解釋了隔振原理。</p><p>　　3機(jī)床特性及振動測試方案</p><p>　　機(jī)床的特性分析主要是為了確定機(jī)床的模態(tài)參數(shù)，即固有頻率、阻尼比和振型。模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動力特性一種近代方法，是系統(tǒng)辨別方法在工程振動領(lǐng)域中的應(yīng)用。振動模態(tài)是彈

66、性結(jié)構(gòu)的固有的、整體的特性。如果通過模態(tài)分析方法搞清楚了結(jié)構(gòu)物在某一易受影響的頻率范圍內(nèi)各階主要模態(tài)的特性，就可能預(yù)言結(jié)構(gòu)在此頻段內(nèi)在外部或內(nèi)部各種振源作用下實(shí)際振動響應(yīng)。因此，模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計(jì)及設(shè)備的故障診斷的重要方法。</p><p>　　實(shí)驗(yàn)小組通過理論和試驗(yàn)的方法測出了所用機(jī)床的模態(tài)參數(shù)，為機(jī)床的減振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。本實(shí)驗(yàn)不僅能夠測試機(jī)床的模態(tài)參數(shù)，還能夠測試減振器對機(jī)床的減振效果，所以本章主

67、要介紹了測試系統(tǒng)的組成。</p><p>　　3.1機(jī)床被動減振測試系統(tǒng)的組成</p><p>　　3.1.1 測試系統(tǒng)的構(gòu)建</p><p>　　實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)的目的就是為了將傳感器檢測到的數(shù)據(jù)收集起來，經(jīng)過分析處理最后得到實(shí)驗(yàn)小組希望得到的數(shù)據(jù)。就拿本實(shí)驗(yàn)來說，實(shí)驗(yàn)小組希望檢測到機(jī)床的振動情況，所以需要采集機(jī)床的振幅、頻率，所以采集的數(shù)據(jù)就是機(jī)床的振幅。本測試系

68、統(tǒng)主要包含以下幾個(gè)系統(tǒng)：信號發(fā)生器、激振器、被測設(shè)備（機(jī)床）、振動平臺、傳感器、數(shù)據(jù)采集儀、電荷放大器、含有測試軟件的計(jì)算機(jī)。他們之間的關(guān)系如圖3.1所示。</p><p><b>　　圖3.1</b></p><p>　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3.2所示：</p><p>　　圖3.2 振動測試系統(tǒng)示意圖</p><p>

69、　　被測設(shè)備結(jié)構(gòu)，2. 傳感器，3. 激振器，4. 頂針，5. 振動平臺，6. 纜繩，7. 功率放大器，</p><p><b>　　8. 信號發(fā)生器</b></p><p>　　動態(tài)特性實(shí)驗(yàn)要測量多階振型、固有頻率，就需要控制激振力的頻率，所以選用信號發(fā)生器，它可以經(jīng)過功率放大器改變輸出電流的頻率，從而控制激振器的輸出功率。激振器將不同頻率的激振力作用于被懸吊起來的

70、振動平臺，從而傳遞給放在平臺上的小型超精密機(jī)床。11個(gè)加速度傳感器分別安置在機(jī)床的主軸箱、刀架、導(dǎo)軌、尾座等各個(gè)振動較為明顯的部位。傳感器采集到的信號非常微弱，不能夠直接被數(shù)據(jù)采集儀所識別，所以常常需要與電荷放大器相連接最后連接到多輸入信號同步采集系統(tǒng)的輸入端，采集儀將數(shù)據(jù)傳輸?shù)窖b有分析軟件的計(jì)算機(jī)內(nèi)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析處理，得出最后的模態(tài)參數(shù)。</p><p>　　3.1.2 測試方案說明</p&g

71、t;<p>　　環(huán)境的振動和地面反饋給機(jī)床的振動是引起機(jī)床振動的主要原因，隔振器的目的就是隔絕這些振動。由于小型超精密機(jī)床的精度非常的高，做振動測試時(shí)更加容易受到來自地面人員走動和汽車開過所引起的振動影響，為了避免這些外界振動對小型超精密機(jī)床的振動實(shí)驗(yàn)的影響，并且在測試減振器效果的時(shí)候能夠測量該減振器的工作頻率，工作效率等，實(shí)驗(yàn)組采用懸掛激振法來激振振動平臺，模擬實(shí)際情況中周圍環(huán)境造成的振動，以此來檢測機(jī)床的實(shí)際受到振動狀

