1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 机床隔振装置设计及实验 所在学院 专业班级 机械设计制造及自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 环境振动以及地面反馈给机床的振动，不仅会引起机床本体的振动，而且更重要的是会引起切削刀具与被加工零件间的位置变化，最终影响加工零 件的质量。在机床切削加工中，广泛应用的振动被动控制技术，不需要外界能源，装置结构简单，减振效果与可靠性较好。本文以被动隔振装置运用于小型精密机床为目标，设计分析了该机床的固有特性，以数值计算和动态性能测试等为手段，通过对机床被动隔振特性分析测试，实现机床振动有效控制。在测试了机床模态参数（固有频
2、率、阻尼比和振型图）的基础上，通过实验测量了 JG1-2 型橡胶减振器、 RM 型橡胶减振器、橡胶减振垫以及青岛爱博瑞公司生产的 AGS-53A 和SAGS-53A 型弹簧阻尼减振器的隔振效果及它们的工作频率。经过测试，这些减振器 都能够有效的进行隔振。 关键词： 被动隔振，精密机床，动态分析，实验 II The design and experiment of machines vibration isolation device Abstract The vibration of ambient and ground ,not only cause the vibration of mac
3、hine body ,but more importantly ,change the situation 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 reliability .This article based on t
4、he used of passive vibration isolation device and Small precision machine tool as goal ,designs and analyses inherent feature of this machine by numerical calculation ,structural design and the testing of dynamic property ,and passive vibration isolation of this machine test .All these means achieve
5、 machine vibration effective control . In this thesis, the group test the natural frequency and working frequency of JG1-2 rubber damper ,RM rubber damper ,rubber anti-vibration pad ,AGS-53A and SAGS-53A damping spring damper producted by Qingdao Aiborui Vibration Isolation Technology CO.,LTD .On th
6、e basis of testing ,all of these dampers can reduce vibration . Keywords: Passive Vibration Isolation， Precision-machined Tool， Dynamic Analysis， Experiment III 目录 摘 要 . I Abstract . II 1 绪论 . 1 1.1 课题研究背景及意义 . 1 1.2 国内外被动减振研究成果 . 2 2 机床振动和隔振原理及测试技术 . 5 2.1 机床动态性能的研究方法 . 5 2.2 机床振动测试技术 . 6 2.3 机床的切削
7、振动分析 . 8 2.3.1 振动产生的原因 . 8 2.3.2 振动的影响 . 8 2.3.3 防止和减小振动的措施 . 9 2.4 隔振原理的理论分析 . 9 2.3 本章小结 . 11 3 机床特性及振动测试方案 . 12 3.1 机床被动减振测试系统的组成 . 12 3.1.1 测试系统的构建 . 12 3.1.2 测试方案说明 . 13 3.2 仪器的选择 . 14 3.2.1 传感器 . 14 3.2.2 激振器 . 14 3.2.3 被动阻尼器 . 15 3.2.4 数据采集仪 . 17 3.3 本章小结 . 18 4 机床特性及被动减振测试分析 . 19 4.1 机床模型 .
