機(jī)床動(dòng)力學(xué)分析【畢業(yè)設(shè)計(jì)+開題報(bào)告+文獻(xiàn)綜述】

1、<p>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)</p><p><b>　?。ǘ?屆）</b></p><p><b>　　機(jī)床動(dòng)力學(xué)分析</b></p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級(jí) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化

2、 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘 要</b></p>&l

3、t;p>　　現(xiàn)代機(jī)床的設(shè)計(jì)理念是：高速、高精、低噪聲，這種高要求的設(shè)計(jì)理念要求設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中要對(duì)機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究。而機(jī)床的床身是動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)中的主體部分，因此對(duì)機(jī)床的床身系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究是十分關(guān)鍵和重要的。</p><p>　　傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，生產(chǎn)周期長(zhǎng)、成本高、設(shè)計(jì)修改不方便，其主要原因在于：分析、試驗(yàn)、修改等過程所面對(duì)的對(duì)象是物理樣機(jī)。因此本文以CAD思想為基礎(chǔ)建立數(shù)字樣機(jī)并結(jié)合模態(tài)分析的相關(guān)

4、原理對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性研究。試圖將試驗(yàn)對(duì)象由物理樣機(jī)轉(zhuǎn)化成數(shù)字樣機(jī)，將研究轉(zhuǎn)移到數(shù)字平臺(tái)上來，從而減少對(duì)物理樣機(jī)的試驗(yàn)，加快設(shè)計(jì)，降低成本。</p><p>　　將數(shù)控機(jī)床整機(jī)的動(dòng)態(tài)性能分析與可視化設(shè)計(jì)方法相結(jié)合,提出整機(jī)動(dòng)力學(xué)可視化設(shè)計(jì)流程,包括設(shè)計(jì)目標(biāo)、設(shè)計(jì)內(nèi)容以及設(shè)計(jì)方法。最后對(duì)該機(jī)床進(jìn)行整機(jī)動(dòng)態(tài)性能可視化仿真,得出固有頻率、固有特性以及主振型,為該機(jī)床結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化提供依據(jù)。</p>&

5、lt;p>　　關(guān)鍵詞：動(dòng)力學(xué)，模態(tài)分析，固有頻率</p><p>　　Dynamics Analysis Machine </p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The idea of modern machine tools design is：high rotational speed, high

6、accuracy and low noise etc. So it is necessary for designer to these requests. Machine tool bed is a main part in machine tools' dynamic system. Therefore, it's pivotal and important to research its machine tool

7、bed.</p><p>　　Our object is actual physical prototype during analyzing, experimenting and modifying, that lead to some shortcomings of the traditional design method, such as long production cycle, high cost

8、and difficulty of design modification. Digital prototype is created and researched in the thesis depending on CAD and modal analysis theory. For this reason, actual physical prototype is displaced by digital prototype an

9、d our research is done on a digital platform to accelerate design and reduce cost. </p><p>　　By integrating dynamic performance analysis with visualized design method on machine assembly, Accordingly, the dy

10、namic visualized design procedure, including design objectives, options and methods, is proposed. Based on this notion, the dynamic performance of machine tools is visually simulated to acquire natural frequency, inheren

11、t property and Vibration mode . Therefore, this approach set a reference to optimizing the machine structural performance.</p><p>　　Key words: dynamics,modal analysis,natural frequency</p><p>&

12、lt;b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p>　　第一章 緒 論1</p><p>　　1.1課題研究的背景及意義1</p><p>　　1.2機(jī)床動(dòng)力學(xué)分析國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀2

13、</p><p>　　1.2.1 動(dòng)力學(xué)分析技術(shù)2</p><p>　　1.2.2 動(dòng)力學(xué)分析國(guó)內(nèi)外研究狀況3</p><p>　　1.2.3機(jī)床動(dòng)力學(xué)分析的國(guó)內(nèi)外研究狀況4</p><p>　　1.2.4本課題研究的內(nèi)容及要解決的問題6</p><p>　　第二章 機(jī)床動(dòng)力學(xué)模態(tài)分析測(cè)試?yán)碚?</p

14、><p>　　2.1模態(tài)分析基本原理7</p><p>　　2.2分析的方法及應(yīng)用9</p><p>　　第三章 機(jī)床模態(tài)分析平臺(tái)構(gòu)建12</p><p>　　3.1確定實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備及實(shí)驗(yàn)流程12</p><p>　　3.2搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)15</p><p>　　第四章 機(jī)床模態(tài)測(cè)試實(shí)驗(yàn)

15、18</p><p>　　4.1確定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容18</p><p>　　4.2振動(dòng)測(cè)試20</p><p>　　4.3測(cè)試數(shù)據(jù)分析20</p><p>　　第五章 總結(jié)及展望25</p><p>　　5.1總 結(jié)25</p><p>　　5.2存在的問題及展望25</p

16、><p>　　第六章 參考文獻(xiàn)錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　第七章 致 謝26</p><p><b>　　第一章 緒 論</b></p><p>　　1.1課題研究的背景及意義</p><p>　　眾所周知，在機(jī)床加工過程中，振動(dòng)的危害極大，尤其對(duì)于超精密機(jī)床。使用金剛石

17、刀具作超精密切削時(shí)，要求機(jī)床工作極其平穩(wěn)、振動(dòng)極小，否則很難保證較高的加工精度和超光滑的表面質(zhì)量。因此，對(duì)機(jī)床進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析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。 通過查閱大量的資料文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)機(jī)床的主軸、導(dǎo)軌等單一零件的動(dòng)力學(xué)分析有很詳細(xì)的資料，但是對(duì)機(jī)床整機(jī)的動(dòng)力學(xué)研究資料就相對(duì)較少。有介紹機(jī)床整機(jī)的動(dòng)力學(xué)分析的也是大概籠統(tǒng)的介紹了下，很少有很詳細(xì)全面的研究。對(duì)于這種情況大致了解了到是因?yàn)閷?duì)機(jī)床整機(jī)進(jìn)行

18、動(dòng)力學(xué)分析有一定的難度，因?yàn)闄C(jī)床本身的體積很大，很難進(jìn)行有效的激振，需要考慮的因素較多。例如：機(jī)床整機(jī)不是一個(gè)單一的零件，做動(dòng)力學(xué)分析難度較大。機(jī)床整機(jī)的體積較大，外界環(huán)境的干擾較大。所以做機(jī)床整機(jī)的動(dòng)力學(xué)分析，想要得到有效的動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，必須合理的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。機(jī)床的加工性能與其動(dòng)力學(xué)特性關(guān)系非常密切，其動(dòng)態(tài)性能（振動(dòng)、噪聲及穩(wěn)定性等）是影響其工作性能及品質(zhì)質(zhì)量最重要的性能指標(biāo)。隨著機(jī)床向高精度、高表面質(zhì)量和高生產(chǎn)率方向發(fā)展，

19、機(jī)床的振動(dòng)問題，近年來備受關(guān)注。其加工精度很大</p><p>　　1.2機(jī)床動(dòng)力學(xué)分析國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　1.2.1 動(dòng)力學(xué)分析技術(shù)</p><p>　　動(dòng)力學(xué)分析用來確定慣性（質(zhì)量效應(yīng)）和阻尼起重要作用時(shí)的結(jié)構(gòu)或構(gòu)建動(dòng)力學(xué)特性的技術(shù)。</p><p>　　動(dòng)力學(xué)特性的分為下面幾種類型：</p><p&g

20、t;　　振動(dòng)特性（結(jié)構(gòu)振動(dòng)方式和振動(dòng)頻率）；</p><p>　　隨時(shí)間變化載荷的效應(yīng)（例如：對(duì)結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)力的效應(yīng)）；</p><p>　　周期（振動(dòng)）或隨機(jī)載荷的效應(yīng)。</p><p>　　動(dòng)力學(xué)分析通常用來分析以下物理現(xiàn)象：</p><p>　　振動(dòng)。如由于旋轉(zhuǎn)機(jī)械引起的震動(dòng)；</p><p>　　沖擊。如汽車碰