72、態(tài)，檢驗(yàn)減振器的隔振效果。</p><p>　　信號發(fā)生器可以輸出不同形式的波形，輸入到功率放大器，功率放大器輸出到激振器，這樣就可以通過控制信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號來控制激振器的激振幅值和頻率。這樣可以模擬現(xiàn)實(shí)中的各種振動信號，實(shí)驗(yàn)范圍廣。激振器對懸吊的激振平臺進(jìn)行激振，小型超精密機(jī)床放在激振平臺上，小型超精密機(jī)床上布置有11個(gè)加速度傳感器，安置與機(jī)床的各個(gè)部位，使用那么多傳感器是為了在模態(tài)分析里，使機(jī)床的模態(tài)振型

73、的動畫更加接近實(shí)際。</p><p>　　與以往振動測試系統(tǒng)相比，本發(fā)明直接對各種小型機(jī)床的振動實(shí)驗(yàn)進(jìn)行動畫仿真得到各階段阻尼比和固有頻率，測試裝置簡單、安裝和使用方便、測試精度高、花費(fèi)時(shí)間短，尤其是激振器的振動形式可控、結(jié)果動畫仿真、結(jié)果可靠等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　3.2 儀器的選擇</p><p>　　3.2.1 傳感器</p><

74、p>　　實(shí)驗(yàn)小組使用的傳感器為北京東方振動和噪聲技術(shù)研究所生產(chǎn)的ICP加速度傳感器，該傳感器ICP輸出,橫向比<5%,工作電流2-10mA,輸出阻抗<100歐,工作電壓12-28DCV,工作溫度-20-120度, M5安裝螺紋,L5出線。具體技術(shù)指標(biāo)見表3.1，如圖3.3為該加速度傳感器失實(shí)物圖。</p><p>　　表3.1 加速度傳感器技術(shù)指標(biāo)</p><p>　　

75、圖3.3 ICP加速度傳感器</p><p>　　3.2.2 激振器</p><p>　　激振器是一種電動變換器，即將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，對試件提供激振力的一種裝置。它配合功率放大器再加上其它有關(guān)儀器，廣泛地應(yīng)用于各種工程結(jié)構(gòu)如火箭、導(dǎo)彈、飛機(jī)、船舶、汽車、機(jī)床、火車、礦山機(jī)械、房屋建筑等等，特別適用于樁基、橋梁、水壩等巨型結(jié)構(gòu)的振動試驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)采用的是江蘇東華測試公司的DJZQ-10型

76、激振器，該激振器的主要技術(shù)指標(biāo)如下表所示：</p><p>　　表3.2 激振器技術(shù)指標(biāo)</p><p>　　該型號的激振器主要有以下這些特性：</p><p>　　彈簧特性：為了降低零階共振峰，消除彈簧本身的共振以及減少非線性的諧波失真，本激振器采用了兩組線性彈簧作為動圈的懸掛裝置。</p><p>　　頻響特性：激振器的可動部件零階固有

77、頻率不同。這個(gè)共振頻率，對于激振大試件或者采用力傳感器來測量試件頻響函數(shù)時(shí)，將不會影響試驗(yàn)結(jié)果。</p><p>　　磁 場：激振器的磁鋼采用稀土原料一釹硼作為磁鋼。磁鋼在專用的裝置上進(jìn)行充磁后，經(jīng)過老化處理，將保持高度穩(wěn)定的磁感應(yīng)強(qiáng)度。</p><p>　　3.2.3 被動阻尼器</p><p>　　JG型橡膠隔振器（如圖3.4所示）由金屬件及橡膠體粘結(jié)而成，

78、其彈性體采用軸向?qū)ΨQ環(huán)狀剪切型結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊尺寸比其他同類規(guī)格的減振器小，安裝更換方便，能在-150C~+800C范圍內(nèi)保持正常工作。對于1000r/min左右的隔離有較好的隔振效果。</p><p>　　表3.3 JG型減振器指標(biāo)</p><p>　　圖3.4 JG1-2橡膠隔振器圖 圖3.5 RM橡膠減振器</p><p>

79、;　　RM系列橡膠減振器（如圖3.5所示）具有過負(fù)荷保護(hù)的壓縮性能，所有金屬件氯丁橡膠完全覆蓋，防腐性能很好。柔性好適用于高頻振動場所，多用于轉(zhuǎn)速大于800r/min承載量較輕的場合。</p><p>　　SD型剪切隔振墊（如圖3.6所示）采用幼稚丁腈橡膠為主要原料，以剪切受力為主，固有頻率低，阻尼適宜，耐油性好。由于形狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，可根據(jù)不同的荷載需要，進(jìn)行裁切，也可根據(jù)不同隔振降噪要求單層或多層使用，對儀器

