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南通数控剪板机的动态性能测试研究
 
 

  1南通剪板机机床动态优化设计的现状

关于剪板机厂家机床动态性能的优化设计的研究,已有40多年的历史,国内外许多学者为此作了大量的基础性研究,开发研制了一批具有实用价值的理论、方法、测试手段和分析软件等,不仅使动态性能研究达到了很高的学术水平,也进行了大量实践应用研究,在高端数控机床的研发中,起到了很明显的作用。实践证明,在高端数控机床的研发中,动态优化设计是不可或缺的重要手段。但目前在国内实际机床研发中,还较少有意识地将已设计的工程方案进行动态优化,其主要原因有以下几方面;

(1)思想方法上的局限。大多数的论文研究,将机床动态特性研究看作为单纯的振动问题,与机床的实际运作状态命运联系起来,因而所谓的“优化”,往往不得要领。

(2)国内南通剪板机机床动态优化设计的理论远远没有如机构设计、CAD软件等那样普及。绝大多数机床设计师对于如:如:

这样的方程的意义、建立和解析方法等理论问题,还没有给予足够重视。

(3)国内大多数机床设计单位缺少动态测试的手段,而从事理论研究的学校等又缺少机床动态特性改进与拟合设计的能力。迄今为止,在国内的机床动态特性优化,还只是少数学者的笔中之花。

(4)我国对南通剪板机机床动态特性优化设计的研究历史并不短,但实践应用不够。至今未形成自己的机床动态特性数据库。大多数的论文资料只是借助于国外资料中所披露的点滴数据。由于我国的制造条件、原材料的性能参数与国外不同,这些有限的资料和数据无法直接应用于国内的机床动态优化设计。

(5)机床的动态优化设计是实物建模、物理建模、测试验证、模型优化等阶段的反复拟合过程,应贯穿在设计的每一个阶段,而不是结构设计的最后验证。

2动态优化设计与机床工况

机床的结构设计之前,应对机床的实际工况作完整的预测,从程序上来说,动、静态设计是相同的,但两者所关心的重点和目的是不一样的,其区别见表1。

表1机床动静态设计目标的区别

现代高端机床结构复杂、加工精度高。单考虑静态精度设计,则远不能满足要求。尤其是对于难切削金属的加工,亚微米级精密加工,机床的动态性能已上升为影响加工精度的主要因素。

3机床的动力学模型

机床的动力学模型是由实体模型,经物理模型到动力学模型逐步转化而来。并且经由动态测试,将动力学模型拟合得到较精密地描述实体模型的真实动态性能。在模型的转化过程中,要略去非主要因素,将复杂的机械结构简化为由质量M,阻尼器C,弹簧K及力F组成的广义坐标系统,并由数学方法描述之。

3.1进给系统的动力学模型

图1为滑板进给机构的实体简化模型。考虑到该机构的动态性能主要表现为沿丝杠方向的模态为主,因此其动态特性可简化为一个单自由度的模型。

图1丝杠滑板系统及其模型

图中M为滑板质量,K为丝杠弹性系数,C为系统中各种阻尼之当量系数。则图中激励力F与惯性力M、阻尼力C和弹性力KX组成的平衡系统,故有:

式中:X、、、F均为时间t的函数,对式(1)进行傅立叶变换得

-ω2MX(jω)+jωCX(jω)+KX(jω)=F(jω)(2)

式(2)中ω为圆频率2πf。型

(3)(4)3.2主轴系统的动力学模型

主轴系统是机床的关键部分,在未共振的状态下,在切削处的位移成分中,主轴位移占30%~40%,在共振状态下,主轴位移占60%~80%,它的动态特性对整机的影响至关重要。它的模型也将复杂得多。例如,一个主轴系统的实体模型和对应的有限元模型如图2所示。

图2主轴的实体模型和有限元模型

从图中可见,该系统包含刀具、刀柄、主轴、轴承、带轮、套筒、壳体和主轴座箱体等多个零件,它们间有着复杂的关系。通常将其分解成诸多单元,根据各个单元间的相互关系和边界条件,将系统分为A区和B区,A区是轴承外圈与壳体以及主轴座固定不动的构件,B区是轴承内圈、主轴、刀具和刀柄旋转的零件。结合处是滚珠,然后将静、动两个模型综合成为一个有限元模型。

在有限元软件的支持下,可将各单元节点刚度矩阵[K]i、质量矩阵[M]i进行机械叠加,自动生成动态动态方程:

在上式的解为:

{q}={X}ejωnt(7)

式中:ωn为固有频率,有特征方程

-ω2n[M]{X}+[K]{X}=0(8)

借助有限元软件对模型进行反复迭代,将得到主轴系统各阶固有频率和振型向量。

3.3整机的动力学模型

建立整机动力学模型时,问题就要复杂得多,实际上在整机结构中有些部分微位移非常小,对整体特性影响极小,那么这些结构就可以简化。

现以XH714立式铣床为例,讨论机床整机的动力学模型。机床的外观和有限元模型如图3所示。

图3XH714铣床的结构和有限元模型

这个模型将实体分割成5个箱体:立柱、铣头壳体、工作台、床鞍及床身,它们可以分割成几个单元,在每个接合点都可以建立一个广义坐标系(Xi,Yi,Zi),i=1~n。则可分别建立它们的有限元模型。在每个接合面上建立4个集中刚度元件Kj,集中阻尼元件Cj,共16个集中刚度元件和集中阻尼器。床身底面与地平面间建立6个集中刚度元件Kj和集中阻尼元件Cj,在3个滚珠丝杠上建3组集中刚度元件Kj和集中阻尼元件Cj。由此在这些点共建立25个广义坐标系(Xj,Yj,Zj)(j=1~25)。最后,假设在主轴和工件间施以动态激励力(Fx,Fy,Fz),这样,从理论上以动力平衡的原理,建立起k=(n+25)×3个平衡方程,从而得到动力学方程:

[MK].{XK}+[CK].{XK}+[KK].{XK}={fK}(9)

当然这样一个方程的建立和解的过程是非常复杂的,非人力所能承担。借助诸如ANSYS软件就可迎刃而解。问题在于,要确定各种边界条件和参数,如材料的性能参数,各种形状截面的惯性矩,各种不同结合面的刚度参数和阻尼参数。通常这些参数要经过精确的动态测试,进行参数识别。

4南通剪板机机床的动态测试

4.1机床动态测试的目的和意义

机床动态特性是机床的固有特性之一,但是由于它的形成机理十分复杂,又不能用类似于静态测试和评价方法直观地描述。在机床的设计和制造阶段更难以准确预知。鉴于机床动态性能往往是工艺系统匹配的结果,许多基本参数(如接触刚度和接触阻尼等)往往是未知的,因此动态测试在动态优化设计中是关键的环节,它具有以下的意义:

(1)动态测试可以为优化动力学模型提供实验依据,让动力学模型更接近于实物模型。

(2)通过实测模态,可真实地发现机床结构的薄弱环节,为优化结构参数提出方向性措施。这些措施的优劣或效果将在优化的动力学模型上仿真演示。可以反复多次地拟合,得到最优改进方案,从而有效地缩短产品试制的周期。

(3)动力学测试可对已有机床的正确使用提供方向性指示。如通过选择合适的刀具和主轴转速抑制强迫振动;选择合适的工艺参数避免自激振动等。

(4)只要在动态测试中取得足够的原点响应和跨点响应,则可以通过动力学模型逆向拟合得到各种环节的参数(K、C),对于机床动态结构和参数设计优化具有十分重要的参考价值。

 

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