21、撞，錘擊；</p><p>　　交變作用力。如各種曲軸以及其他回轉(zhuǎn)機(jī)械等；</p><p>　　地震載荷。如地震，沖擊波等；</p><p>　　隨機(jī)振動(dòng)。如火箭發(fā)射，道路運(yùn)輸?shù)取?lt;/p><p>　　上述每一種情況都有一個(gè)特定的動(dòng)力學(xué)分析類型來分析處理；</p><p><b>　?。?）振動(dòng)</b&

22、gt;</p><p>　　在工作中，汽車尾氣排氣管裝配體的固有頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)的固有頻率相同時(shí)，就可能被震散。那么怎么樣才能避免這種危險(xiǎn)結(jié)果呢？</p><p>　　受應(yīng)里力或離心力作用的渦輪葉片會(huì)表現(xiàn)出不同的動(dòng)力學(xué)特性，該如何解釋和分析這種現(xiàn)象呢?</p><p>　　通過進(jìn)行模態(tài)分析來確定結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性就可以避免上述兩種情況的發(fā)生。</p><

23、p><b>　?。?）沖擊</b></p><p>　　汽車防撞擋板可以承受低速撞擊，但在較高速下撞擊就可能變形一個(gè)網(wǎng)球拍架子應(yīng)該設(shè)計(jì)得能承受網(wǎng)球的沖擊并且允許發(fā)生輕微彎曲。</p><p>　　通過進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析來計(jì)算結(jié)構(gòu)對(duì)隨時(shí)間變化載荷的響應(yīng)。</p><p><b>　?。?）交變作用力</b></p

24、><p>　　回轉(zhuǎn)機(jī)器對(duì)軸承和支撐結(jié)構(gòu)施加穩(wěn)態(tài)的、交變的作用力，這些作用力隨著旋轉(zhuǎn)速度的不同會(huì)引起不同的偏轉(zhuǎn)和應(yīng)力。</p><p>　　通過進(jìn)行諧響應(yīng)分析來確定結(jié)構(gòu)對(duì)穩(wěn)態(tài)簡(jiǎn)諧載荷的響應(yīng)。</p><p><b>　　（4）地震載荷</b></p><p>　　位于地震多發(fā)區(qū)的房屋框架和橋梁應(yīng)該設(shè)計(jì)的能夠使其滿足承受地震載荷

25、的要求。</p><p>　　通過進(jìn)行譜分析來確定結(jié)構(gòu)對(duì)地震載荷的響應(yīng)</p><p><b>　　（5）隨機(jī)振動(dòng)</b></p><p>　　太空船和飛機(jī)的部件必須能夠承受持續(xù)一段時(shí)間的變頻率隨機(jī)載荷。</p><p>　　通過進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析來確定結(jié)構(gòu)對(duì)隨機(jī)震動(dòng)的影響。</p><p>　　動(dòng)

26、力學(xué)分析有以下幾種類型：</p><p>　　模態(tài)分析——確定結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性</p><p>　　瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析——計(jì)算結(jié)構(gòu)對(duì)隨時(shí)間變化載荷的響應(yīng)</p><p>　　諧響應(yīng)分析——確定結(jié)構(gòu)對(duì)穩(wěn)態(tài)簡(jiǎn)諧正弦載荷的響應(yīng)</p><p>　　譜分析——確定結(jié)構(gòu)對(duì)地震載荷的響應(yīng)</p><p>　　隨機(jī)振動(dòng)分析——確定結(jié)構(gòu)

27、對(duì)隨機(jī)振動(dòng)的影響</p><p>　　1.2.2 動(dòng)力學(xué)分析國(guó)內(nèi)外研究狀況</p><p>　　近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在動(dòng)力學(xué)研究的基礎(chǔ)上發(fā)展了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、模態(tài)力法和理論與實(shí)測(cè)結(jié)合法等。綜合運(yùn)用模態(tài)力法與有限元法對(duì)零件進(jìn)行固有頻率及其振型分析時(shí)，可直接計(jì)算出各個(gè)零件各階固有頻率下的主振型及相應(yīng)模態(tài)。該方法與單一的動(dòng)力學(xué)分析相比，精度更高，計(jì)算速度更快。由于動(dòng)力分析中不僅需要許多的理論計(jì)算還依

28、賴于動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，所以單靠理論計(jì)算往往得不到符合工程實(shí)際的解析，因此將動(dòng)力學(xué)測(cè)試技術(shù)和有限元分析技術(shù)結(jié)合。</p><p>　　目前國(guó)內(nèi)外對(duì)單一零件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析通常采用軟件實(shí)體建模，生成實(shí)體模型，接近于實(shí)物體。然后把三維模型的幾何、質(zhì)量和約束等關(guān)系導(dǎo)入到有限元分析軟件中。首先需要添加零件的材料，修改零件的名稱，零件之間的約束關(guān)系。然后自檢所添加的約束關(guān)系是否真確。合理的對(duì)零件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后進(jìn)行反復(fù)的仿真分析和

29、數(shù)據(jù)處理。</p><p>　　1.2.3機(jī)床動(dòng)力學(xué)分析的國(guó)內(nèi)外研究狀況</p><p>　　目前國(guó)際領(lǐng)域非常重視機(jī)械產(chǎn)品的動(dòng)力學(xué)研究，如日本的SHNIPPON KOKICo.Ltd公司在其機(jī)床產(chǎn)品的說明書中，特別強(qiáng)調(diào)該產(chǎn)品是經(jīng)過動(dòng)力學(xué)研究制造完成的。而我國(guó)的機(jī)床發(fā)展，工業(yè)基礎(chǔ)薄外，研究手段落后于其他先進(jìn)國(guó)家、資金短缺等困難。機(jī)床的加工性能與其動(dòng)態(tài)性關(guān)系非常密切，其動(dòng)態(tài)性能（振動(dòng)、噪聲及穩(wěn)

30、定性等）是影響其工作性能及品質(zhì)最重要的性能指標(biāo)。</p><p>　　目前，數(shù)控機(jī)床動(dòng)力學(xué)分析仍是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，我國(guó)及世界其他國(guó)家都在競(jìng)相發(fā)展以高速、高精、高效為主要特征的超精密機(jī)床，對(duì)這類機(jī)床進(jìn)行動(dòng)力學(xué)優(yōu)化就顯得更加重要。對(duì)于高速精密機(jī)床而言，進(jìn)行機(jī)床動(dòng)態(tài)特性分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，了解機(jī)床結(jié)構(gòu)本身具有的剛度特性即機(jī)床的固有頻率和主振型，將避免在使用中因共振因素所造成不必要的損失。對(duì)機(jī)床床身動(dòng)力學(xué)分析的方法主要是模

31、態(tài)分析法，通過模態(tài)分析得出數(shù)據(jù)，根據(jù)此數(shù)據(jù)對(duì)機(jī)床床身進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高它的固有頻率，即結(jié)構(gòu)本身具有的剛度特性，使床身的動(dòng)力學(xué)特性得以改善，滿足機(jī)床對(duì)加工質(zhì)量和加工精度的要求。</p><p>　　機(jī)床動(dòng)力學(xué)研究的方法主要是模態(tài)分析法，模態(tài)分析技術(shù)是基于系統(tǒng)響應(yīng)和激振力的動(dòng)態(tài)測(cè)試方法，是利用信號(hào)處理和參數(shù)識(shí)別技術(shù)來確定系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)的一種方法，它可以非常直觀地反映各階模態(tài)的情況，并聯(lián)系模態(tài)坐標(biāo)和物理坐標(biāo)，從而為結(jié)構(gòu)薄

32、弱環(huán)節(jié)改進(jìn)設(shè)計(jì)、振動(dòng)故障診斷預(yù)報(bào)以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)等提供依據(jù)。模態(tài)分析研究的主要內(nèi)容是確定結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性即固有頻率和主振型，它們是承受動(dòng)載荷的重要參數(shù)。通過模態(tài)分析就可以判斷機(jī)床的振型是否影響加工精度和表面粗糙度，并可對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使它滿足機(jī)床對(duì)加工質(zhì)量和加工精度的要求。通過對(duì)機(jī)床進(jìn)行動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，并應(yīng)用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)測(cè)試與分析的手段可以獲得精確的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能參數(shù)，進(jìn)一步分析就可以發(fā)現(xiàn)機(jī)床結(jié)構(gòu)存在的薄弱環(huán)節(jié)，這就為平