80、儀表的消極隔振效果好，對沖床，鍛床等機(jī)械設(shè)備的積極隔振和各類儀器儀表的振動防護(hù)。</p><p>　　圖3.6 SD型剪切隔振墊</p><p>　　青島愛博瑞公司AGS-53A（圖3.7）和SAGS-53A（圖3.8）都是彈簧阻尼減振器，采用了螺旋鋼彈簧和粘滯阻尼，這兩種材料制造的減振器相對于其他減振器有著很大的優(yōu)勢，比較減振器采用的各種材料就可以得出這個(gè)結(jié)論。經(jīng)過長時(shí)間溝通，廠家通過

81、了解該機(jī)床的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括重量、尺寸、型號等，計(jì)算設(shè)計(jì)出這兩種減振器，由于涉及到商業(yè)機(jī)密，所以生產(chǎn)廠家沒有給出這兩種減振器的具體數(shù)據(jù)及計(jì)算過程。</p><p>　　表3. 4 各種材料性能比較</p><p>　　表3. 5 各種阻尼性能比較</p><p>　　圖3.7 AGS-53A彈簧阻尼隔振器 圖3.8 SAGS-53A彈簧阻尼隔振器&

82、lt;/p><p>　　3.2.4 數(shù)據(jù)采集儀</p><p>　　圖3.9 DH5920動態(tài)信號測試與分析系統(tǒng)</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)中采用了江蘇東華公司的DH5920動態(tài)信號測試與分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)已包含動態(tài)信號測試系統(tǒng)所需的信號調(diào)理器（應(yīng)變、振動等調(diào)理器）、直流電壓放大器、低通濾波器、抗混濾波器、16位A/D轉(zhuǎn)換器、緩沖存儲器且DH5920N每通道帶1M點(diǎn)獨(dú)

83、立緩存以及采樣控制和計(jì)算機(jī)通訊的全部硬件，而且提供了充分考慮用戶方便操作本系統(tǒng)所需的控制軟件及分析軟件，是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)、智能化的動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)。</p><p>　　采用這個(gè)系統(tǒng)的理由是因?yàn)樵撓到y(tǒng)非常便攜，只要利用計(jì)算機(jī)的1394接口或PCI接口實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送, 能夠熱拔插和即插即用,并且最大程度上滿足了對便攜式儀器和采樣速度的要求,測試系統(tǒng)不僅可在實(shí)驗(yàn)室使用,也可方便地應(yīng)用于野外現(xiàn)場；而且高度集成:模

84、塊化設(shè)計(jì)的硬件，每個(gè)測量機(jī)箱可插入多個(gè)2通道或4通道測量模塊,不同尺寸的機(jī)箱可構(gòu)成16通道、32通道和64通道測量系統(tǒng);每臺計(jì)算機(jī)可控制多個(gè)測量機(jī)箱,最多直接控制256通道同步并行采樣;通過以太網(wǎng)連接多臺計(jì)算機(jī),最多可控制2048通道同步并行采樣，滿足了多通道、高精度、高速動態(tài)信號的測量需求。該測試儀能夠DMA方式實(shí)時(shí)傳送，保證了數(shù)據(jù)傳送的高速、穩(wěn)定、不漏碼。</p><p>　　每通道包含獨(dú)立的DSP實(shí)時(shí)信號處

85、理系統(tǒng)：模擬濾波 + DSP實(shí)時(shí)數(shù)字濾波，構(gòu)成高性能抗混濾波器,分析頻帶內(nèi)平坦度可達(dá)±0.05dB，阻帶衰減大于 -150 dB/oct;每通道獨(dú)立的16位A／D轉(zhuǎn)換器:實(shí)現(xiàn)了多通道并行同步采樣，最高采樣速率128kHz/每通道，每個(gè)測量通道配置1M數(shù)據(jù)點(diǎn)高速緩存(擴(kuò)展可選)；通道間無串?dāng)_影響及采樣速率不受通道數(shù)的限制，并且大大提高了系統(tǒng)的抗干擾能力；</p><p>　　準(zhǔn)確的采樣速率:先進(jìn)的DDS數(shù)

