1、1 毕业设计开题报告 机械设计制造及自动化 机床隔振装置设计与实验 一、 前言 在机械加工过程中， 振动对零件的精度等技术指标影响最大 振动危害极大。 振动一直存在，它不仅产生噪声 , 影响产品质量、刀具寿命 , 也使设备大修理无法按期交付使用量 ，当今制造业在加工过程中，要达到的加工精度在微米、亚微米以上，因此对加工环境的要求极为严格，其中对于振动的要求便是非常重要的一项 15 。振动从震源传递到地基，再从地基反馈到机床，最后全部在零件的加工精度上表现 出来。对于超精密机床的设计与制造，必须高度重视振动的影响，将外在与内在的各种干扰尽可能消除或隔离掉，使机床振动幅度降低，减少传递到地基的振动
2、，并且减少地基反馈到机床的振动，否则很难得到高质量的加工表面。 随着社会的进步，制造业发生巨大变化，尤其是控制理论和计算机技术的发展给制造业带来了新的变革。 机床技术发展的前景和目标，是能够实现装备制造业的全盘自动化 。 智能机床的出现，为未来装备制造业实现全盘生产自动化创造了条件 10 。 日本 Mazak公司 对智能机床的定义是：机床能对自己进行监控 。 智能机床四大智能 功能之一就是应用 主动振动控制 方法， 通过自动抑制振动 ， 将机床 振动减至最小 ， 减少噪音 ， 提高机床的加工精度、效率 19 。 机床的加工精度直接关乎产品的质量，尤其超精密机床的加工水平直接影响着精密仪器仪表、
3、国防工业以及微细工程的发展。因而研究超精密机床床身的精密减振技术，有效地隔离外在的、内在的各种振动干扰影响，提高超精密机床的加工精度，这对我国国防工业和民用工业的发展，增强 国家综合实力具有重要意义。 我国的机床产量总体规模已居世界前列我们通过权威资料可以知道我国的机床产量情况：2005 年金切机床产量 45 万台，为“十五”初的 2.4 倍；锻压机床产量 63 万吨，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。2 其中，数
4、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 2001 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% 1 。 虽然更换机床或者采用高技术隔振手段能够改善我国机械制造
5、业的现状， 但是 长期以来，我国机床工业的状况是机床拥有量大，构成比落后，低档多、中高档少，成套性差 机械化、自动化水平低劳动生产率低下等 16 。在我国大部分生产企业是私营企业，无法用大量的资金来改善生产条件，更换机床设备投入成本太大，所以在当前环境下并不是很可行。 随着现代生产技术的发展，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， 但是私营企业无法及时更换高端机床，使得他们的生产技术落后，产 品无法适应市场的要求，所以最后这些企业将无法生存。 车床振动可公为自由振动、强迫振动和自系振动。 在外来周期性力的持续作用下，振动系统发生振动 无
6、法用改变机床零件的刚度等方法来降低受迫振动的危害 15。所以需要靠减振装置来降低外界对机床的振动。 而 被动控制装置结构简单，易于实现成本较低，投入较少的成本能够获得较大的效益，所以研究被动减振装置在当前就显得非常重要。 如车削加工过程中，工件和刀具之间常常发生强烈的振动，破坏和干扰了正常的切削加工，是一种极其有害的现象。当机床发生振动时，工件表面质量恶化，产生明显的表 面振纹，工件的粗糙度增大，必须降低切削用量，因而使机床的工作效率大大降低。强烈振动时，机床会产生崩刃现象，使切削加工过程无法进行下去。由于振动，将使机床和刀具磨损加剧，从而缩短机床和刀具的使用寿命；振动并伴随有噪音，危害工人身
7、心健康，使工作环境恶化 24。 因此，减少振动的产生，对控制产品的质量非常关键。 尤其对于超精密数控机床使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。 精密和超精密 加工技术的发展，直接影响尖端技术和国防工业的发展。世界各国都极为重视，投入很大力量进行开发研究。 3 二、主题 当前， 数控机床在现有技术基础上， 正 由机械运动的自动化向信息控制的智能化方向发展 20。改变机床本身的材料和技术的却能够极大改善加工精度和效率，但是机床运行过程中，基础的振动以及主轴的转动将激励
8、机床振动，外界环境的振动也依然会影响零件的加工。 精密机床运行过程中，基础的振动以及主轴的转动将激励机床振动。这些振动将使机床的控制精度变差，环境振动的干扰，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，后者将直接反映到被加工零件的加工表面质量上，为了抑制超精密机床的振动，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，使精密机床对激励有良好的减振性能。因此必须设置性能优异的减振装置。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
9、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，采用 数值计算、结构设计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。 本 申请 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，而且为我国现有机械制造业的企业提高了效益，提供了竞争力。 一般振动测试技术大致可分为两类：一类是测量设备和结构工作或实验时所存在的振动，这种测量可以利用振动信号对设备和结构的运行状态进行监测评估和故障诊断；另一类是系统特征参数的测试，包括系统的频响函数、