33、臺(tái)結(jié)構(gòu)優(yōu)化打下了基礎(chǔ)。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。</p><p>　　模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性的一種方法。振動(dòng)問題是在動(dòng)態(tài)分析中常見的問題，模態(tài)分析就是為了研究振動(dòng)問題，而提供的很好的方法。所謂模態(tài)分析就是確定設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)或機(jī)械部件的振動(dòng)特性，得到結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，由于它們是進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究的重要參數(shù)，所以模態(tài)分析也是為了更詳細(xì)的動(dòng)力學(xué)分析如譜響應(yīng)分析、瞬

34、態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、頻譜分析等做準(zhǔn)備。機(jī)床的每一個(gè)模態(tài)都有一個(gè)特定的固有頻率和振型，不僅是機(jī)床承受動(dòng)態(tài)載荷設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，而且對(duì)于分析和評(píng)價(jià)機(jī)床結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能、指導(dǎo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析、實(shí)時(shí)控制以及標(biāo)定等均有指導(dǎo)意義。計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，使快速傅立葉（FFT）分析得以實(shí)現(xiàn)，出現(xiàn)了模態(tài)分析儀器設(shè)備，促進(jìn)了模態(tài)分析技術(shù)的迅速發(fā)展。</p><p>　　模態(tài)參數(shù)識(shí)別按照使用響應(yīng)信號(hào)的數(shù)目分為局部識(shí)別和整體識(shí)別兩種，按照使用激

35、勵(lì)和響應(yīng)的數(shù)目分為單入單出(SISO)識(shí)別法、單入多出(SIMO)識(shí)別法和多入多出(MIMO)識(shí)別法。SISO屬于局部識(shí)別，SIMO和MIMO屬于整體識(shí)別。在SISO頻域模態(tài)參數(shù)識(shí)別中，按照模態(tài)密集程度不同，可分為單模態(tài)識(shí)別和多模態(tài)識(shí)別。前者將待識(shí)別的幾階模態(tài)看作與其他模態(tài)獨(dú)立的單自由度系統(tǒng)，適于阻尼較小、模態(tài)較分散的情形。后者將待識(shí)別的幾階模態(tài)看作耦合的，并考慮擬合頻段以外的模態(tài)影響。對(duì)于阻尼較大、模態(tài)較密集的情況，必須用多模態(tài)參數(shù)識(shí)

36、別法。在模態(tài)分析中，阻尼是一個(gè)較難處理的問題。根據(jù)結(jié)構(gòu)性質(zhì)不同，常用到粘性比例阻尼、一般粘性阻尼、結(jié)構(gòu)比例阻尼與結(jié)構(gòu)阻尼四種阻尼模型。</p><p>　　單點(diǎn)激勵(lì)是最簡(jiǎn)單、最常用的激勵(lì)方式。所謂單點(diǎn)激勵(lì)，是指對(duì)測(cè)試結(jié)構(gòu)一次只激勵(lì)一個(gè)點(diǎn)的一個(gè)方向，而在其他任何坐標(biāo)上均沒有激勵(lì)作用。單點(diǎn)激勵(lì)是SISO參數(shù)識(shí)別所要求的激勵(lì)方式。單點(diǎn)激勵(lì)方式之所以有效，是建立在振動(dòng)系統(tǒng)的可控性和可觀性假設(shè)基礎(chǔ)上的。所謂振動(dòng)系統(tǒng)的可控

37、性，是指對(duì)選擇的點(diǎn)施加激勵(lì)，能激發(fā)出系統(tǒng)的各階模態(tài)。理論上講，只要激勵(lì)點(diǎn)不在各階模態(tài)振型的節(jié)點(diǎn)上，且具備足夠的能量，就可以激發(fā)系統(tǒng)的各階模態(tài)。所謂振動(dòng)系統(tǒng)的可觀性，是指測(cè)量出的各響應(yīng)點(diǎn)的輸出信號(hào)中包含各階模態(tài)的信息。對(duì)線性系統(tǒng)，可觀性總是滿足的。具備了可控性和可觀性，系統(tǒng)才可辨識(shí)。SISO方法要求同時(shí)高速采集輸入、輸出兩個(gè)點(diǎn)的信號(hào)，用不斷移動(dòng)激勵(lì)點(diǎn)位置或響應(yīng)點(diǎn)位置的辦法獲取振型數(shù)據(jù)。多點(diǎn)激勵(lì)是指對(duì)多個(gè)點(diǎn)同時(shí)施加激振力的激勵(lì)方式。顯然，輸

38、入系統(tǒng)的激勵(lì)能量會(huì)成倍增加。同時(shí)，也增加了激振的復(fù)雜性。而且SIMO及MIMO的方法則要求大量通道數(shù)據(jù)的高速并行采集，因此要求大量的振動(dòng)測(cè)量傳感器和激振器，試驗(yàn)成本較高。對(duì)中小型結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析，采用單點(diǎn)激勵(lì)即可獲得滿意效果，然而，對(duì)大型、復(fù)雜結(jié)構(gòu)，單點(diǎn)激勵(lì)往往丟失模態(tài)，或由于激勵(lì)能量有限而得不到有效的</p><p>　　1.2.4本課題研究的內(nèi)容及要解決的問題</p><p>　　以學(xué)校

39、的小型超精密機(jī)床為例，以三維建模、數(shù)值計(jì)算和動(dòng)態(tài)性能測(cè)試等為手段，通過對(duì)機(jī)床進(jìn)行動(dòng)力學(xué)特性分析測(cè)試，尋找小型超精密機(jī)床的主振型、固有頻率和阻尼比。用CAD建立機(jī)床的三維模型，構(gòu)建機(jī)床模態(tài)分析平臺(tái)，按照所提出的振動(dòng)測(cè)試方法及流程對(duì)其進(jìn)行了整機(jī)振動(dòng)測(cè)試,測(cè)試的內(nèi)容包括對(duì)主軸、導(dǎo)軌、刀塔等做振動(dòng)測(cè)試，采集振動(dòng)數(shù)據(jù)，然后對(duì)機(jī)床整機(jī)做模態(tài)分析,得到模態(tài)參數(shù)主振型、固有頻率及阻尼比等參數(shù)。通過軟件得到的機(jī)床模態(tài)振型與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的模態(tài)參數(shù)做對(duì)比。<

40、;/p><p>　　第二章 機(jī)床動(dòng)力學(xué)模態(tài)分析測(cè)試?yán)碚?lt;/p><p>　　2.1模態(tài)分析基本原理</p><p>　　單自由度振動(dòng)系統(tǒng)是最基本的系統(tǒng)，雖然實(shí)際的結(jié)構(gòu)均為多自由度系統(tǒng)，但對(duì)單自由度分析能揭示振動(dòng)系統(tǒng)的很多基本特性。從單自由度振動(dòng)系統(tǒng)出發(fā)分析系統(tǒng)的頻響函數(shù)，將便于分析和理解其基本特性。多自由度線性系統(tǒng)常常可以看成為許多單自由度系統(tǒng)的線性疊加。</p

41、><p>　　對(duì)于單自由度粘性阻尼系統(tǒng)，假定其阻尼力與振動(dòng)速度成正比，方向與速度相反，即</p><p><b>　　(2-1)</b></p><p>　　式中 c為粘性阻尼系數(shù)。為振動(dòng)速度。</p><p>　　單自由度系統(tǒng)的力學(xué)模型如圖2-1所示。其運(yùn)動(dòng)微分方程式為

42、 (2-2)</p><p>　　圖 2-1單自由度系統(tǒng)力學(xué)模型</p><p>　　式中，x及f均為時(shí)間t的函數(shù)。</p><p>　　對(duì)于自由振動(dòng)（f = 0），上式可寫為</p><p><b>　　(2-3)</b></p><p>　　對(duì)于多自由度系統(tǒng)

