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分析銑床關(guān)鍵結(jié)合面的動(dòng)態(tài)特性及應(yīng)用
2017-6-9  來(lái)源：重慶五一高級(jí)技工學(xué)校  作者：鄭雪松

      摘要：針對(duì)銑床關(guān)鍵結(jié)合面的動(dòng)態(tài)特性，從參數(shù)識(shí)別入手，以 XK8150 銑床為研究對(duì)象，對(duì)動(dòng)態(tài)特性及其造成的實(shí)際影響進(jìn)行了深入分析，得出結(jié)合面動(dòng)態(tài)特性的存在會(huì)大幅降低模態(tài)頻率，會(huì)對(duì)整機(jī)特性造成較大影響的結(jié)論。
 
      關(guān)鍵詞：銑床；關(guān)鍵結(jié)合面；動(dòng)態(tài)特性；模態(tài)振型
 
      伴隨著工業(yè)生產(chǎn)和科技的持續(xù)發(fā)展，機(jī)械裝備制造領(lǐng)域?qū)︺姶驳倪\(yùn)行性能提出了極高的要求，要求銑床要具備足夠的精確度和自動(dòng)化水平。為滿足實(shí)際需求，不僅要應(yīng)用當(dāng)前先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，還要注重銑床性能的有效提升，所以深入研究銑床性能是開(kāi)發(fā)新型銑床的重要前提。與此同時(shí)，在對(duì)銑床動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，通常都會(huì)忽略各個(gè)結(jié)合面造成的實(shí)際影響，這與工程實(shí)際是極不相符的。當(dāng)前的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法得到了十分廣泛的應(yīng)用，通過(guò)分析銑床特性，將傳統(tǒng)的靜態(tài)設(shè)計(jì)替換為動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)已經(jīng)是銑床設(shè)計(jì)工作的發(fā)展趨勢(shì)。現(xiàn)圍繞銑床關(guān)鍵結(jié)合面的動(dòng)態(tài)特性，以 XK8150 銑床為研究對(duì)象，對(duì)其造成的實(shí)際影響進(jìn)行分析，具體內(nèi)容如下。
 
      1.銑床關(guān)鍵結(jié)合面參數(shù)識(shí)別技術(shù) 

      1.1 模態(tài)分析技術(shù) 

      模態(tài)分析技術(shù)的主要作用在于求得系統(tǒng)的各階模態(tài)參數(shù)，其中，各階模態(tài)參數(shù)指的是系統(tǒng)振型與固有頻率。在對(duì)較大的復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理時(shí)，需要從理論上算出模態(tài)系數(shù)，這一計(jì)算難度較大。通常情況下，會(huì)與實(shí)驗(yàn)分析法共同使用，以此充分發(fā)揮分析技術(shù)的作用和效果。此次研究主要針對(duì)部件對(duì)應(yīng)的模態(tài)參數(shù)實(shí)施識(shí)別，與系統(tǒng)相比，部件模態(tài)密度相對(duì)較低，因此使用共振峰值的方法即可滿足精準(zhǔn)度方面的要求。
 
      1.2   參數(shù)識(shí)別理論 

      將 ANSYS 作為基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要運(yùn)用彈簧阻尼單元Combin14，對(duì)各個(gè)零部件和結(jié)合部進(jìn)行建模，再進(jìn)行模態(tài)分析，取設(shè)計(jì)的主要變量為等效阻尼與等效剛度。對(duì)于狀態(tài)變量，主要取模態(tài)頻率。本次研究只取前 5 階，對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)如下所示：
 
      式（1）中：Wi為各階頻率占有的權(quán)重，可根據(jù)函數(shù)貢獻(xiàn)確定；Fi為模態(tài)頻率，即狀態(tài)變量；Fti為不同零件對(duì)應(yīng)的模態(tài)頻率。
 
      由于 Fti是在整機(jī)裝配條件下測(cè)出的，存在較大的誤差，因此需采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行計(jì)算，以此得出精確度更高的參數(shù)。在對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化并得出最小值后，此時(shí) Combin14 對(duì)應(yīng)的阻尼系數(shù)與剛度系數(shù)即為銑床關(guān)鍵結(jié)合面的參數(shù)。
 
      2.對(duì)部件動(dòng)態(tài)特性造成的實(shí)際影響 

      結(jié)合部會(huì)對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)造成一定影響，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，分別是固有振型與固有頻率。對(duì)于銑床而言，導(dǎo)軌是十分重要的組成部分。為保證銑床的穩(wěn)定運(yùn)行，導(dǎo)軌需具有較好的靜態(tài)特性與動(dòng)態(tài)特性。其中，動(dòng)態(tài)特性不僅有零件自身帶來(lái)的固有特性影響，還會(huì)受到結(jié)合部的實(shí)際影響，而且模態(tài)頻率造成的影響也不可忽略。本次研究的主要對(duì)象為 XK8150 銑床，根據(jù)銑床的裝配關(guān)系，對(duì)銑床結(jié)合面的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了分析研究。
 
