基于运行冲击激励的数控机床模态分析方法研究
发布时间：2021-04-05 10:45
随着现代工业和产业升级的快速发展,高加工速度、高加工精度以及高可靠性等机床性能逐渐成为高端数控机床的发展趋势,机床结构的振动特性成为影响机床加工质量和加工效率的重要因素。传统的实验模态分析法只能研究处于静止状态下的机床振动特性,而机床运行状态与静止状态下的振动特性有很大差异。数控机床是由多个部件组成的复杂系统,其可动部件在加减速过程中会对机床结构本身产生冲击激励,该激励力会使机床结构产生振动,通过对结构振动响应信号进行辨识,即可得到机床处于运行状态下的模态参数,称之为主动激励模态分析法。但该方法在理论和实验上还存在一定的缺陷,例如对激励原理研究不够深入,没有对激励序列进行全面的设计和分析,单部件冲击激励存在能量不足的问题。针对这些问题,本文对基于运行冲击激励的数控机床模态分析方法进行了更为深入而全面地研究。主要研究内容如下:基于主动激励方法的思想,综合考虑工作台的宏观刚体运动和丝杠螺母副的弹性碰撞,对冲击激励力进行建模,分析了冲击激励下机床的结构振动,介绍了基于响应的模态辨识算法,从理论和实验两方面研究了冲击激励能量和频带的影响因素。对冲击激励的激励序列进行了详细的设计和研究,分别对工...
【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
丝杠螺母副结构示意图
一方面通过导轨与基座或者另一方向的工作台相结合。从宏观上看，机床工作台为刚体，忽略它在运行中产生的变形，当它突然加速或减速时，由于运动状态的而产生很大的惯性冲击力，这种惯性冲击力一方面会引起工作台本身的振动，另面由于工作台与螺母是通过紧固件固定连接的，机床工作台产生的巨大冲击力会用到丝杠螺母副，进一步加剧丝杠螺母产生的振动。机床工作台做直线进给运动时，滚珠丝杠在做高速转动，当滚珠丝杠高速转动时珠会产生复杂的弹性变形、碰撞和摩擦等。当滚珠在滚道中运动时，由于滚道各曲率半径相同，滚珠的运动比较流畅，并不会产生太大的碰撞。但是当滚珠进出器时，由于滚道与返向器曲率并不是连续，曲率半径有很大的差别，因此会产生的碰撞冲击[48]，并且碰撞力会随着碰撞速度的提高而增大。山东大学的张佐营[49]研究发现，滚珠对返向器的冲击是激励滚珠丝杠副轴向振动的主要因素。图 2.3 为与返向器碰撞的简化模型，在简化模型中，滚珠对返向器的碰撞可以看作是球与体的非完全弹性碰撞。根据赫兹弹性接触模型对碰撞过程进行建模，由理论分析验得到，单次碰撞过程持续的时间在 20 微秒左右，碰撞力的大小与碰撞速度、材弹性模量、滚珠的质量以及返向器的结构有关，其中碰撞速度对碰撞力的影响最大
波阻是一个常数值，由式（2.2）可知物体的碰撞速度中，我们认为机床工作台加减速过程中产生的冲击激母副弹性碰撞力共同产生的，该冲击力与静压力不同的时间内冲击力迅速增大又迅速减小。中国台湾学者工作台加减速过程中产生的冲击激励力可近似为方波速过程中，机床结构振动可以被分解为强迫振动和自，由于受到激励力的作用而做受迫振动；在冲击激励力图 2.6 为机床工作台冲击激励时(冲击速度为 9000mm集的振动响应信号，从图中可以看到，其振动响应由组成，而且受迫振动部分形状近似为方波。在受迫振大，响应幅值与激励力大小近似成正比，所以该图验结论。由方波的信号特征可得：激励力的持续时间，范围，方波下面与时间轴所围成的面积表示冲击激励床结构的能量越大。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于实验模态分析的机床动态性能测试[J]. 周莉,李爱平,古志勇,刘雪梅,张正旺. 中国工程机械学报. 2014(04)
