1、毕业设计开题报告 机械设计制造及自动化 机床动力学分析 1 前言部分 （阐明课题的研究背景和意义） 1.1 机床动力学分析的背景 众所周知，在机床加工过程中，振动的危害极大，尤其对于超精密机床。使用金刚石刀具作超精密切削时，要求机床工作极其平稳，振动极小，否则很难保证较高的加工精度和超光滑的表面质量。因此，对机床的动力学分析就成为超精密加工中，保障加工质量的关键技术之一。 通过查阅大量的资料文献发现，目前国内外对机床的主轴、导轨等单个零件的动力学分析有很多，但是对机床整机的动力学研究就相对少很多。有介绍机床整机 的动力学分析的也是大概笼统的介绍了下，很少有很详细全面的研究。对于这种情况大致了解
2、了到是因为对机床整机进行动力学分析，因为机床本身的体积很大，很难进行有效的激振，需要考虑的因素较多。例如：机床整机不是一个单一的零件，做动力学分析难度较大；机床整机的体积较大，外界环境的干扰较大；所以做机床整机的动力学分析，想要得到有效的动力学数据，必须合理的设计实验步骤和实验平台。 1.2 机床动力学分析的意义 通过对机床进行动力学分析，可以了解到机床各阶 模态 的振动情况，并联系模态实验坐标和物理坐标，从而了解到机床结构 存在的 薄 弱环节。为机床结构薄弱环节 的 改进设计、振动故障诊断预报以及结构动力学特性的优化设计提供依据。通过对机床的动力学分析可以确定机床结构的振动特性即固有频率和
3、主振型 ，它们是承受动载荷的重要参数。 根据此数据对机床床身进行优化设计，提高它的固有频率，即结构本身具有的刚度特性，使床身的动力学特性得以改善，满足机床对加工质量和加工精度的要求。 通过动力学分析就可以判断机床的 振型是否影响加工精度和表面粗糙度，并可对机床结构进行优化设计，使它满足机床对加工质量和加工精度的要求。 通过对机床进行动力学分析，并应用先进的计算机负责测 试与分析的手段可以获得精确的结构动态性能参数，进一步分析就可以发现机床结构存在的薄弱环节，这就为平台结构优化打下了基础。 为后续的机床结构的优化设计提供依据。同时也为后续的有限元分析提供了可靠的验证方法。 2 主题部分 （阐明课
4、题的国内外发展现状和发展方向，以及对这些问题的评述） 2.1 机床动力学分析的发展现状 目前国际领域非常重视机械产品的虚拟动力学研究，如日本 SHNIPPON KOKI Co.， Ltd.公司在其机床产品的说明书中，特别强调该产品是经过虚拟动力学研究制造完成的。而我国的机床发展，工业基础薄外，研 究手段落后于其他先进国家、资金短缺等困难。机床的加工性能与其动态性关系非常密切，其动态性能（振动、噪声及稳定性等）是影响其工作性能及品质最重要的性能指标。 目前，数控机床产生的振动与噪声仍是国内外研究的热点，我国及世界其他国家都在竞相发展以高速、高精、高效为主要特征的超精密机床，对这类机床进行动力学优
5、化就显得更加重要。对于高速精密机床而言，进行机床动态特性分析和优化设计，了解机床结构本身具有的刚度特性即机构的固有频率和振型， 将避免在使用中因振动造成不必要的损失。 2.2 机床动力学分析的发展方向 近年来，国内外学者在机床动力学研究的基础上发展了虚拟现实技术、模态力法和理论与实测结合法等。综合运用模态力法与有限元法对机床进行固有频率及其振型分析时，可直接计算出刀具和工件间在各阶固有频率下的相对动位移量及相应模态。该方法与单一机床动力学分析相比，精度相当，但计算速度更快。由于机床动力分析中不仅需要许多的实验参数还依赖于理论计算，所以单靠测试往往得不到符合工程实际的解析，因此将动力学测试技术和