86、字頻率合成技術(shù)產(chǎn)生高精度、高穩(wěn)定度的采樣脈沖，保證了多通道采樣速率的同步性、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性；數(shù)字磁帶機(jī)信號記錄功能:利用計(jì)算機(jī)海量的存儲硬盤,長時(shí)間實(shí)時(shí)、無間斷記錄多通道信號,單臺計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)時(shí),8通道并行同步工作，每通道采樣速率可達(dá)128kHz；多臺計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)時(shí),最多2048通通并行同步工作, 每通道采樣速率可達(dá)128kHz;</p><p>　　任意波形發(fā)生器模塊（選件）:每個(gè)模塊提供二通道(不相關(guān))任

87、意波形發(fā)生器，16 bit D/A 輸出, 可產(chǎn)生正弦、正弦掃頻、隨機(jī)、偽隨機(jī)、猝發(fā)隨機(jī)、快速掃頻、半正弦、脈沖、磁盤文件,并能將所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行回放輸出；配套各種可程控的信號適調(diào)器,不僅具有極強(qiáng)的抗干擾能力,而且由于參數(shù)由數(shù)采統(tǒng)一控制,系統(tǒng)的單位量綱實(shí)現(xiàn)了“傻瓜”設(shè)置。</p><p>　　這些特點(diǎn)都很好的幫助了實(shí)驗(yàn)小組更加便捷的采集到所需的數(shù)據(jù)，為后面的工作提供了良好的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。</p><

88、;p><b>　　3.3 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章節(jié)主要介紹了測試實(shí)驗(yàn)的方案的組成以及各個(gè)儀器之間的關(guān)系。同時(shí)，介紹了測試平臺的組成，包括所需要的儀器和采用的減振器。對各種減振器材料進(jìn)行對比，選擇出最適宜用作制作減振器的材料。</p><p>　　4機(jī)床特性及被動減振測試分析</p><p>　　本章主要討論機(jī)床特性測

89、試結(jié)果，包括了機(jī)床的固有頻率，阻尼比和前五階振型，同時(shí)測試了多種減振器對于該機(jī)床的減振效果。首先對機(jī)床進(jìn)行建模，將實(shí)體轉(zhuǎn)變?yōu)槟Ｐ停⑦m當(dāng)進(jìn)行簡化。根據(jù)理論知識設(shè)計(jì)搭建了用于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)平臺。在分析典型機(jī)床系統(tǒng)切削的動態(tài)特性和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)條件基礎(chǔ)上，確立了機(jī)床系統(tǒng)的參數(shù)和結(jié)構(gòu)和多種常見小型機(jī)床減振器的減振效果。</p><p><b>　　4.1機(jī)床模型</b></p><

90、;p>　　本論文結(jié)合了實(shí)驗(yàn)和理論的內(nèi)容，兩方面都需要用到機(jī)床的模型，所以繪制了所用機(jī)床的三維模型。實(shí)驗(yàn)組選用了MANIX ML-360小型精密機(jī)床如圖4.1所示：</p><p>　　圖4.1 機(jī)床實(shí)體</p><p>　　實(shí)驗(yàn)小組利用AUTO CAD畫圖軟件建立了該機(jī)床的三維模型，為了分析的準(zhǔn)確性，需要對機(jī)床進(jìn)行一定的簡化，簡化后的機(jī)床三圍模型如圖4.2所示：</p>

91、<p>　　圖4.2 CAD圖形</p><p>　　4.2機(jī)床特性實(shí)驗(yàn)分析</p><p>　　實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析是了解機(jī)床動態(tài)特性最好的方法，實(shí)驗(yàn)小組為了測量機(jī)床的模態(tài)參數(shù)搭建了實(shí)驗(yàn)平臺如圖4.3所示。</p><p>　　圖4.3 實(shí)驗(yàn)平臺</p><p>　　通過實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法對機(jī)床進(jìn)行動態(tài)特性的分析測定了機(jī)床的動態(tài)特性

92、參數(shù)（包括低階固有頻率、響應(yīng)的振型和振型動畫以及阻尼比），而且根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果對其動態(tài)特性的特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)分析。圖4. 4為通過軟件接受傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之后得出的機(jī)床前10階的固有頻率和阻尼比。</p><p>　　圖4.4 機(jī)床前10階模態(tài)參數(shù)</p><p>　　機(jī)床是一個(gè)復(fù)雜的振動系統(tǒng)，具有無限多個(gè)由度，存在對應(yīng)于其固有頻率的無限多個(gè)振型，即限多個(gè)不同模態(tài)，但并不是所有模態(tài)都會

