SEH-630A数控加工中心动态特性的理论、实验研究
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摘 要
随着人们对产品的要求不断地提高，必然导致对生产产品的机床性能要求的
提高，从而促使机床正在朝着高速度、高精度、高性能的方向发展。由于计算机、
有限元等基础理论及各种测试技术的迅速发展，机床的设计不再是传统的经验设
计、类比设计和静态设计，而是转向现代设计方向发展，各种现代设计方法便也
同时发展起来。一些现代的设计方法有计算机辅助设计、优化设计、可靠性设计
和动态设计等。而机床结构的动态优化设计，就是结合现代设计方法中的动态设
计与优化设计。这种方法一提出就激发了人们极大的研究热情，同时也将这种方
法列为现代化机床设计的重要发展方向之一。
本论文主要是针对某厂之前制造的加工中心刚度低的弱点，进行结构改进后，
再对其新模型进行静刚度及动态特性的一些有限元分析及测试实验。主要包含内
容如下：
（1）利用现代比较先进的有限元软件对整个加工中心建立有限元模型，对其
螺栓联接部位用RBE2进行适当模拟。
（2）根据加工中心的钻削工况，对其进行静刚度有限元分析及静刚度测试实
验，将分析结果与测试结果进行比对，找出加工中心刚度薄弱环节。
（3）利用有限元软件对加工中心进行模态分析，同时对其实验拟定方案，然
后对其进行模态测试实验。比对有限元计算结果与实验结果，找出频率比较低的
部件。
（4）根据加工中心的静动态分析结果，得出龙门架是加工中心的薄弱环节，
进而对其提出了改进建议。
本文的工作对加工中心的进一步改进提供了参考。
关键词：加工中心 静刚度 模态 有限元 实验
ABSTRACT
As people continually improve their requirements of the products, the machine
tools which produce the products are inevitably led to be improved. So the machine
tools are developed in the way of high speed, high precision and high performance. As
the rapid development of computer, finite element theory and a variety of testing
techniques, the design of machine tools is no longer a traditional design, which is
mainly about experimental design, analog design and static design. But it changed to the
direction of modern design. And all kinds of modern design methods will also be
developed. Some modern design methods contain computer-aided design, optimization
design, reliability design and dynamic design. The dynamic optimal design of the
structure of the machine tool is combined with modern dynamic design and
optimization design. This approach inspired people of a great passion for research as
soon as it was put forward. At the same time this approach as an important development
direction of modern design of machine tools.
Because the stiffness of the machining center in a factory is too weak, they
designed a new one. And this thesis is aimed to analyze and test the stiffness and mode
of the new machining center. Mainly contains the following:
(1) The finite element model of machining center was built by modern convenient
and advanced finite element software. And its joined positions were appropriately
simulated by RBE2 elements.
(2) According to the drilling conditions of the machining center, we analyzed its
static stiffness by finite element software and tested it by experiment. Then we
compared the theoretical and experimental results and found the weak links of the
machining center.
(3) We used the finite element software analyzing the mode of the machining
center. Then we made an experimental program and tested its mode by experiments.
Compared with FEM and experimental results we found the relatively low frequency of
the site of the machine.
(4) According to the static and dynamic analysis results of the machining center,
we found that the gantry of the machine was the weak link. And then we gave our
recommendations for improvement.
The work of this thesis provides a reference for further improvement of machining
center.
