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面向机床动态特性的支承件质量匹配研究

面向机床动态特性的支承件质量匹配研究

作者：张凯大连理工大学

学位级别：硕士

现代工业的发展对机床加工精度及效率提出了严苛要求,动态特性作为影响机床精度及效率的关键因素也愈加受到人们关注。支承件是机床的重要组成部分,依据动力学理论可知,其质量直接影响着机床动态特性的优劣。然而传统方法中,设计人员主... 详细信息

现代工业的发展对机床加工精度及效率提出了严苛要求,动态特性作为影响机床精度及效率的关键因素也愈加受到人们关注。支承件是机床的重要组成部分,依据动力学理论可知,其质量直接影响着机床动态特性的优劣。然而传统方法中,设计人员主要依据经验或国外产品设计支承件结构,继而采用材料力学﹑理论力学等对支承件进行强度与刚度校核。这种设计方法固然保证了设计的支承件满足强度及刚度要求,但缺少对于机床各支承件质量与动态特性间的映射关系研究,从而易出现机床支承件质量匹配不合理﹑质量过大等问题,导致材料浪费﹑动态特性变差。针对此问题,本文提出一种通过匹配机床各支承件的质量以优化整机动态特性的方法,主要工作内容如下:(1)基于Hertz接触理论,分别建立了滚动导轨副﹑滚珠丝杠副及滚动轴承的结合面刚度模型。在此基础上,分析了预紧力﹑外载荷及密合度等参数对结合面刚度的影响规律,从而为后续机床有限元模型的建立提供了前提。(2)以某型卧式加工中心为例,建立了机床整机有限元模型,并将整机模态的有限元仿真分析结果与实验测试结果相对比,验证了整机有限元模型建立方法的准确性。基于机床有限元模型,完成了整机谐响应分析,以便进行支承件质量匹配。(3)采用拉丁超立方实验设计方法抽取了多组支承件质量样本点,并计算每组样本点对应的机床动态特性评价指标值—首阶固有频率及X﹑Y﹑Z三向振幅。建立了整机首阶固有频率及X﹑Y﹑Z三向振幅与各支承件质量间的响应面模型﹑径向基神经网络模型及克里金模型,并利用统一标准对三种形式的模型评价后选取了拟合精度最高的克里金模型。(4)基于整机首阶固有频率及X﹑Y﹑Z三向振幅与各支承件质量间克里金模型构建了机床支承件质量匹配模型,并采用多目标遗传算法予以求解。结果表明:在支承件质量之和降低7.93%的条件下,机床首阶固有频率提高2.25%,X﹑Y及Z向振幅分别降低6.60%﹑12.81%及33.33%。根据支承件质量匹配结果,采用结构拓扑优化及尺寸优化相结合的方法,完成了给定质量下典型支承件立柱的结构设计,使其质量近似等于匹配设计质量,从而为本文所提方法的工程应用提供了可能。

关键词：机床动态特性质量匹配多目标遗传算法结构设计

用切削实验鉴定机床动态特性的理论探讨与实验数据处理

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吉林工学院学报 1981年 59-67页

作者：冀清发

正弦激振或冲击激振,这是国内外研究机床动态特性的通用方法。但这种方法存在重要缺点: 1.与实际切削情况不相符, 2.不能时实分析在线机床生产动态特性。为解决上述缺点而提出的用切削实验鉴定机床动态特性理论,实质是以切削力做激振力... 详细信息

正弦激振或冲击激振,这是国内外研究机床动态特性的通用方法。但这种方法存在重要缺点: 1.与实际切削情况不相符, 2.不能时实分析在线机床生产动态特性。为解决上述缺点而提出的用切削实验鉴定机床动态特性理论,实质是以切削力做激振力,可以在线对机床动态特性做出时实判断。本文探讨了用切削实验鉴定机床动态特性的基本理论与实验数据处理方法。并简要指明用随机数据分析理论解决在线机床动态特性的时实分析数学手段。

关键词：机床动态特性频率响应函数切削实验实验数据

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第三讲机床动态特性(上)

制造技术与机床 1978年第5期 51-59页

作者：李鸿藻

机床基础理论讲座——第三讲　机床动态特性(下)

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制造技术与机床 1978年第6期 75-82页

作者：李鸿藻

应用切削实验鉴定机床动态特性的实验及其数据处理

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吉林工学院学报 1982年 43-51页

作者：冀清发杜树才丛伟

本文是在[1]的基础上,提出用切削实验鉴定机床动态特性的实验设计,动态参数计算,数据处理程序,实验结果.