43、，結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性可由N 階微分方程矩陣描述：</p><p><b>　　(2-4)</b></p><p>　　式中F 為N 維激振力向量。、、分別為N 維位移、速度和加速度響應(yīng)失量。、、分別為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，剛度和阻尼矩陣，通常為實(shí)N 階矩陣。</p><p>　　對(duì)式（2-4）兩邊進(jìn)行拉氏變換，可得</p><p>&

44、lt;b>　　(2-5)</b></p><p>　　式中 </p><p><b>　　(2-6)</b></p><p>　　為拉氏變換因子。及分別為位移響應(yīng)與激勵(lì)力的拉氏變換（初始條件為零）</p><p><b>　　(2-7)</b></p

45、><p><b>　　(2-8) </b></p><p>　　式（2-5）又可寫成為： </p><p><b>　　(2-9)</b></p><p>　　式中 </p><p><b>　　(2-10)</b></p

46、><p><b>　　為位移阻抗矩陣。</b></p><p>　　阻抗矩陣的逆矩陣稱為傳遞函數(shù)矩陣：</p><p><b>　　(2-11)</b></p><p>　　對(duì)線性時(shí)不變系統(tǒng)，其極點(diǎn)在 s 平面左半平面，可將 s 換成jω，便得出在傅氏域中的阻抗矩陣及頻響函數(shù)矩陣。</p>

47、<p><b>　　(2-12)</b></p><p><b>　　(2-13)</b></p><p>　　此時(shí)，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程為</p><p><b>　　(2-14)</b></p><p>　　利用實(shí)對(duì)稱矩陣的加權(quán)正交性，有</p><

48、;p>　　， (2-15)</p><p>　　其中矩陣稱為振型矩陣，假設(shè)比例阻尼也滿足振型正交性關(guān)系 </p><p>　　(2-16) </p><p>　　代入（2-10）式得到</p><p><b>　　(2-17)</b></p

49、><p>　　式中 ，因此 </p><p><b>　　(2-18)</b></p><p><b>　　(2-19)</b></p><p>　　上式中，，，、分別稱為第r 階模態(tài)質(zhì)量和模態(tài)剛度，、和分別稱為第r 階模態(tài)頻率，模態(tài)阻尼比和模態(tài)振型。</p><p&

50、gt;　　2.2分析的方法及應(yīng)用</p><p>　　模態(tài)分析實(shí)質(zhì)上是一種坐標(biāo)變換。其目的在于把原物理坐標(biāo)系統(tǒng)中描述的相應(yīng)向量轉(zhuǎn)換到“模態(tài)坐標(biāo)系統(tǒng)”中來描述。在物理坐標(biāo)系統(tǒng)中，彈性力和阻尼力往往和兩座標(biāo)的相對(duì)位移與相對(duì)速度有關(guān)，即對(duì)應(yīng)的矩陣為非對(duì)角陣，對(duì)于有成千上萬(wàn)自由度的系統(tǒng)，解非對(duì)角陣（或耦合方程）既費(fèi)時(shí)又會(huì)產(chǎn)生很大誤差。向量并不一定正交，而模態(tài)坐標(biāo)中的正交向量能更好地反映結(jié)構(gòu)特性。模態(tài)試驗(yàn)就是通過對(duì)結(jié)構(gòu)或部

51、件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和分析尋求其“模態(tài)參數(shù)”的。</p><p><b>　　主要應(yīng)用有：</b></p><p>　　用于振動(dòng)測(cè)量和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析，可測(cè)得比較精確的固有頻率、模態(tài)振型、模態(tài)阻尼、模態(tài)質(zhì)量和模態(tài)剛度。</p><p>　　可用模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果去指導(dǎo)有限元理論模型的修正，使理論模型更趨完善和合理。</p><p>

52、;　　用模態(tài)試驗(yàn)建立一個(gè)子結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型然后再將其組合到完整的結(jié) 構(gòu)中去這通常稱為“子結(jié)構(gòu)方法”。</p><p>　　用來進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)修改靈敏度分析和反問題的計(jì)算。</p><p>　　用來進(jìn)行響應(yīng)計(jì)算和載荷識(shí)別。由于理論模型計(jì)算很難得到模態(tài)阻尼，因而進(jìn)行響應(yīng)計(jì)算結(jié)果往往不理想。利用模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行響應(yīng)計(jì)算則無此弊端。</p><p>　　模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力

53、學(xué)特性的一種近代方法，是系統(tǒng)辨別法在工程振動(dòng)領(lǐng)域中的應(yīng)用。振動(dòng)模態(tài)是彈性結(jié)構(gòu)所固有的整體的特性，每一個(gè)模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。這些模態(tài)參數(shù)可以通過實(shí)驗(yàn)或計(jì)算取得。如果通過實(shí)驗(yàn)將采集的系統(tǒng)的輸入與輸出信號(hào)經(jīng)過參數(shù)識(shí)別獲得模態(tài)參數(shù)，稱為實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析。如果模態(tài)參數(shù)是由有限元計(jì)算的方法取得的，稱為計(jì)算模態(tài)分析。模態(tài)分析實(shí)質(zhì)是一種坐標(biāo)變換的過程。它建立了從物理模型到模態(tài)模型之間的橋梁，建立了頻率響應(yīng)函數(shù)與系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性之間的關(guān)系

54、。模態(tài)分析必須遵循以下幾個(gè)基本假設(shè)：</p><p><b>　　線性假設(shè)；</b></p><p><b>　　時(shí)不變假設(shè)；</b></p><p><b>　　可觀測(cè)性假設(shè)；</b></p><p><b>　　互易性假設(shè)。</b></p>

55、<p>　　在上述假設(shè)條件下，彈性體結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的振動(dòng)方程為:</p><p><b>　?。?-20）</b></p><p>　　式中:M、K、C分別為質(zhì)量矩陣、剛度矩陣和阻尼矩陣。F(t)是隨時(shí)間變化的載荷向量。、、分別是節(jié)點(diǎn)上各自由度方向的加速度、速度和位移向量。當(dāng)不受外載荷且忽略阻尼時(shí)，結(jié)構(gòu)的無阻尼自由振動(dòng)方程為:，其解是一組簡(jiǎn)諧振動(dòng)的疊加。設(shè)方

56、程的解為:，則可得齊次方程組:。因自由振動(dòng)時(shí)各自由度的振幅X不可能全部為0，因此要有非零解，系數(shù)矩陣行列式的值必須為0，即:，其中。在N自由度系統(tǒng)中，矩陣和矩陣均為n階方陣，則為的n階高次方程，求值的問題也就是求廣義特征值問題。在求得方程特征值和特征向量后，就可以求得結(jié)構(gòu)的各階固有頻率和振型。</p><p>　　模態(tài)分析法是憑借振動(dòng)系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)來對(duì)小型超精密機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行分析、預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)和優(yōu)化。而將振動(dòng)系

57、統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)辨識(shí)出來是模態(tài)分析過程中的重要環(huán)節(jié)，辨識(shí)模態(tài)參數(shù)需要求解系統(tǒng)的特征值和特征向量(主振型和固有頻率)。為了對(duì)小型超精密機(jī)床整機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析，必須將具有無限個(gè)自由度的機(jī)床離散成若干個(gè)質(zhì)量集中的子結(jié)構(gòu)，構(gòu)建符合實(shí)際情況的機(jī)床動(dòng)力學(xué)模型對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析的基礎(chǔ)。具有n個(gè)自由度的振動(dòng)系統(tǒng)，其有阻尼的受迫振動(dòng)運(yùn)動(dòng)方程為</p><p><b>　?。?-21)</b></p>

58、<p>　　式中的，，分別為系統(tǒng)質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣。為位移響應(yīng)向量。為激勵(lì)力向量。振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率和主振型是系統(tǒng)的自然屬性，必須通過研究無阻尼自由振動(dòng)來求解。求出振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率得和振幅矩陣。N個(gè)自由度振動(dòng)系統(tǒng)就有n個(gè)固有頻率，，......以及n個(gè)對(duì)應(yīng)的主振型，，......。</p><p>　　模態(tài)分析關(guān)心的是結(jié)構(gòu)的固有特性，與外界載荷無關(guān)，與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無關(guān)，是進(jìn)一步振動(dòng)分析的基礎(chǔ)。