8、19 4.2 机床特性实验分析 . 20 4.3 减振器对机床实际减振效果测试 . 21 4.4 减振器在测试平台上的测试结果 . 25 4.4.1 减振垫 . 26 4.4.2 JG1-2 减振器 . 27 4.4.3 RM 型减振器 . 28 4.5 本章小结 . 30 5 总结与展望 . 31 IV 参考文献 . 32 致谢 .错误 !未定义书签。 机床隔振装置的设计与实验 1 1 绪论 1.1 课 题研究背景及意义 根据前两年的权威资料表明，我国的机床产业正在飞速发展，在 2005 年的时候，我国的金切机床产量机床产量 45 万台，为“十五”初的 2.4 倍；锻压机床产量 63 万吨，
9、是“十五”初的 2.4 倍。 2005 年机床工具全行业工业总产值1260 亿元，是“十五”初期的 2.5 倍，平均年增长约 26%，其中金属加工机床产值达到了 51 亿美元，总体经济规模已超过意大利，跃居世界第三位。其中，数控机床产值从“九五”末的 4.9 亿美元增加到“十五”末的 21.8 亿美元，年平均增长 34.8%。数控金切机床的产量从“九五”末的 1.4 万 台增加到“十五”末的 6.0 万台，年均增长达到 33.5%。数控机床产量占全部金切机床的比重同时由 7.3%增长到 2005 年的 13.3%。同时，数控机床出口占机床出口比重逐年上升， 2005 年达到 28.2%，比 2
10、001 年上升了 13 个百分点。今年 1 5 月，金属加工机床出口 4.2 亿美元，同比增长 54.1%，数控机床出口金额达 1.34 亿美元，同比增长 75.8%。从这些数据来看，我国已经步入了世界机床制造业的前列。 1 但是数量并不代表质量。我国私人性质的小型加工车间占据了国家制造业的半壁江山，因为是私人性质的，不了解当 今科学发展的速度，对新生产的材料、机器不关心，无法及时跟上时代的脚步，而且注重产品的产量多于产品的质量，从而形成了薄利多销的恶性循环，导致产品质量下降，以至于在世界的舞台上逐渐失去了同外国企业竞争的能力。虽然现有的数控机床不论是在加工精度上还是加工功能上已经达到了非常高
11、的高度，但是其价格也达到了前所未有的高度。普通的机床在价格上能够让大多数人接受，但是在性能上就差强人意了。 普通机床的性能之所以不是很强劲，就是因为精度达不到要求。而影响机床加工精度的要素主要有一下几个 :刀具、振动、各种误差等等，其中振动是比较重要的一个因素。由于电机的激励，刀具和工件的冲击等各种因素都会产生振动，通过床身传递到地面，再从地面反馈到机床，使机床产生变形影响刀具定位，主轴晃动使得工件产生跳动，这些最终将在加工工件的精度和表面粗糙度上表现出来。 随着科技的发展，机床行业面临着高精度、高速度、高效率和被切削材料多样化的要求，对零件的加工质量的要求也越来越高。尤其对于超精密数控机床使
12、用金刚石刀具进行超精密切削时，要求机床工作极其平稳，振动极小，否则很难保证获得较高的加工精度和超光滑的表面质量。因此，减振就成为超精密加工中保障加工质量的关 键技术之一。 2 机床隔振装置的设计与实验 2 因为我国的国情限制，很难在短时间内将所有机床更新换代，所以只能够在现有机床的基础上改善加工环境，而最为直接的方法就是增加减振装置。现有的减振装置主要有三种，主动减振器，半主动减振器，被动减振器。主动和半主动减振器在价格上较高，而且我国现有的大多数加工企业不需要有非常高的精度，所以并不需要加装主动或者半主动减振器。这两种减振器在目前情况下能够发挥其最佳效果的地方还是超精密机床和一些高档的机床。
13、被动减振器在价格上非常便宜，而且隔振效果较为突出，满足我国大多数企业的需求，为他们度过这个过渡期直 至将所有机床更新换代。所以研究被动隔振有着很大的意义，也符合我国现在的需要。 1.2 国内外被动减振研究成果 每当工程机构受到激励或者干扰的时候，都会以结构的振动和噪音来做出响应。他们不仅降低了机械系统的性能，还会造成环境的污染。所以很多国家都花了很大的力气在控制振动和噪音上。 减小机床的振动有两方面，一方面是改善振动的质量，减小振动的振源。另一方面是设计优良的减振系统，使机床对激励有良好的隔振性能 2。现在主流的方法就是设计一套优秀的减振系统，主要的减振系统主要有主动减振，半主动减振动和被动减