93、出現(xiàn)不穩(wěn)現(xiàn)象(共振)。出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象的模態(tài)稱為薄弱態(tài)，薄弱模態(tài)一般是低階模態(tài)。因此模態(tài)分析主要中在低階模態(tài)的分析上。如圖4.5所示，通過9個(gè)速度、加速度傳感器測得的動態(tài)特性參數(shù)（包括低階固有頻率、響應(yīng)的振型和振型動畫以及阻尼比），導(dǎo)入到模態(tài)分析軟件得到的三維模態(tài)振型動畫。</p><p>　　圖4.5 機(jī)床在三維方向的模態(tài)振型</p><p>　　機(jī)床的理論和實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析明確了機(jī)床動態(tài)特性

94、的幾何特點(diǎn)，確定了該機(jī)床結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié),為后續(xù)的機(jī)床結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。同時(shí)也為后續(xù)的有限元分析提供了可靠的驗(yàn)證方法。同時(shí)為機(jī)床選擇減振器提供了依據(jù)。</p><p>　　4.3 減振器對機(jī)床實(shí)際減振效果測試</p><p>　　實(shí)際運(yùn)用時(shí)的減振效果才能完全表現(xiàn)出來，只有實(shí)際情況的測試才能評判一個(gè)減振器的好壞，所以接下來需要進(jìn)行實(shí)際情況的測試。本實(shí)驗(yàn)當(dāng)中一共有4個(gè)傳感器，選取振幅最為

95、明顯的傳感器來說明，該減振器布置在主軸附近，所以振動效果最為突出。首先測試了機(jī)床在不加裝減振器時(shí)的振動幅值，如圖4.9所示，橫坐標(biāo)為采樣個(gè)數(shù)，縱坐標(biāo)為電壓幅值，由于加速度傳感器為電壓型傳感器，所以形成的數(shù)據(jù)為電壓形式，電壓越大振幅越大，縱坐標(biāo)也可以認(rèn)為是振幅的大小。沒有加裝減振器的情況下該小型精密機(jī)床的振動幅度比較大，而且各種干擾影響非常大，所以極大地降低了加工效果，降低了加工的精度。圖4.6至圖4.8為該試驗(yàn)的機(jī)床傳感器布置。<

96、/p><p>　　圖4.6 主軸附近床身上的傳感器 圖4.7刀架及床身的傳感器</p><p>　　圖4.8 頂針上的傳感器</p><p>　　圖4.9 空載幅值圖</p><p>　　加速度傳感器的測量類型是電壓式傳感器，所以測得的數(shù)據(jù)為電壓的大小，電壓越大，振幅就越大，所以這些振幅圖當(dāng)中的縱坐標(biāo)為電壓的大小，單位為

97、毫伏（mV）。測試過程中由于是機(jī)床的自激勵(lì)振動，所以頻率的數(shù)值不變，橫坐標(biāo)為采樣個(gè)數(shù)。實(shí)驗(yàn)小組采用了1KHz的采樣頻率，選取了其中連續(xù)的500個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖分析。由圖4.9可見，機(jī)床振動時(shí)的峰峰值為10.9mv左右，振動幅度很大，圖中曲線的不光滑說明了機(jī)床在加工過程當(dāng)中受到了很強(qiáng)烈的干擾，包括人的走動，其他設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)帶來振動，都會通過地面?zhèn)鬟f給機(jī)床，使得機(jī)床的振動幅度變大以及振動頻率不斷變化，最終導(dǎo)致加工的零件表面粗糙度增加，精度滿足不了

98、要求。</p><p>　　接下來，實(shí)驗(yàn)小組測試了加裝了各種常見被動隔振器的機(jī)床的振幅，與空載測試時(shí)一樣，機(jī)床空轉(zhuǎn)產(chǎn)生振動，振動會由機(jī)床沿減振器傳遞給地面，最后由地面反饋給減振器傳遞給機(jī)床。如果減振器工作正常，那么機(jī)床向地面?zhèn)鬟f的振動將會被減弱，周圍環(huán)境產(chǎn)生的振動和地面反饋給機(jī)床的振動也會減弱，從而達(dá)到隔振的效果。</p><p>　　圖4.10 JG1-2減振器幅值圖</p>