59、通過模態(tài)分析得到各階頻率及振型，據(jù)此找出機(jī)床結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)和可能的破壞區(qū)域，為機(jī)床結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供參考依據(jù)。機(jī)床是一個(gè)具有無限多個(gè)自由度的振動(dòng)系統(tǒng)，存在對(duì)應(yīng)于其固有頻率的無限多個(gè)振型。高階振型阻尼值一般也較高，在振動(dòng)中起的作用也越小。根據(jù)分析精度要求，模態(tài)分析主要集中在影響較大的低階模態(tài)上。</p><p>　　第三章 機(jī)床模態(tài)分析平臺(tái)構(gòu)建</p><p>　　3.1確定實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備及實(shí)驗(yàn)流

60、程</p><p>　　目前，由于整機(jī)模型復(fù)雜，機(jī)床的結(jié)合面邊界條件等精密科學(xué)設(shè)定困難，分析計(jì)算量大等原因?qū)τ诖笮蜋C(jī)床整機(jī)做有限元分析還是一個(gè)難題。近十多年來，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)、快速傅立葉變換(FFT)分析儀、高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及加速度傳感器、激勵(lì)器等技術(shù)的發(fā)展，實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析得到了飛速的發(fā)展。本次實(shí)驗(yàn)需要用到的實(shí)驗(yàn)設(shè)備有信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、小型單點(diǎn)激振器、振動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、小型超精密機(jī)床、加速度傳感器、電荷放大器、

61、多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、電腦等。</p><p>　　實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析大致可分為3個(gè)基本過程：</p><p>　　動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的采集及頻響函數(shù)或脈沖響應(yīng)函數(shù)分析；</p><p><b>　　建立結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型；</b></p><p><b>　　模態(tài)參數(shù)識(shí)別。</b></p><p>

62、;　　模態(tài)測(cè)試系統(tǒng)由激振系統(tǒng)、信號(hào)發(fā)生器、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)三部分組成。激振系統(tǒng)為小型激振器，將加速度傳感器(測(cè)量測(cè)點(diǎn)響應(yīng)信號(hào))安置在小型超精密機(jī)床的外表面。精確地建立機(jī)床整機(jī)的三維模型機(jī)床模態(tài)分析的前提，利用CAD對(duì)小型超精密機(jī)床的各個(gè)部分進(jìn)行了完整與精確的三維幾何整機(jī)建模。</p><p>　　圖3-1機(jī)床CAD三維模型圖</p><p>　　圖3-2動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)的激震平臺(tái)

63、圖3-3 多通道信號(hào)采集系統(tǒng) </p><p>　　圖3-4 電荷適配器</p><p>　　在實(shí)驗(yàn)中要合理地選擇激振點(diǎn)和拾振點(diǎn)的位置，這對(duì)于獲得正確可靠的模態(tài)分析結(jié)果十分重要。選擇激振點(diǎn)位置時(shí)，應(yīng)盡可能避開各階模態(tài)的節(jié)點(diǎn)和節(jié)線位置，以便能夠激勵(lì)出盡可能多的模態(tài)。同時(shí)應(yīng)使測(cè)點(diǎn)響應(yīng)信號(hào)的幅值足夠大，使各測(cè)量信號(hào)有良好的信噪比。根據(jù)小型超精密機(jī)床的形狀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及考慮到傳感器的安裝等因素，對(duì)

64、機(jī)床進(jìn)行單點(diǎn)激震。</p><p>　　為了隔絕外信號(hào)源，采用懸吊法對(duì)機(jī)床進(jìn)行激震。由于機(jī)床是一個(gè)整體，采用單根繩索對(duì)其進(jìn)行懸吊是不現(xiàn)實(shí)的。所以采用了對(duì)機(jī)床安放的平臺(tái)進(jìn)行懸吊。平臺(tái)采用的是120mm×50mm厚8mm的鋼板，用纜繩對(duì)其進(jìn)行懸吊。用水平儀進(jìn)行測(cè)試，使其處于水平狀態(tài)。將小型超精密機(jī)床安置于平臺(tái)上方，用水平儀進(jìn)行再次校正，使機(jī)床處于水平狀態(tài)。用分布式應(yīng)變傳感系統(tǒng)，分別找出主軸、導(dǎo)軌、主軸箱、刀

65、塔等位置的特征點(diǎn)。然后再這些特征點(diǎn)上安放加速度傳感器。傳感器連接到電荷放大器，然后輸入到多通道信號(hào)同步采集系統(tǒng)中。 </p><p>　　圖3-5 振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)實(shí)施框架圖</p><p>　　圖3-6 加速度傳感器布置圖</p><p>　　如圖3-5所示：1信號(hào)放大器、2功率放大器、3小型激振器、4懸吊的振動(dòng)平臺(tái)、5、傳感器的位置布置、6電荷放大器、7多輸入信號(hào)

66、同步采集系統(tǒng)、8處理終端、9小型超緊密機(jī)床、10機(jī)床電機(jī)、11機(jī)床主軸、12機(jī)床導(dǎo)軌、13機(jī)床刀塔、14機(jī)床尾座、15加速度傳感器。</p><p>　　機(jī)床模態(tài)分析平臺(tái)的構(gòu)建：為了使實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)真實(shí)可靠，需要構(gòu)建一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生可控的各種頻率及振幅的正弦信號(hào)，信號(hào)經(jīng)功率放大器的處理后，輸入到小型激振器中，激振器產(chǎn)生對(duì)應(yīng)頻率的振動(dòng)信號(hào)，使小型超精密機(jī)床發(fā)生振動(dòng)，通過加速度傳感器對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集處

67、理及保存，獲得振動(dòng)信號(hào)的頻響數(shù)據(jù)和頻譜數(shù)據(jù)。</p><p><b>　　3.2搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)</b></p><p>　　在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前，首先確定機(jī)床處于水平位置，用水平儀確定機(jī)床是處于水平位置的。如不是處于水平位置則調(diào)整四條懸吊繩使機(jī)床處于水平位置。然后安放激振器，使激振器的頂針頂在機(jī)床重心下方位置，使頂針處于預(yù)壓5mm狀態(tài)。連接信號(hào)發(fā)生器與功率放大器，功率放大器與激

68、振器的電纜。加速度傳感器采用INV9821靈敏度：50mv/g 頻率范圍：0.5~5000Hz。連接加速度傳感器到電荷放大器，電荷放大器連接到信號(hào)采集系統(tǒng)中，信號(hào)采集系統(tǒng)連接到電腦終端。實(shí)驗(yàn)前先檢查加速度傳感器的靈敏度是否有偏差。把所有的加速度傳感器安放于簡(jiǎn)支梁上，然后對(duì)簡(jiǎn)支梁進(jìn)行激震。觀察各個(gè)加速度傳感器所采集到的振動(dòng)信號(hào)。查看振幅頻率是否有失真現(xiàn)象。</p><p>　　機(jī)床上加速度傳感器位置的確定，采用分布

69、式應(yīng)變傳感器法分別測(cè)得主軸、導(dǎo)軌等位置的振動(dòng)最大點(diǎn)，然后安放傳感器。在傳感器的安放位置產(chǎn)用蠟粘等方法固定傳感器。</p><p>　　按順序打開各個(gè)儀器，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生正弦信號(hào)。經(jīng)過功率放大器輸入到激振器。通過調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器來調(diào)節(jié)正弦信號(hào)的頻率來控制激振器的頻率。通過調(diào)節(jié)功率放大器來調(diào)節(jié)振動(dòng)的幅值。最后有加速度傳感器采集振動(dòng)信號(hào)，得到振動(dòng)信號(hào)的頻譜數(shù)據(jù)和頻響數(shù)據(jù)，處理和保存數(shù)據(jù)。調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器的產(chǎn)生的正弦波的頻率