14、振。由于主动 机床减振系统的复杂性、高成本和高能耗，其实用性和广泛应用受到了极大的限制。研究表明半主动机床减振系统可使其加工精度提高并且能耗较小，但是半主动减振系统成本较高，结构也较为复杂，所以暂时无法全面推广。被动减振器因为其价格低廉，结构简单，轻便等特点，所以适合各方的需求。本申请课题结合科技发展趋势与嘉兴市制造业产业发展“十一五”规划，针对超精密机床高精度、高速率、高效率和被切削材料的多样化要求，结合机械、航空、宇航、汽车工业等领域众多产品的精密与超精密加工对减振抗冲性能要求的不断提高，因此，以数值计算和动态性能 测试等为手段，通过对机床被动隔振特性测试分析，实现机床振动有效控制。本申请
15、项目研究不仅对被动减振器件的设计方法有重要理论意义，而且为被动阻尼器件的超精密机床减振控制系统的应用提供理论指导，同时对复杂机电装备减振抗冲理论和技术的发展起到极大的推动作用。 现代航空、航天、国防和电子等新技术的兴起，几乎带动所有工业技术的迅速发展。例如，数控机床、加工中心等生产装备机械，汽轮机、水轮机和电机等动力机械，汽车、船舶、飞机等交通运输工具，航天发射器、武器发射系统、核电站保护装置等国防和武器系统等，都向着高速重载的方向发 展，其振动与冲击问题已经日益成设计者们所面临的问题。随着科学技术的日益发展，在各个领域，特别是汽车、航空航天以及国防等尖端领域，对于零件的加工精机床隔振装置的设
16、计与实验 3 度要求越来越高，这对制造业提出了更加苛刻的要求。尤其是居于重要地位的精密、超精密加工技术，它的发展直接关乎到国家的国防建设。在超精密机床加工中，振动是影响加工质量的关键因素之一，必须予以重视。 3 国家中长期科学和技术发展规划纲要针对“十一五”期间一系列重大装备和工程建设计划启动，明确提出要利用先进的理论、技术与实验手段研究高档数控机床的动力学和振动特性，发现 影响振动的因素，对振动进行相应的控制，提高加工精度。被动控制通过改变结构参数、释放自身潜在能量实现静态控制，控制效果明显。 4 电磁执行器一直是人类研究的热点，特别是在旋转机械减振领域有着很高的地位。它通过控制电磁执行器线
17、圈当中的电流大小，提供附加的阻尼和刚度，从而抑制转自的振动。转子减振控制按照实现方法也可以分为主动和被动减振。主动减振控制是根据转自不同的转速等方面来采取不同的控制措施，从而更好的抑制转自的振动。但是主动减振需要时时监测转子转动，所以需要借助传感器，与微处理器和执行器一起形成一个闭环控制 系统；由于传感器和微处理器的价格比较高，所以导致主动减振的成本，复杂度都较高。而被动控制原则上不需要传感器，而且结构简单，费用较低，并且减振效果也较好。进来在旋转机械上被动减振主要有被动式电磁阻尼器和电磁辅助支承的被动减振。 5 电磁辅助支承与电磁轴承类似，不同的地方在于电磁辅助支承结构还提供了主刚度，即电磁
18、辅助支承提供的刚度是主刚度和电磁执行器提供的附加刚度之和。所以电磁辅助支承所允许的电磁执行器的附加刚度可以在一定范围内为负值，这就是电磁辅助支承和电磁轴承的不一样的地方。 6 被动式电磁阻尼器就是给 传统的电磁阻尼器施加了静态的工作电流之后，该电磁阻尼器会产生较大的、能够一直转自振动的阻尼，而且它无需外界的控制。这种阻尼器的结构简单，成本低，无摩擦，无接触，耗能少，响应快，控制很方便，减震效果明显，可以用低压电原来控制，安全可靠。在需要的时候能够改变工作电流的大小来改变所附加的阻尼的大小，这是一种非常简单、响应又很快的一种控制，所以在工程实际中能够投入使用。 6 DSP 技术在近年来也被应用于
19、压电被动控制中。近年来， A.J.Fleming 和S.Behrens 等人利用 DSP 构建“合成阻抗”电路替代传统的压 电分流阻尼电路中存在的问题。 A.J.Fleming 等人使用了 dSPACEds1103 开发平台做了相应的实验，验证了减振效果。但是被动减振的特点是结构简单，轻便等，而该平台只是一个实时仿真模块的开发平台，使用的时候需要与 PC 机相连，所以并不具有真正意义上的被动减振。而 TI 公司的 TMS320LF2407 DSP 芯片实现的合成阻抗使得该项目成为了真正具有实用价值的被动减振电路。 9 DSP 减振电路的工作原理是将一般电路中的导纳 s 域 （ Y（ s） 离散
20、化得到机床隔振装置的设计与实验 4 Y（ z） ，并利用 DSP 实现 Y（ z） ，即用 DSP 构建的合成阻抗 Y（ z） 替代压电分流阻尼电路中的阻抗 Y（ s） 。该电路能够解决了传统的压电分流阻尼电路的一些严重的问题，如需要较大电感值，所以利用模拟电感替代理想电感；随着所需要的控制模态数的增加，电路体积增大，而且电路间的参数难以调谐，最终将导致不能实现最佳减振效果等。 9 在超精密领域内，被动隔振技术也占有较大的分量。总的来说在超精密领域内应用的被动隔振技术主要有：动力吸振器 （ DVA） 、 Skyhook、空气弹簧（ Pneumatic） 、负刚度系统 （ Negative St