6、有限元技术结合很有必要。 2.3 机床动力学 分析的方法主要是模态分析法 模态分析是研究结构动力学特性的一种方法。振动问题是在动态分析中常见的问题 ,模态分析就是为研究振动问题提供了很好的方法，所谓模态分析就是确定设计结构或机械部件的振动特性 ,得到结构的固有频率和振型 ,由于它们是进行动力学研究的重要参数 ,所以模态分析也是更为详细的动力学分析如谱响应分析、瞬态动力学分析、频谱分析等。机床的每一个模态都有一个特定的固有频率和振型 ,不仅是机床承受动态载荷设计的重要参数 ,而且对于分析和评价机床结构的动态性能、指导结构优化设计与分析、实时控制以及标定等均有指导意义 。模态试验技术，是在 20
7、世纪 50 年代，讨论对飞机整机如何做地面共振试验时提出的。当时大多采用单点或多点正弦扫描，或定额振动试验来获取频率、振型、阻尼等参数。近数十年来，有关模态实验技术发展比较成熟，在单点与多点正弦激振试验基础上，发展了单点与多点随机激振，并且继续发展到正弦、脉冲激振试验的各自优点的综合模态试验技术。计算机技术的飞速发展，是快速傅立叶（ FFT）分析得以实现，出现了模态分析仪器设备，促进了模态分析技术的迅速发展。 模态分析是对机械系统、土建结构、桥梁等绝大部分工程系统进行动力学分析的现代化方法 和手段。就本质而言，模态分析是一种坐标变换，其目的在于把原物理坐标系统描述的响应向量，放到所谓的“模态坐
8、标系统”中进行描述，以便把复杂的实际结构系统简化为模态模型进行响应分析和预测。在模态理论中，对于任意 n 自由度线性机械系统，传递函数矩阵的 i、 j 分量，即在 j 点作用的为了与 i 点的响应之间的关系表示为传递函数形式可写为 nr rrrjrirnr rrr jrirjiij j mkjcmYXH 1 221 2 2 式中： rrrkcm ,分别为模态质量、模态阻尼、模态刚度。 r为系统的振型向量。iX为 i 点的响应。jF为 j点作用的外力。为变量， r为固有频率，为阻尼比。式中分母与激振点 j、响应点 i 无关 ,仅与频率和阻尼比有关。因 此，不论在机械的哪一点测量，得到的传递函数其
9、分母值均应相同。而式中分子则取决于模态质量、激振点及响应点的振动模态值的大小。由上式可以看出传递函数中包含了系统的所有振动特性参数。但取得了传递函数后 ,还需要进行模态参数识别 ,即将实测的传递函数数据与理论的传递函数公式进行曲线拟合 ,才可以得到系统的固有频率和主振型这些模态参数。 模态是对机械结构固有振动特性的一种数学表述。实验模态分析技术是基于系统响应和激振力的动态测试方法，是利用信号处理和参数识别技术来确定系统模态参数的一种方法，他可以非常直观地了解各阶模态的情 况，并联系模态坐标和物理坐标，从而为结构薄弱环节进行改进设计、振动故障诊断、预报以及结构动力学特性的优化设计提供依据。随着现
10、代信号测试分析技术的发展以及计算机软、硬件水平的不断提高，实验模态分析方法在机床的弹性动力学分析中得到了广泛的应用。通过对机床进行模态实验，并应用先进的计算机负责测试与分析的手段科研获得精确的结构动态性能参数，进一步分析就科研发现机床结构存在的薄弱环节，这就为平台结构优化打下了基础。模态参数识别按照使用响应信号的数目分为局部识别和整体识别两种 ,按照使用激励和响应的数目分为单入单出(SISO)识别法、单入多出 (SIMO)识别法和多入多出 (MIMO)识别法。 SISO 属于局部识别 , SIMO 和 MIMO 属于整体识别。在 SISO 频域模态参数识别中 ,按照模态密集程度不同 ,可分为单
11、模态识别和多模态识别。前者将待识别的几阶模态看作与其他模态独立的单自由度系统 ,适于阻尼较小、模态较分散的情形。后者将待识别的几阶模态看作耦合的 ,并考虑拟合频段以外的模态影响。对于阻尼较大、模态较密集的情况 ,必须用多模态参数识别法。在模态分析中 ,阻尼是一个较难处理的问题。根据结构性质不同 ,常用到粘性比例阻尼、一般粘性阻尼、结构 比例阻尼与结构阻尼四种阻尼模型。 2.4 机床动力学分析所用的激励方式 单点激励是最简单、最常用的激励方式。所谓单点激励 ,是指对测试结构一次只激励一个点的一个方向 ,而在其他任何坐标上均没有激励作用。单点激励是SISO 参数识别所要求的激励方式。单点激励方式之