70、，來測(cè)得機(jī)床固有頻率。然后對(duì)比機(jī)床模態(tài)分析得出的固有頻率。驗(yàn)證模態(tài)分析的準(zhǔn)確性。</p><p>　　最后把機(jī)床三維CAD圖倒入到模態(tài)分析軟件里，在導(dǎo)入頻響數(shù)據(jù)。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換。通過模態(tài)分析軟件對(duì)機(jī)床進(jìn)行模態(tài)分析，得到機(jī)床的動(dòng)態(tài)仿真及機(jī)床各階的固有頻率、阻尼比、模態(tài)振型等參數(shù)。</p><p>　　搭建機(jī)床整機(jī)振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，要根據(jù)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方案來規(guī)劃。通常包括設(shè)計(jì)構(gòu)建實(shí)

71、驗(yàn)平臺(tái)、布置傳感器、布置激振器和連接測(cè)試系統(tǒng)等。對(duì)于小型超緊密機(jī)床的整機(jī)振動(dòng)測(cè)試，采用懸吊法來進(jìn)行模態(tài)測(cè)試。采用懸吊法對(duì)小型超緊密機(jī)床進(jìn)行模態(tài)測(cè)試可以有效的隔離地基對(duì)小型超緊密機(jī)床的振動(dòng)影響，還可以有效的對(duì)小型超精密機(jī)床進(jìn)行有效激震。是實(shí)驗(yàn)結(jié)果更準(zhǔn)確。對(duì)小型超精密機(jī)床的測(cè)試信號(hào)采取正弦信號(hào)對(duì)其激震。因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)中的振動(dòng)通常以正弦信號(hào)為主。對(duì)小型超精密機(jī)床的振動(dòng)測(cè)試感測(cè)器采用加速度傳感器，加速度傳感器靈敏度比位移傳感器和電渦流傳感器的靈敏度高

72、測(cè)試更準(zhǔn)確。用分布式應(yīng)變系統(tǒng)來確定小型超精密機(jī)床上加速度傳感器的位置。</p><p>　　圖3-7 分布式應(yīng)變系統(tǒng)</p><p>　　在安裝加速度傳感器時(shí)，應(yīng)按照實(shí)驗(yàn)分析頻率范圍來選用固定方式，例如可以蠟粘、膠粘、螺栓連接等。在模態(tài)及動(dòng)剛度測(cè)試中，需要激振器對(duì)于小型超精密機(jī)床進(jìn)行激振。要將激振器的柔性桿與激振點(diǎn)固定連接，選用的方式包括膠結(jié)和螺栓連接等。在布置完傳感器及激振器后，用數(shù)據(jù)線

73、連接到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)再連接到計(jì)算機(jī)，從而完成整機(jī)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的搭建。</p><p>　　圖3-8 機(jī)床完整連接示意圖</p><p>　　圖3-9 機(jī)床的連接流程圖</p><p>　　圖3-10 機(jī)床傳感器的布置</p><p>　　圖3-11 機(jī)床完整連接實(shí)物圖</p><p>　　第四章

74、機(jī)床模態(tài)測(cè)試實(shí)驗(yàn)</p><p><b>　　4.1確定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容</b></p><p>　　要綜合考慮機(jī)床抗振性研究的需求來確定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。模態(tài)測(cè)試是機(jī)床動(dòng)力學(xué)研究的基礎(chǔ)，機(jī)床通過進(jìn)行模態(tài)測(cè)試來評(píng)判和檢驗(yàn)機(jī)床的動(dòng)力學(xué)特性，了解機(jī)床各階模態(tài)的振動(dòng)情況。通過實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，得到機(jī)床的各階模態(tài)參數(shù)如各階的固有頻率、阻尼比及機(jī)床的模態(tài)振動(dòng)仿真。聯(lián)系模態(tài)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)坐標(biāo)系和物理坐標(biāo)

75、系，確定機(jī)床的結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)。為機(jī)床結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)的改進(jìn)設(shè)計(jì)、振動(dòng)故障診斷以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。根據(jù)此數(shù)據(jù)對(duì)機(jī)床床身進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高它的固有頻率，即結(jié)構(gòu)本身具有的剛度特性，使床身的動(dòng)力學(xué)特性得以改善，滿足機(jī)床對(duì)加工質(zhì)量和加工精度的要求。常作為機(jī)床整機(jī)測(cè)試的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。</p><p>　　圖4-1 動(dòng)力學(xué)測(cè)試實(shí)驗(yàn)測(cè)試流程圖</p><p><b>　　4

76、.2振動(dòng)測(cè)試</b></p><p>　　機(jī)床整機(jī)振動(dòng)測(cè)試過程包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)導(dǎo)出等操作過程。測(cè)試中需要對(duì)機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，對(duì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，以適應(yīng)不同振動(dòng)測(cè)試的需求。例如進(jìn)行主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度的變更等操作。</p><p>　　圖4-2 傳感器測(cè)得的振動(dòng)時(shí)間曲線 圖4-3 實(shí)驗(yàn)的頻響數(shù)據(jù)</p><p>　　圖4-4 振動(dòng)

77、的頻譜時(shí)間曲線 圖4-5 頻譜實(shí)驗(yàn)的FFT實(shí)時(shí)譜</p><p><b>　　4.3測(cè)試數(shù)據(jù)分析</b></p><p>　　測(cè)試數(shù)據(jù)分析是為了獲得影響機(jī)床抗振性能的各種參數(shù)，包括固有頻率、阻尼比、模態(tài)振型、動(dòng)剛度、振動(dòng)響應(yīng)等。分析的方法可以采用專用分析軟件，例如MEScope，Dasp等。也可以采用MATLAB，Origin，Excel等通用試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析軟

78、件。導(dǎo)入三維機(jī)床模型及獲得的振動(dòng)頻響數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，動(dòng)態(tài)仿真機(jī)床振動(dòng)情況。獲得固有頻率、阻尼比、模態(tài)振型等參數(shù)。通過動(dòng)態(tài)仿真可以直觀的了解機(jī)床的振動(dòng)情況。</p><p>　　圖4-6 模態(tài)分析的數(shù)據(jù)文件</p><p>　　圖4-7 數(shù)據(jù)的傅里葉變換</p><p>　　圖4-8 模態(tài)實(shí)驗(yàn)得到的模態(tài)參數(shù)固有頻率和阻尼比</p><

79、;p>　　圖4-9 機(jī)床XY方向的振動(dòng)</p><p>　　圖4-10 機(jī)床XZ方向的振動(dòng)</p><p>　　圖4-11 機(jī)床三維方向的振動(dòng)圖形</p><p>　　如圖4-11所示小型機(jī)床的振型動(dòng)畫，黑色線框的為機(jī)床原先的三維圖，紅色線框的為機(jī)床激震后發(fā)生的振動(dòng)位移。通過對(duì)機(jī)床的動(dòng)力學(xué)分析可以確定機(jī)床結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性即固有頻率和主振型，它們是承受動(dòng)載荷的重

80、要參數(shù)。通過機(jī)床模態(tài)實(shí)驗(yàn)所得的各階振型參數(shù)與機(jī)床振動(dòng)測(cè)試所得的各階振型做比較。</p><p>　　圖4-12 機(jī)床模態(tài)實(shí)驗(yàn)得到的模態(tài)參數(shù)</p><p>　　圖4-13 一階振型 圖4-14 二階振型</p><p>　　表4-1模態(tài)實(shí)驗(yàn)與理論計(jì)算的各階固有頻率</p><p>　　如表4-1所示通過

81、機(jī)床模態(tài)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的機(jī)床固有頻率與理論計(jì)算獲得的床身固有頻率值，發(fā)現(xiàn)機(jī)床整機(jī)固有頻率值大于機(jī)床床身的固有頻率值。由于機(jī)床整機(jī)的零部件較多，零部件之間相互影響較打大，而且高階固有頻率低階固有頻率影響較大。通過對(duì)機(jī)床進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，測(cè)得機(jī)床的各階模態(tài)參數(shù)及機(jī)床的動(dòng)畫仿真。并聯(lián)系物理坐標(biāo)系和實(shí)驗(yàn)坐標(biāo)系，對(duì)機(jī)床的薄弱環(huán)節(jié)的優(yōu)化和改進(jìn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，最終使機(jī)床的動(dòng)力學(xué)特性得以改善，滿足機(jī)床對(duì)加工工件的加工質(zhì)量和加工精度的要求，同時(shí)也為后續(xù)的有限元分析