10、脉冲响应函数、模态参数和物理参数等。这类测试往往要对设备或结构 施加某种激励或利用环境自然激励，使其产生振动，然后测量其振动，此类测振的目的是研究设备或结构的力学动态特性 25。 为获得系统动态特性，常需要测量系统频响函数。目前频响函数测试技术可以分为单点激励单点测量 (SI-SO)、单点激励多点测量 (SIMO)、多点激励多点测量 (MI-MO)等 25。单点激励一般适用于较小结构的频响函数测量，多点激励适用于大型复杂机构，如机体、船体或大型车辆机构等。本项目主要目的是测试机床的振动特性，以小型机床为模板向大型机床推广，而机床结构在理论上可以简化，且没有机体、船体等机构 复杂，所以实验初步决
11、定采用单点激励多点测量的方法来4 实施。 我国机床业的发展朝向进入 21 世纪，我国经济与国际全面接轨，市场竞争力也随之加剧，尤其是随着制造业对机床的大量需求以及计算机技术和现代设计技术的飞速进步，机床的应用范围在不断扩大，机床的种类不断地变化，科技含量也相应地得到提高。尤其是数控机床的产生对于我国的经济产生了较大的影响 11。随着科学技术的进步，我国的机床业也会朝着更加科学的方向发展。数控机床进一步高速化。高速和超高速加工技术可以提高加工效率，也是加工难削材料、提高加工精度、控制振动的重要保 障。其技术关键是提高机床的主轴转速和进给速度，数控机床朝着精密化发展。由于我国科学技术的发展，传统的
12、机床模式在生产过程中会产生较高的温度从而影响机床的精密度，但是随着数控机床的发展，机床结构和各组件加工的精密化得到了提高，机床达到微米级精度。目前高档数控机床定位精度（全行程）已达 0.004 0.006mm，重复定位精度 0.002 0.003mm。同时，代表精度水平的超精密的纳米级机床已开始不断涌现；数控机床朝着复合化发展 19。 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
13、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，对于零件的加工精度要求越来越高，这对制造业提出了更加苛刻的要求 1。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 22。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。 伴随着主动振动控制技术的发展，被动振动控制概念已发生了值得注意的变化。被动振动控制的概念已由隔振器、约束阻尼层等的布置和参数选择等传概念扩展为包括结构阻尼设计在内的所有结构设计结构设计修改。可以认为以抑制结构振动和优化动学特性为目的的结构设计和修改也
14、是一种广义的被控制。这样经过被动控制后 ,结构可以是阻尼增加 ,也可以是频率匹配特性变好、结构的可控性 (相对以后可能采用的主动控制而言 )增强等 12。 5 21 世纪，数控机床将在现有技术基础上，由机械运动的自动化向信息控制的智能化方向发展。本项 目结合科技发展趋势，以超精密机床为研究对象，兼顾各种工况，考虑特定的机床与工艺条件下对其振动特性分析 ,进行被动隔振系统设计 ,通过实验对机床被动隔振进行研究。减振系统动力学特性、控制理论与技术和应用开发关键问题进行研究。本项目研究对于提升机床制造行业的整体水平，打破国外相关技术封锁与垄断以及节能降耗、环境保护等，均具有重要的科技与经济意义。 三
15、、总结 项目具体技术路线和研究方案如下： 布置试验台，实验将采用悬挂法进行测量，所以要将机床吊起，根据测试布置传感器、激振器，连接测试系统。 测试时主要测试各阶固有频率 、阻尼比和振型图等模态参数；数据分析时，具体数据包括频响函数、振动幅值、傅里叶变换、模态分析和模态模拟。 对动力学模型进行适当降阶简化，考虑模型误差和平稳与冲击耦合型载荷的不确定性，建立磁流变在平稳振动与冲击载荷耦合激励下减振系统控制模型。针对平稳与冲击载荷激起的受控结构瞬态振动的特点，将控制的优化指标定为在最坏输入情形下最小化结构的输出响应最大峰值，将响应最大峰值限制在某个允许范围之内，结合传统的基于能量分布的控制策略，研究
16、时域内的鲁棒控制方法。 本项研究在注重整体理论创新的同时，更重视每一环节的实验求证 ，求证的结果及时反馈，以改善和修正各研究环节的内容与所采用的方法。从工程应用角度，设计整个系统，为实现振动控制装置的小型化、智能化和一体化奠定基础。 （ 2）实验手段： a、设计被动隔振的实验平台（由机床、隔振器、夹具以及测控系统等设备组成），测试分析各种切削条件下机床结构动态响应，运用 模态分析理论和模态测试技术 ，分析机床的动力学性能；6 利用系统采集的机床结构自由响应数据，对机床被动减振系统动力学模型参数进行辨识，通过实验研究验证被动隔振装置的有效性。 b、利用协作单位的各种大型机床、发动机等，实现对各种
17、机电装 备在复杂工况下振动、噪声的被动控制，以考核本项目提出的新方法的工程适用性。 四、参考文献 1 孟光 , 孟庆国 , 詹世革等 . 关于加强针对国家重大装备的动力学与控制研究的建议 . 力学进展 ,2007,37(1):135 141. 2 曾志新 .机械制造技术基础 .武汉 :武汉理工大学出版社 ,2002. 3 车琴香 , 朱国良 .车床在加工过程中的切削振动分析 .机械制造 ,1995,1:17 19 4 王义民 .防振垫铁与卧式车床的稳定性 .制造技术与机床 ,2003(6):19 24. 5 李铁军 ,李慨 , 赵海文 .电流变减振器系统的研究 .机床与液压 ,2005,10(
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