[2]开放式创新视角下装备制造业创新升级研究[J]. 牟绍波,任家华,田敏. 经济体制改革. 2013(01)
[3]一种机床固定结合部的动力学参数化建模方法[J]. 毛宽民,黄小磊,李斌,田红亮. 华中科技大学学报(自然科学版). 2012(04)
[4]数控机床运行激励实验模态分析[J]. 魏要强,李斌,毛新勇,毛宽民. 华中科技大学学报(自然科学版). 2011(06)
[5]滚珠丝杠副中滚珠与返向器的碰撞研究[J]. 张佐营,宋现春,姜洪奎,厉超. 中国机械工程. 2008(07)
[6]精密滚珠丝杠副轴向振动激励因素的试验研究[J]. 张佐营,宋现春,姜洪奎. 振动、测试与诊断. 2008(01)
[7]车-车拉数控机床拖板有限元分析及优化设计[J]. 丛明,房波,周资亮. 中国机械工程. 2008(02)
[8]冲击过程的应力波分析[J]. 颜祥山. 昆明冶金高等专科学校学报. 2005(01)
[9]机床结构电磁脉冲激振方法的研究[J]. 廖伯瑜,李功宇. 昆明工学院学报. 1986(04)
[10]脉冲激振法用于机床模态分析的研究[J]. 孙庆鸿,张思,霍少成. 南京工学院学报. 1985(03)
博士论文
[1]基于响应的机床切削自激励与动力学参数识别方法研究[D]. 蔡辉.华中科技大学 2015
[2]基于空运行激励的数控机床结构实验模态分析新方法[D]. 魏要强.华中科技大学 2010
硕士论文
[1]基于动态特性分析的机床结合部建模及结构的改进设计[D]. 高亚斯.北京交通大学 2017
[2]基于多轴联合自激励的数控机床工作空间内结构动态特性分析[D]. 刘响求.华中科技大学 2015
[3]数控机床主轴空运行自激励模态分析实验研究[D]. 张译寒.华中科技大学 2014
[4]高速飞行器飞行环境下结构模态试验及参数识别方法研究[D]. 白云鹤.哈尔滨工业大学 2013
[5]环境激励下基于小波分析的结构模态参数识别研究[D]. 邓先来.南京航空航天大学 2012
[6]环境激励下船舶结构模态分析实验与理论研究[D]. 姜大正.大连理工大学 2009
[7]基于响应信号的数控机床模态参数提取方法研究[D]. 李长玉.华中科技大学 2007
本文编号：3119488
【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
丝杠螺母副结构示意图
一方面通过导轨与基座或者另一方向的工作台相结合。从宏观上看，机床工作台为刚体，忽略它在运行中产生的变形，当它突然加速或减速时，由于运动状态的而产生很大的惯性冲击力，这种惯性冲击力一方面会引起工作台本身的振动，另面由于工作台与螺母是通过紧固件固定连接的，机床工作台产生的巨大冲击力会用到丝杠螺母副，进一步加剧丝杠螺母产生的振动。机床工作台做直线进给运动时，滚珠丝杠在做高速转动，当滚珠丝杠高速转动时珠会产生复杂的弹性变形、碰撞和摩擦等。当滚珠在滚道中运动时，由于滚道各曲率半径相同，滚珠的运动比较流畅，并不会产生太大的碰撞。但是当滚珠进出器时，由于滚道与返向器曲率并不是连续，曲率半径有很大的差别，因此会产生的碰撞冲击[48]，并且碰撞力会随着碰撞速度的提高而增大。山东大学的张佐营[49]研究发现，滚珠对返向器的冲击是激励滚珠丝杠副轴向振动的主要因素。图 2.3 为与返向器碰撞的简化模型，在简化模型中，滚珠对返向器的碰撞可以看作是球与体的非完全弹性碰撞。根据赫兹弹性接触模型对碰撞过程进行建模，由理论分析验得到，单次碰撞过程持续的时间在 20 微秒左右，碰撞力的大小与碰撞速度、材弹性模量、滚珠的质量以及返向器的结构有关，其中碰撞速度对碰撞力的影响最大