82、提供依據(jù)。</p><p>　　第五章 總結(jié)及展望</p><p><b>　　5.1總 結(jié)</b></p><p>　　目前對(duì)數(shù)控機(jī)床的動(dòng)力學(xué)研究為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。本文以小型超精密機(jī)床為研究對(duì)象，通過對(duì)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建，模態(tài)測(cè)試?yán)碚摰姆治?，以三維建模、數(shù)值計(jì)算和動(dòng)態(tài)性能測(cè)試等為手段，對(duì)機(jī)床動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行動(dòng)力學(xué)測(cè)試分析，尋找機(jī)床的主振

83、型。</p><p>　　通過對(duì)小型超精密機(jī)床進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，了解機(jī)床各階模態(tài)的振動(dòng)特性。超精密機(jī)床的模態(tài)分析是整個(gè)動(dòng)力學(xué)分析的核心，對(duì)機(jī)床精密模態(tài)實(shí)驗(yàn)和復(fù)雜工況下的動(dòng)力學(xué)研究是本課題的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)。本文通過對(duì)機(jī)床進(jìn)行模態(tài)實(shí)驗(yàn)并應(yīng)用先進(jìn)的動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)和先進(jìn)的計(jì)算機(jī)獲得精確的數(shù)據(jù)，通過模態(tài)分析獲得精確的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)參數(shù)，獲取機(jī)床的主振型、固有頻率、阻尼比等動(dòng)態(tài)參數(shù)。進(jìn)一步分析就可以發(fā)現(xiàn)機(jī)床存在的薄弱環(huán)節(jié)，為后續(xù)的機(jī)

84、床結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)，同時(shí)也為后續(xù)的有限元分析提供可靠地驗(yàn)證方法。</p><p>　　5.2存在的問題及展望</p><p>　　本論文在撰寫過程中雖然作了大量的工作，也取得了比較理想的結(jié)果，但尚有許多工作有待進(jìn)一步研究和探討。盡管在某些方面也進(jìn)行了許多嘗試性的研究，但由于時(shí)間和能力有限，問題的解答并不理想，只有在以后的工作中做更近一步的研究：</p><p>

85、　　本文關(guān)于機(jī)床動(dòng)力學(xué)分析中僅限于機(jī)外震源，忽略了機(jī)內(nèi)震源，機(jī)床各主軸伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)，包括轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)不平衡及電磁力不平衡引起的振動(dòng)。如果能更進(jìn)一步考慮這些因素，將使研究更具意義；</p><p>　　由于條件有限，機(jī)床是在激震平臺(tái)上做振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，在做激震實(shí)驗(yàn)時(shí)，忽略了機(jī)床在水平方向的振動(dòng)，所以結(jié)論與實(shí)際情形會(huì)有所偏差。</p><p>　　由于受實(shí)驗(yàn)機(jī)床條件的限制，如果機(jī)床是數(shù)控

86、機(jī)床，在做激震實(shí)驗(yàn)時(shí)還可以做對(duì)零件進(jìn)行加工，查看零件的表面紋理及表面粗糙度來判定外界振動(dòng)對(duì)零件加工的直接影響。</p><p><b>　　第六章 參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　楊明亞,楊穎潔.一種數(shù)控機(jī)床床身的動(dòng)力學(xué)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]現(xiàn)代機(jī)械　 2010年第2期</p><p>　　GAR

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96、p>　　范培卿,榮輝,付鐵,許進(jìn)忠.BKX-I型并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析及靈敏度分析[J] 　現(xiàn)代制造工程 2006年第9期</p><p>　　李金泉,丁洪生,付鐵,龐思勤,謝殿煌.BKX-I型并聯(lián)機(jī)床的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析[J]制造技術(shù)與機(jī)床2004年第10期</p><p><b>　　文獻(xiàn)綜述</b></p><p><b>

97、　　機(jī)床動(dòng)力學(xué)分析</b></p><p>　　1前言部分（闡明課題的研究背景和意義）</p><p>　　1.1機(jī)床動(dòng)力學(xué)分析的背景</p><p>　　眾所周知，在機(jī)床加工過程中，振動(dòng)的危害極大，尤其對(duì)于超精密機(jī)床。使用金剛石刀具作超精密切削時(shí)，要求機(jī)床工作極其平穩(wěn)，振動(dòng)極小，否則很難保證較高的加工精度和超光滑的表面質(zhì)量。因此，對(duì)機(jī)床的動(dòng)力學(xué)分析就成

98、為超精密加工中，保障加工質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)之一。 </p><p>　　通過查閱大量的資料文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)機(jī)床的主軸、導(dǎo)軌等單個(gè)零件的動(dòng)力學(xué)分析有很多，但是對(duì)機(jī)床整機(jī)的動(dòng)力學(xué)研究就相對(duì)少很多。有介紹機(jī)床整機(jī)的動(dòng)力學(xué)分析的也是大概籠統(tǒng)的介紹了下，很少有很詳細(xì)全面的研究。對(duì)于這種情況大致了解了到是因?yàn)閷?duì)機(jī)床整機(jī)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，因?yàn)闄C(jī)床本身的體積很大，很難進(jìn)行有效的激振，需要考慮的因素較多。例如：機(jī)床整機(jī)不是一個(gè)單一

99、的零件，做動(dòng)力學(xué)分析難度較大；機(jī)床整機(jī)的體積較大，外界環(huán)境的干擾較大；所以做機(jī)床整機(jī)的動(dòng)力學(xué)分析，想要得到有效的動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，必須合理的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。</p><p>　　1.2機(jī)床動(dòng)力學(xué)分析的意義</p><p>　　通過對(duì)機(jī)床進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，可以了解到機(jī)床各階模態(tài)的振動(dòng)情況，并聯(lián)系模態(tài)實(shí)驗(yàn)坐標(biāo)和物理坐標(biāo)，從而了解到機(jī)床結(jié)構(gòu)存在的薄弱環(huán)節(jié)。為機(jī)床結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)的改進(jìn)設(shè)計(jì)、振動(dòng)故障診

100、斷預(yù)報(bào)以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。通過對(duì)機(jī)床的動(dòng)力學(xué)分析可以確定機(jī)床結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性即固有頻率和主振型，它們是承受動(dòng)載荷的重要參數(shù)。根據(jù)此數(shù)據(jù)對(duì)機(jī)床床身進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高它的固有頻率，即結(jié)構(gòu)本身具有的剛度特性，使床身的動(dòng)力學(xué)特性得以改善，滿足機(jī)床對(duì)加工質(zhì)量和加工精度的要求。通過動(dòng)力學(xué)分析就可以判斷機(jī)床的振型是否影響加工精度和表面粗糙度，并可對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使它滿足機(jī)床對(duì)加工質(zhì)量和加工精度的要求。通過對(duì)機(jī)床進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，

101、并應(yīng)用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)測(cè)試與分析的手段可以獲得精確的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能參數(shù)，進(jìn)一步分析就可以發(fā)現(xiàn)機(jī)床結(jié)構(gòu)存在的薄弱環(huán)節(jié)，這就為平臺(tái)結(jié)構(gòu)優(yōu)化打下了基礎(chǔ)。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。</p><p>　　2主題部分（闡明課題的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展方向，以及對(duì)這些問題的評(píng)述）</p><p>　　2.1機(jī)床動(dòng)力學(xué)分析的發(fā)展現(xiàn)狀</p>