21、iffness system） 、钟摆系统 （ Pendulum）等。在被动隔振中，阻尼元件的参数和刚度元件的参数都是固定的，但是空气弹簧的阻尼元件和负刚度系统的刚度元件是具有可变参数的。 8 动力吸振器是一种能够有效的抑制窄带振动的被动隔振装置。它主要由主质量、弹簧和连接在主质量上的辅助质量阻尼器组成，或者由主质量和钟摆所组成。它并不改变主质量系统的固有频率，因为结构较为复杂，控制也复杂，所以吸振器的通用性不高。 Skyhook 就是在单自由度系统中增加了阻尼，以此来降低共振的幅值，但是这样做的话会使系统在高频率下隔振效果变差，传递率增高，而且 Skyhook 很难实 现，这是因为上方的固定
22、悬架架设较为困难。 2002年， Steve Griffin 等人将动力吸振器引入到了 Skyhook。在 1971 年的时候，J.E.Ruzicka 和 T.F.Derby 等人提出了基于 Zener 模型（弹簧 -阻尼模型）的串列双腔室空气弹簧结构。它的刚度定义为当空气弹簧有效腔室的高度为常数是，它的固有频率是一个固定值，而且与负载的质量大小无关，空气弹簧刚度与它的内部压力有关，刚度随着空气压力伺服的改变而改变。由于空气弹簧中的横向隔振用横向隔振橡胶存在很多非线性因素，所以在 1974 年的时候， Matthews首次提出了在空气弹簧中采用钢索构造钟摆系统来解决这个问题。在理论上，系统的共
23、振频率只和钢索的长度有关系，与负载的质量没有关系，只要调整长度就能调整横向隔振的自然频率。负刚度系统是一种新型的隔振器，是 David L.Platus 在 1991 年的时候提出来的。于一般的弹簧比，它的刚度是载荷与变形量的比值，因为系统的负载力和变形的方向相反，所以被称为负刚度系统。 8 随着国际竞争的加剧，国外对核心技术的封锁日益严重，各个跨国公司正在不遗余力地奋力抢夺中国这个巨大的市场。而我国的研发力度较小，暂时无法与国外的公 司竞争，国内的市场正在慢慢流失到国外去，所以根据现实情况，我们必须走自力更生、自主创新、理论方法研究与应用系统开发并重的发展道路，来振兴我国的制造业。 机床隔振
24、装置的设计与实验 5 2 机床振动和隔振原理及测试技术 随着时代的发展，各行各业的技术要求越来越高，特别是制造业。振动及设备动态特性引起的问题，例如：导弹、飞机和火箭在飞行过程中，发动机、气流扰动和结构动态特性造成的振动，都直接关系到飞行的精准度和安全度；车辆行驶过程中与凹凸不平的地面接触产生的振动，会使得乘客感觉到不舒服，甚至导致事故的发生；机械加工设备生产加工时产生了的 振动会直接反映在加工零件上，影响零件的粗糙度、精度和有效性；大型建筑结构在风载和地震的影响下产生的振动直接关系到这些结构的安全。 如果要解决各式各样如以上例子般的振动和动态特性的问题，那么就需要对系统的动力学特性进行分研究
25、，对产生振动的原因进行分析，对结构、系统和设备的振动进行测试和信号分析都是必不可少的手段。通过这些手段来研究设备或者结构的力学动态特性，即通过模态实验来获得结构的模态参数即固有频率、阻尼比和振型。 2.1 机床动态性能的研究方法 机床的动态性能是指机床运转之后振动、噪声、热变形与磨损等性能的 总称。但长期以来主要指的是机床的振动性能，即主要指机床抵抗振动的能力。近几年，机床的动态特性的研究方法主要有三类：即理论建模及其分析方法、试验建模及其分析方法和二者相结合的方法。建模及分析方法是在结构动力学原理之上，根据原有结构的各种数据，比如图纸、设计方案等进行建模进行建模利用软件进行该结构的动态特性有
26、限元分析，不需要依赖实体结构的纯理论分析。该种方法能够检验结构的各种特性是否满足设计的要求，或者指出有缺陷的地方以方便更改。还可以对模型进行计算机仿真，最大限度的接近实体的状态，并且对设计模型进行反复的比较 、修改，最终让该结构的动态特性逼近设计目标函数的要求。从而可经济、迅速地达到优化设计的目标，检验是否满足使用需求，不需要将结构制造出来在进行测试，这也是该方法较试验建模方法最突出的优点，最普遍的就是用画图软件进行建模，将图纸导入 Ansys 分析软件进行分析处理。但是该方法也有自己的缺点，即该方法需要对结构、各接合面连续条件、阻尼假设、各边界条件进行简化，这些工作会使得近似计算产生误差与实际情况有出入，影响了所建立有限元模型的模拟精度，从而影响了其动态特性模拟的精度。 实验建模又称为系统辨识，是通过观测到的系统 的输入、输出数据，对系统确定一个数学模型，使这个数学模型尽可能精确的反应系统的动态特性。简