99、;<p>　　圖4.10為JG1-2型橡膠減振器的幅值圖，與圖4.9相比較，振幅降低了很多，根據(jù)測試數(shù)據(jù)計(jì)算得到該中減振器的幅值圖中，峰峰值縮小到了3.54mv左右，而且曲線的光滑度好于未加裝減振器時(shí)的曲線，但是根據(jù)圖4.10的圖形來看，振動還存在這不規(guī)則的情況，這說明周圍環(huán)境產(chǎn)生的沖擊對機(jī)床造成了影響，所以該減振器無法較好的隔絕地面?zhèn)鬟f給機(jī)床的沖擊，導(dǎo)致在該幅值圖當(dāng)中的曲線不規(guī)則，幅值不斷變化。當(dāng)然這個(gè)減振器在機(jī)床空載的

100、時(shí)候還是能夠起到一定的減振作用。</p><p>　　圖4.11RM型減振器幅值圖</p><p>　　圖4.11為RM型橡膠減振器的測試結(jié)果，相比于JG1-2型橡膠減振器，RM型減振器的減振效果要好于前者，振動的幅值進(jìn)一步縮小，達(dá)到了2.2mv左右，JG1-2型減振器測試得出的峰峰值大約為3.54mv，減小了約38%。而且曲線的形狀較JG1-2型規(guī)則了不少，說明隔振效果更加突出，抗沖擊效

101、果比JG1-2型減振器明顯。但是還是有很多不規(guī)則的地方，說明該種減振器的抗沖擊能力仍需要改進(jìn)，但是總的來說RM型減振器對該型號的小型機(jī)床的減振效果比JG1-2型減振器好。</p><p>　　圖4.12 減振墊幅值圖</p><p>　　圖4.12為減振墊的幅值圖，從圖上可知，加裝了減振墊之后的峰峰值為1.59mv左右，比RM型減振器測試得出的峰峰值降低了19%左右，比JG1-2型減振器降

102、低了54%，而且減振墊的幅值圖中曲線的光滑程度相對于前兩種減振器的來說規(guī)則了很多，幅值趨于穩(wěn)定，呈現(xiàn)出穩(wěn)定的正弦波形，說明該減振墊相對于前兩種減振器來說，抗沖擊能力增加了很多，減小了機(jī)床受到的沖擊。所以減振效果比前兩種減振器好，而且抗沖擊效果也比前兩種減振器的抗沖擊效果要好。由這三個(gè)圖得出減振墊比前兩種減振器更加適用于該小型機(jī)床。</p><p>　　圖4.13 AGS-53A減振器</p>&

103、lt;p>　　圖4.14 SAGS-53A減振器</p><p>　　最后，實(shí)驗(yàn)小組從青島愛博瑞公司購買了兩種減振器分別為AGS-53A型彈簧－阻尼減振器和SAGS-53A型彈簧－阻尼減振器，并且對這兩種減振器也做了相同的測試，圖4.13和圖4.14為測試結(jié)果。根據(jù)測試數(shù)據(jù)處理分析得出，AGS-53A型減振器的峰峰值為1.6mv左右，SAGS-53A型減振器的峰峰值為1.4mv左右，因?yàn)檫@兩種減振器僅僅是

104、外形上有所不同，AGS－53A型減振器標(biāo)有刻度而另外一種沒有，所以兩者減振效果相差無幾，相對于橡膠減振器，減振效果得到了較大的提升。由于這兩種減振器的安裝中需要有200KG左右的配重負(fù)載在減振器上，由于技術(shù)條件有限，無法按照要求將減振器按照要求安裝，所以減振效果無法達(dá)到該減振器應(yīng)該達(dá)到的效果，但是根據(jù)測試結(jié)果，這兩種減振器任然能夠有效地隔絕振動，而且隔振效果比實(shí)驗(yàn)小組所使用的橡膠減振器好，所以這兩種型號的減振器和減振墊最適宜使用在實(shí)驗(yàn)小

105、組所使用的小型機(jī)床上。隔振效果達(dá)到了87%左右。</p><p>　　從這些數(shù)據(jù)中看出，減振器的確能夠極大地改善機(jī)床的加工環(huán)境而且不同的減振器有著不同的減振效果。減振墊以及青島愛博瑞公司的減振器相對于其他減振器來說，振幅比較小，而且在機(jī)器的實(shí)際工作過程中，外界的激勵(lì)，除簡諧型外還可能包含一些不規(guī)則的沖擊，由于沖擊會引起設(shè)備較大振幅的自由振動，增加阻尼的目的就是能使自由振動很快消失，尤其是當(dāng)隔振對象在起動及停車而經(jīng)