波阻是一个常数值，由式（2.2）可知物体的碰撞速度中，我们认为机床工作台加减速过程中产生的冲击激母副弹性碰撞力共同产生的，该冲击力与静压力不同的时间内冲击力迅速增大又迅速减小。中国台湾学者工作台加减速过程中产生的冲击激励力可近似为方波速过程中，机床结构振动可以被分解为强迫振动和自，由于受到激励力的作用而做受迫振动；在冲击激励力图 2.6 为机床工作台冲击激励时(冲击速度为 9000mm集的振动响应信号，从图中可以看到，其振动响应由组成，而且受迫振动部分形状近似为方波。在受迫振大，响应幅值与激励力大小近似成正比，所以该图验结论。由方波的信号特征可得：激励力的持续时间，范围，方波下面与时间轴所围成的面积表示冲击激励床结构的能量越大。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于实验模态分析的机床动态性能测试[J]. 周莉,李爱平,古志勇,刘雪梅,张正旺. 中国工程机械学报. 2014(04)
[2]开放式创新视角下装备制造业创新升级研究[J]. 牟绍波,任家华,田敏. 经济体制改革. 2013(01)
[3]一种机床固定结合部的动力学参数化建模方法[J]. 毛宽民,黄小磊,李斌,田红亮. 华中科技大学学报(自然科学版). 2012(04)
[4]数控机床运行激励实验模态分析[J]. 魏要强,李斌,毛新勇,毛宽民. 华中科技大学学报(自然科学版). 2011(06)
[5]滚珠丝杠副中滚珠与返向器的碰撞研究[J]. 张佐营,宋现春,姜洪奎,厉超. 中国机械工程. 2008(07)
[6]精密滚珠丝杠副轴向振动激励因素的试验研究[J]. 张佐营,宋现春,姜洪奎. 振动、测试与诊断. 2008(01)
[7]车-车拉数控机床拖板有限元分析及优化设计[J]. 丛明,房波,周资亮. 中国机械工程. 2008(02)
[8]冲击过程的应力波分析[J]. 颜祥山. 昆明冶金高等专科学校学报. 2005(01)
[9]机床结构电磁脉冲激振方法的研究[J]. 廖伯瑜,李功宇. 昆明工学院学报. 1986(04)
[10]脉冲激振法用于机床模态分析的研究[J]. 孙庆鸿,张思,霍少成. 南京工学院学报. 1985(03)
博士论文
[1]基于响应的机床切削自激励与动力学参数识别方法研究[D]. 蔡辉.华中科技大学 2015
[2]基于空运行激励的数控机床结构实验模态分析新方法[D]. 魏要强.华中科技大学 2010
硕士论文
[1]基于动态特性分析的机床结合部建模及结构的改进设计[D]. 高亚斯.北京交通大学 2017
[2]基于多轴联合自激励的数控机床工作空间内结构动态特性分析[D]. 刘响求.华中科技大学 2015
[3]数控机床主轴空运行自激励模态分析实验研究[D]. 张译寒.华中科技大学 2014
[4]高速飞行器飞行环境下结构模态试验及参数识别方法研究[D]. 白云鹤.哈尔滨工业大学 2013
[5]环境激励下基于小波分析的结构模态参数识别研究[D]. 邓先来.南京航空航天大学 2012
[6]环境激励下船舶结构模态分析实验与理论研究[D]. 姜大正.大连理工大学 2009
[7]基于响应信号的数控机床模态参数提取方法研究[D]. 李长玉.华中科技大学 2007
本文编号：3119488
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/jinshugongy/3119488.html
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