关键词：机床动态特性动态参数实验结果固有频率自然频率切削实验数据处理幅频曲线

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国外机床动态特性研究概况

机械制造 1985年第4期 23-26页

作者：郑伟中上海交通大学机电分校

为了适应机床现代化发展,除了要求机床具有重量轻、成本低,使用方便和良好的工艺可能性等一般技术经济性能外,还要求机床具有愈来愈高的加工性能。机床的加工性能包括其加工质量和切削效率两个重要方面。通常把被加工零件能达到的最高... 详细信息

为了适应机床现代化发展,除了要求机床具有重量轻、成本低,使用方便和良好的工艺可能性等一般技术经济性能外,还要求机床具有愈来愈高的加工性能。机床的加工性能包括其加工质量和切削效率两个重要方面。通常把被加工零件能达到的最高精度和最小表面粗糙度作为机床加工质量的评定值,把金属切除率或切削用量的最大极限值作为机床切削效率的评定值。机床的加工质量,不仅取决于机床的制造误差、弹性变形、热变形和磨损等因素,而且还取决于机床

关键词：机床动态特性分布质量梁法切削效率集中参数法

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基于响应面方法的数控机床空间动态特性研究

工程科学与技术 2017年第4期49卷 211-218页

作者：邓聪颖刘蕴殷国富王玲林丽君重庆邮电大学先进制造工程学院重庆400065 四川大学制造科学与工程学院四川成都610065 成都大学机械工程学院四川成都610616

机床运动部件位置姿态在加工空间的变化,造成机床质量矩阵、刚度矩阵以及阻尼矩阵随之变化,导致机床动态特性预测具有复杂性和不确定性。针对加工空间机床动态特性的准确预测问题,提出一种基于响应面理论的数控机床空间动态特性研究方... 详细信息

机床运动部件位置姿态在加工空间的变化,造成机床质量矩阵、刚度矩阵以及阻尼矩阵随之变化,导致机床动态特性预测具有复杂性和不确定性。针对加工空间机床动态特性的准确预测问题,提出一种基于响应面理论的数控机床空间动态特性研究方法。该方法以数控机床固有频率这一关键动力学性能指标为例,分析机床整机动态特性与机床位置姿态之间的数学关联关系;基于正交试验设计和响应面方法理论,构建预测广义加工空间数控机床动态性能变化的响应面模型,揭示机床动态特性在加工空间的演化规律;并在该响应面模型基础上提出机床动态特性影响因子概念,计算各方向运动部件的位移变化对机床动态特性的影响程度,共同确定机床最优加工位姿和加工路线。将该方法应用于1台3轴立式加工中心,采用正交试验设计确定移动部件的不同位置组合作为计算样本点,在ANSYS仿真软件中计算每个样本点的前5阶固有频率,建立反映位置特征与固有频率数值的2次多项式响应面模型;并通过计算响应面模型质量评价指标验证了该模型的有效性,以此分析机床前5阶固有频率在加工空间的分布规律及其对x、y、z向位移变化的灵敏度,阐明机床空间位姿对机床动态特性有较大的影响,为机床工艺规划和优化设计提供了新的分析方法及技术支持。

关键词：机床动态特性加工空间响应面方法固有频率

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数控旋压机床旋轮架广义空间位置维动态特性分析

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工程科学与技术 2020年第2期52卷 153-160页