12、所以有效 ,是建立在振动系统的可控性和可观性假设基础上的。所谓振动系统的可控性 ,是指对选择的点施加激励 ,能激发出系统的各阶模态。理论上讲 ,只要激励点不在各阶模态振型的节点上 ,且具备足够的能量 ,就可以激发系统的各阶模态。所谓振动系统的可观性 ,是指测量出的各响应 点的输出信号中包含各阶模态的信息。对线性系统 ,可观性总是满足的。具备了可控性和可观性 ,系统才可辨识。 SISO 方法要求同时高速采集输入、输出两个点的信号 ,用不断移动激励点位置或响应点位置的办法获取振型数据。多点激励是指对多个点同时施加激振力的激励方式。显然 ,输入系统的激励能量会成倍增加。同时 ,也增加了激振的复杂性。
13、而且 SIMO 及 MIMO 的方法则要求大量通道数据的高速并行采集 ,因此要求大量的振动测量传感器和激振器 ,试验成本较高。对中小型结构的模态分析 ,采用单点激励即可获得满意效果 ,然而 ,对大型、复杂结构 ,单点激 励往往丢失模态 ,或由于激励能量有限而得不到有效的高信噪比频响函数 ,有时甚至无法激起结构的整体振动 ,导致模态实验彻底失败。多点激励虽说比较复杂 ,但它具有以下优点 :不易遗漏模态 ;输入能量大且传递均匀 ,获得的频响函数信噪比高 ;一次性获得频响函数矩阵 ,比单点激励分别求出的频响函数矩阵一致性要好。 3 总结部分 （将全文主题进行扼要总结，提出自己的见解并对进一步的发展方
14、向做出预测） 模态分析根据研究手段和方法可以分为理论模态分析和试验模态分析，以及二者相结合的理论 试验模态分析过程三种。理论模态分析是指以线性振动理论、有 限元理论及方法为基础，依据计算机及工程分析软件手段，以建立研究对象物理参数及求解其动态特性为目标，研究激励、振动系统特性和响应三者之间关系的模态模型。振动模态是弹性结构固有的整体特性，如果通过模态分析法搞清楚结构物在某一易受影响的频率范围内各阶主要模态的特性，就可能预言结构在此频段内部或外部各种振源作用下实际的振动响应。因此，模态分析是结构动态设计及设备故障诊断的重要方法。模态试验技术已经成为分析结构动态特性的主要试验方法之一 ,将先进的测
15、试技术、完善的理论计算和计算机技术三者相结合 ,设计者可通过试验 ,得到模 态参数及其分析结果 ,进而为结构的质量分布、刚度等设计参数的改进指明方向和提供理论依据。机床的动态性能直接影响到机床的加工精度、表面粗糙度及切削效率 ,是机床设计者和制造者所关心的问题。 实验模态分析方法对机床进行动态特性分析，不仅测定了机床的动态特性参数（包括低阶固有频率、响应的振型和振型动画以及阻尼比），而且根据实验数据处理结果对其动态特性的特点进行了详细分析 ,明确了机床动态特性的几何特点 ,确定了该机床结构的薄弱环节 ,为后续的机床结构的优化设计提供依据。同时也为后续的有限元分析提供了可靠的验证方法。机床是一
16、个复杂的振动系统 ,具有无限多个由度 ,存在对应于其固有频率的无限多个振型 ,即限多个不同模态 ,但并不是所有模态都会出现不稳现象 (共振 )。出现不稳定现象的模态称为薄弱态 ,薄弱模态一般是低阶模态。因此模态分析主要中在低阶模态的分析上 目前，机构动态性能研究的方法主要是模态分析法，模态分析研究的主要内容是确定结构的振动特性即固有频率和主振型，它们是承受动载荷的重要参数。通过模态分析就可以判断悬架的振型是否影响加工精度和表面粗糙度，并可对悬架进行优化设计，使它满足机床对加工质量和加工精度的要求。 4 参考文献 1. 杨明亚 ,杨 颖洁 . 一种数控机床床身的动力学分析与优化设计 J 现代机械
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