102、<p>　　目前國(guó)際領(lǐng)域非常重視機(jī)械產(chǎn)品的虛擬動(dòng)力學(xué)研究，如日本SHNIPPON KOKI Co.，Ltd.公司在其機(jī)床產(chǎn)品的說明書中，特別強(qiáng)調(diào)該產(chǎn)品是經(jīng)過虛擬動(dòng)力學(xué)研究制造完成的。而我國(guó)的機(jī)床發(fā)展，工業(yè)基礎(chǔ)薄外，研究手段落后于其他先進(jìn)國(guó)家、資金短缺等困難。機(jī)床的加工性能與其動(dòng)態(tài)性關(guān)系非常密切，其動(dòng)態(tài)性能（振動(dòng)、噪聲及穩(wěn)定性等）是影響其工作性能及品質(zhì)最重要的性能指標(biāo)。</p><p>　　目前，數(shù)控機(jī)

103、床產(chǎn)生的振動(dòng)與噪聲仍是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，我國(guó)及世界其他國(guó)家都在競(jìng)相發(fā)展以高速、高精、高效為主要特征的超精密機(jī)床，對(duì)這類機(jī)床進(jìn)行動(dòng)力學(xué)優(yōu)化就顯得更加重要。對(duì)于高速精密機(jī)床而言，進(jìn)行機(jī)床動(dòng)態(tài)特性分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，了解機(jī)床結(jié)構(gòu)本身具有的剛度特性即機(jī)構(gòu)的固有頻率和振型，將避免在使用中因振動(dòng)造成不必要的損失。</p><p>　　2.2機(jī)床動(dòng)力學(xué)分析的發(fā)展方向</p><p>　　近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在

104、機(jī)床動(dòng)力學(xué)研究的基礎(chǔ)上發(fā)展了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、模態(tài)力法和理論與實(shí)測(cè)結(jié)合法等。綜合運(yùn)用模態(tài)力法與有限元法對(duì)機(jī)床進(jìn)行固有頻率及其振型分析時(shí)，可直接計(jì)算出刀具和工件間在各階固有頻率下的相對(duì)動(dòng)位移量及相應(yīng)模態(tài)。該方法與單一機(jī)床動(dòng)力學(xué)分析相比，精度相當(dāng)，但計(jì)算速度更快。由于機(jī)床動(dòng)力分析中不僅需要許多的實(shí)驗(yàn)參數(shù)還依賴于理論計(jì)算，所以單靠測(cè)試往往得不到符合工程實(shí)際的解析，因此將動(dòng)力學(xué)測(cè)試技術(shù)和有限元技術(shù)結(jié)合很有必要。</p><p&g

105、t;　　2.3機(jī)床動(dòng)力學(xué)分析的方法主要是模態(tài)分析法</p><p>　　模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性的一種方法。振動(dòng)問題是在動(dòng)態(tài)分析中常見的問題,模態(tài)分析就是為研究振動(dòng)問題提供了很好的方法，所謂模態(tài)分析就是確定設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)或機(jī)械部件的振動(dòng)特性,得到結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型,由于它們是進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究的重要參數(shù),所以模態(tài)分析也是更為詳細(xì)的動(dòng)力學(xué)分析如譜響應(yīng)分析、瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、頻譜分析等。機(jī)床的每一個(gè)模態(tài)都有一個(gè)特定的固有頻

106、率和振型,不僅是機(jī)床承受動(dòng)態(tài)載荷設(shè)計(jì)的重要參數(shù),而且對(duì)于分析和評(píng)價(jià)機(jī)床結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能、指導(dǎo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析、實(shí)時(shí)控制以及標(biāo)定等均有指導(dǎo)意義。模態(tài)試驗(yàn)技術(shù)，是在20世紀(jì)50年代，討論對(duì)飛機(jī)整機(jī)如何做地面共振試驗(yàn)時(shí)提出的。當(dāng)時(shí)大多采用單點(diǎn)或多點(diǎn)正弦掃描，或定額振動(dòng)試驗(yàn)來獲取頻率、振型、阻尼等參數(shù)。近數(shù)十年來，有關(guān)模態(tài)實(shí)驗(yàn)技術(shù)發(fā)展比較成熟，在單點(diǎn)與多點(diǎn)正弦激振試驗(yàn)基礎(chǔ)上，發(fā)展了單點(diǎn)與多點(diǎn)隨機(jī)激振，并且繼續(xù)發(fā)展到正弦、脈沖激振試驗(yàn)的各自優(yōu)點(diǎn)的

107、綜合模態(tài)試驗(yàn)技術(shù)。計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，是快速傅立葉（FFT）分析得以實(shí)現(xiàn)，出現(xiàn)了模態(tài)分析儀器設(shè)備，促進(jìn)了模態(tài)分析技術(shù)的迅速發(fā)展。</p><p>　　模態(tài)分析是對(duì)機(jī)械系統(tǒng)、土建結(jié)構(gòu)、橋梁等絕大部分工程系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析的現(xiàn)代化方法和手段。就本質(zhì)而言，模態(tài)分析是一種坐標(biāo)變換，其目的在于把原物理坐標(biāo)系統(tǒng)描述的響應(yīng)向量，放到所謂的“模態(tài)坐標(biāo)系統(tǒng)”中進(jìn)行描述，以便把復(fù)雜的實(shí)際結(jié)構(gòu)系統(tǒng)簡(jiǎn)化為模態(tài)模型進(jìn)行響應(yīng)分析和預(yù)測(cè)。在

108、模態(tài)理論中，對(duì)于任意n自由度線性機(jī)械系統(tǒng)，傳遞函數(shù)矩陣的i、j分量，即在j點(diǎn)作用的為了與i點(diǎn)的響應(yīng)之間的關(guān)系表示為傳遞函數(shù)形式可寫為式中：分別為模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)阻尼、模態(tài)剛度。為系統(tǒng)的振型向量。為i點(diǎn)的響應(yīng)。為j點(diǎn)作用的外力。為變量，為固有頻率，為阻尼比。式中分母與激振點(diǎn)j、響應(yīng)點(diǎn)i無關(guān),僅與頻率和阻尼比有關(guān)。因此，不論在機(jī)械的哪一點(diǎn)測(cè)量，得到的傳遞函數(shù)其分母值均應(yīng)相同。而式中分子則取決于模態(tài)質(zhì)量、激振點(diǎn)及響應(yīng)點(diǎn)的振動(dòng)模態(tài)值的大小。由上式

109、可以看出傳遞函數(shù)中包含了系統(tǒng)的所有振動(dòng)特性參數(shù)。但取得了傳遞函數(shù)后,還需要進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別,即將實(shí)測(cè)的傳遞函數(shù)數(shù)據(jù)與理論的傳遞函數(shù)公式進(jìn)行曲線擬合,才可以得到系統(tǒng)的固有頻率和主振型這些模態(tài)參數(shù)。</p><p>　　模態(tài)是對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)固有振動(dòng)特性的一種數(shù)學(xué)表述。實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析技術(shù)是基于系統(tǒng)響應(yīng)和激振力的動(dòng)態(tài)測(cè)試方法，是利用信號(hào)處理和參數(shù)識(shí)別技術(shù)來確定系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)的一種方法，他可以非常直觀地了解各階模態(tài)的情況，并聯(lián)系模

110、態(tài)坐標(biāo)和物理坐標(biāo)，從而為結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)、振動(dòng)故障診斷、預(yù)報(bào)以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。隨著現(xiàn)代信號(hào)測(cè)試分析技術(shù)的發(fā)展以及計(jì)算機(jī)軟、硬件水平的不斷提高，實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法在機(jī)床的彈性動(dòng)力學(xué)分析中得到了廣泛的應(yīng)用。通過對(duì)機(jī)床進(jìn)行模態(tài)實(shí)驗(yàn)，并應(yīng)用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)測(cè)試與分析的手段科研獲得精確的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能參數(shù)，進(jìn)一步分析就科研發(fā)現(xiàn)機(jī)床結(jié)構(gòu)存在的薄弱環(huán)節(jié)，這就為平臺(tái)結(jié)構(gòu)優(yōu)化打下了基礎(chǔ)。模態(tài)參數(shù)識(shí)別按照使用響應(yīng)信號(hào)的數(shù)目分為局部識(shí)