作者：殷勤王玲殷国富廖启豪四川大学制造科学与工程学院四川成都610065

数控旋压机床是集旋压、自动化机械、液压伺服控制等多项先进技术为一体的高科技机床产品。数控旋压机床进行旋压件加工时的精度取决于加工过程中旋轮与芯模的相对间隙。随着数控旋压机床在加工过程中旋轮空间位置姿态的不断变化,旋轮... 详细信息

数控旋压机床是集旋压、自动化机械、液压伺服控制等多项先进技术为一体的高科技机床产品。数控旋压机床进行旋压件加工时的精度取决于加工过程中旋轮与芯模的相对间隙。随着数控旋压机床在加工过程中旋轮空间位置姿态的不断变化,旋轮架结构构形及轴间耦合作用也随之发生改变,导致旋压机机床动态特性预测具有复杂性和不确定性。针对企业提升大型双轮数控旋压机床动态性能的需求,基于虚拟样机技术,构建了考虑机床结合部动态特性参数的旋轮架系统动力学有限元模型,并基于实际加工工况进行模型边界条件设置。以1阶固有频率为主要参考指标,基于有限元分析模型修正法对旋轮架在广义加工空间中的不同位置进行了模拟模态分析和实验模态分析,研究了旋轮架的动态特性与广义加工空间位置姿态变化之间的关系。数字仿真分析和实验结果表明:对旋轮架1阶固有频率来说,不同位置点的模拟模态值与实验模态值总体吻合较好,平均误差率为2.21%;系统的1阶固有频率、振型及阻尼比随位置姿态的改变而变化;不同位置之间的最低与最高固有频率相差26%左右;X轴坐标越居中,Z轴坐标越大,旋轮架固有频率越低,旋轮振幅越大。证明旋轮架的不同空间位置姿态对旋压机床的动态特性影响较大。所得结论可以用于研制新型旋压机床、优化加工路线和设计最优加工位置。

关键词：机床动态特性旋轮架广义加工空间固有频率

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机床伺服控制性能及动态特性研究

机床伺服控制性能及动态特性研究

作者：宋玉西南交通大学

学位级别：硕士

目前,在机械制造行业中广泛采用了数控技术对机械零件进行加工。加工过程中数控机床的稳定性和响应性对机械加工有着重要的影响,基于以上原因在机床动态性能方面就需要深入研究,机床动态特性分析是研究机床抵抗动态作用力的能力,机床抗... 详细信息

目前,在机械制造行业中广泛采用了数控技术对机械零件进行加工。加工过程中数控机床的稳定性和响应性对机械加工有着重要的影响,基于以上原因在机床动态性能方面就需要深入研究,机床动态特性分析是研究机床抵抗动态作用力的能力,机床抗振性能越好加工性能就越好;伺服进给系统不仅对机床的稳定性有影响,对响应性方面的影响也非常重要,高效、稳定的伺服进给系统能够很好的提高机床的加工性能。针对应用数控机床在机械加工中伺服进给系统的稳定性,以及响应性等方面的问题。论文主要对以下方面进行了研究：（1）对伺服系统组成进行分析,建立了伺服驱动环节以及机械传动装置的数学模型,建立较完整的伺服进给系统的数学模型;（2）对伺服系统模型进行简化,分析伺服系统特性对加工精度的影响,并依据伺服特性分析结果分析机床动态特性方面受到的影响;（3）以实验室自制三轴联动数控机床进给伺服系统为对象,计算伺服进给系统相关参数,对伺服进给系统进行SIMULINK建模并进行仿真;（4）对比PID控制器多种优化方法,运用遗传算法对伺服系统的PID控制器参数进行优化研究,分别通过实例加工和PID校正系统仿真曲线,评价伺服系统PID控制器参数优化结果;通过以上工作建立了正确的伺服进给系统模型,运用遗传算法对伺服系统PID控制器参数进行优化,一方面通过实例加工,对比PID控制器参数优化前后的加工效果,另一方面通过对比PID校正系统仿真曲线,说明优化后PID控制器参数对提高伺服进给系统性能有一定的作用。

关键词：机床动态特性伺服进给系统数学模型遗传算法 PID控制器参数