      2.1結(jié)合面動(dòng)態(tài)特性參數(shù)與部件模態(tài)頻率 

      銑床水平主軸體的模態(tài)頻率伴隨等效剛度、阻尼的變化曲線如圖 1 所示。其中，F(xiàn)ti 為前 5 階部件的模態(tài)頻率。


圖 1   模態(tài)頻率變化曲線 

      由圖 1 可知，模態(tài)頻率的變化曲線為非線性關(guān)系。總體上看，隨著剛度值的不斷增大，部件的模態(tài)頻率也有所增大，但增幅相對(duì)較小。此外，模態(tài)頻響的變化曲線也為非線性關(guān)系，但等效阻尼存在不變的區(qū)間值。
 
      2.2   整機(jī)動(dòng)態(tài)特性 

      按照整機(jī)裝配圖在優(yōu)化分析軟件當(dāng)中裝配，結(jié)合面相應(yīng)參數(shù)需采用 Combin14 進(jìn)行模擬。經(jīng)過(guò)模態(tài)分析得出模態(tài)頻率，如表 1 所示。再對(duì)非結(jié)合面參數(shù)進(jìn)行布爾加運(yùn)算，得出實(shí)測(cè)值。相對(duì)誤差指的是考慮結(jié)合面和不考慮結(jié)合面的測(cè)試結(jié)果差異。

表 1   整機(jī)模態(tài)頻率 


      從表 1 中可以看出，在存在結(jié)合面的情況下，整機(jī)對(duì)應(yīng)的模態(tài)頻率和實(shí)測(cè)結(jié)果較為接近，相對(duì)誤差可保持在 10%以內(nèi)，所以充分考慮結(jié)合面的參數(shù)可更好地契合工程實(shí)際情況。通過(guò)深入的分析得知，如果考慮結(jié)合面的實(shí)際影響，則會(huì)大幅降低模態(tài)頻率，這顯然是極為不利的。這是因?yàn)槿绻逃蓄l率有所降低，就會(huì)對(duì)整機(jī)動(dòng)態(tài)特性造成十分嚴(yán)重的影響。基于此，在實(shí)際情況中應(yīng)不斷提升模態(tài)頻率，在設(shè)計(jì)工作中，就要對(duì)結(jié)合面帶來(lái)的影響進(jìn)行分析和考慮。
 
      圖 2 為存在結(jié)合面時(shí)不同階的模態(tài)振型，由于篇幅有限，其它階的模態(tài)振型在此不一一贅述。從圖 2 中可以看出，模態(tài)振型大多集中在局部結(jié)構(gòu)當(dāng)中，這一特征和部件的模態(tài)振型完全不同。從應(yīng)用角度來(lái)看，這對(duì)整機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)有著十分重要的指導(dǎo)作用和意義。
 

圖 2   存在結(jié)合面情況下的不同階模態(tài)振型 

      3.總結(jié) 

      提出銑床關(guān)鍵結(jié)合面參數(shù)識(shí)別技術(shù)，將 XK8150 銑床作為研究對(duì)象，通過(guò)試驗(yàn)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)等方法，得出銑床關(guān)鍵結(jié)合面對(duì)應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，再經(jīng)過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，此分析方法是切實(shí)可行的，結(jié)論可在實(shí)際情況中應(yīng)用。
 
      對(duì)銑床關(guān)鍵結(jié)合面的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，并探究其對(duì)部件特性造成的實(shí)際影響。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，銑床部件對(duì)應(yīng)的模態(tài)頻率與阻尼隨著剛度值的不斷變化而出現(xiàn)非線性關(guān)系。總體上看，伴隨著剛度的持續(xù)增大，模態(tài)頻率也有所增大。此外，模態(tài)頻響的變化曲線也為非線性關(guān)系，但等效阻尼存在不變的區(qū)間值。
 
      對(duì)銑床關(guān)鍵結(jié)合面動(dòng)態(tài)特性造成的整機(jī)特性影響進(jìn)行分析，結(jié)果表明，結(jié)合面動(dòng)態(tài)特性的存在會(huì)大幅降低模態(tài)頻率，并對(duì)整機(jī)特性造成較大的影響。除此之外，模態(tài)振型主要體現(xiàn)為局部結(jié)構(gòu)形式，可以為銑床的優(yōu)化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供可靠的理論參考。
 

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