Keywords: Machining Center, Static Stiffness, Mode, Finite element,
Experiment
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .....................................................................................................................1
§1.1 课题的来源 .......................................................................................................1
§1.2 课题研究概述 ...................................................................................................1
§1.2.1 动态特性发展概况 ..................................................................................1
§1.2.2 机床结构的动力学建模方法简介 ..........................................................5
§1.2.3 有限元方法简介 ......................................................................................6
§1.3 课题所需有限元分析软件简介 .......................................................................7
§1.3.1 ANSA 简介 ..............................................................................................7
§1.3.2 MSC.NASTRAN 简介 ............................................................................ 7
§1.3.3 Altair HyperWorks 简介 .......................................................................... 8
§1.4 本论文的主要研究内容及方法 .......................................................................9
§1.5 课题研究的意义 .............................................................................................10
§1.6 工作任务介绍 .................................................................................................10
第二章 静动态性能分析的基础理论及结合面研究 .................................................11
§2.1 加工中心静动态性能分析的内容 .................................................................11
§2.2 弹性力学基本方程 ..........................................................................................12
§2.3 有限元方法的基本步骤 ..................................................................................13
§2.4 静态性能分析的有限元法 ..............................................................................14
§2.5 动态性能分析的有限元法 ..............................................................................16
§2.5.1 结构动力学方程 ....................................................................................16
§2.5.2 结构的固有振动性能分析 ....................................................................16
§2.6 结合面动态特性研究理论 ..............................................................................17
§2.6.1 结合面研究概述 ....................................................................................17
§2.6.2 结合面动态特性影响因素 ....................................................................19
§2.6.3 结合面动态特性影响因素的分类 .......................................................20
§2.6.4 结合面动态特性影响因素的分析处理方法 .......................................20
§2.7 小结 ..................................................................................................................23
第三章 加工中心静刚度有限元分析及实验 .............................................................24
§3.1 加工中心结构组成及基本性能参数 ..............................................................24
§3.1.1 加工中心的结构组成 ...........................................................................24
§3.1.2 加工中心的基本性能参数 ....................................................................25
§3.1.3 加工中心的精度 ....................................................................................26
§3.2 加工中心静刚度有限元计算 ..........................................................................26
§3.2.1 加工中心模型简化 ................................................................................26
§3.2.2 加工中心模型网格划分及结合部处理 ................................................27
§3.2.3 加工中心模型的约束 ............................................................................29
§3.2.4 加工中心模型的载荷 ............................................................................29
§3.2.5 加工中心有限元求解及结果 ................................................................30
§3.3 加工中心静刚度实验 ......................................................................................31
§3.3.1 静刚度实验仪器、方法及原理 ............................................................31
§3.3.2 静刚度实验结果 ....................................................................................32
§3.4 本章结论 ..........................................................................................................32
第四章 加工中心模态的有限元分析及实验 .............................................................33
§4.1 模态分析技术概述 ..........................................................................................33
§4.1.1 综述 .......................................................................................................33
§4.1.2 当前模态分析技术 ...............................................................................33
§4.2 加工中心系统的力分析及其影响 .................................................................34
§4.3 加工中心系统的振动类型分析 .....................................................................35
§4.4 加工中心系统模态分析的意义 .....................................................................36
§4.5 加工中心系统模态有限元分析 .....................................................................36
§4.5.1 加工中心模态分析设置 .......................................................................36
§4.5.2 加工中心模态分析边界条件 ...............................................................37
§4.5.3 加工中心模态计算及分析结果 ...........................................................37
§4.5.4 加工中心各阶频率的分析 ...................................................................41
§4.6 加工中心系统模态实验 .................................................................................43
§4.6.1 模态实验前提条件 ...............................................................................43
§4.6.2 模态实验方法 ........................................................................................44
§4.6.3 模态实验方案的确定 ...........................................................................50
§4.6.4 实验过程及数据处理 ...........................................................................51
§4.6.5 实验结果 ...............................................................................................52
§4.7 本章结论与建议 .............................................................................................56
§4.7.1 本章结论 ................................................................................................56
§4.7.2 建议 ........................................................................................................57
第五章 总结与展望 .......................................................................................................58
§5.1 工作总结与结论 .............................................................................................58
§5.2 问题与展望 .....................................................................................................58
参考文献 .........................................................................................................................60
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................64
致 谢 .............................................................................................................................65
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 课题的来源
本课题是上海市重大科技攻关项目，由上海市第三机床厂和上海理工大学共同
承担。目的是通过有限元分析及实验相结合的方法对加工中心的结构进行改进及
其性能进行优化。
§1.2 课题研究概述
§1.2.1 动态特性发展概况
机床被称作现代制造技术的工作母机。现在国家装备制造业的发展水平，成
为衡量一个国家科技水平、工业水平的标准，并体现了一个国家的经济实力和竞
争力的水平。根据国家规划，已把国家的战略重点定位在以自主创新带动先进装
备制造业的发展
[1]
。现代工业技术在信息革命的推动下正在迅速发展。进入二十一
世纪以后，各国在信息工业，航空航天工业，军事工业，电子工业，能源工业等
领域展开了激烈的竞争。随着这些高科技领域日益向高速、高效、精密、轻量化
和自动化的方向发展，机床行业也得到日益广泛地应用。因此对机床的要求也越
来越高。
尤其是在六十年代后，由于计算机、有限元等基础理论及各种测试技术的迅
速发展，机械设计不再是传统的经验设计、类比设计和静态设计，而是转向现代
设计方向发展，各种现代设计方法便也同时发展起来。一些现代的设计方法如计
算机辅助设计、优化设计、可靠性设计和动态设计等[2]。而机床结构的动态优化设
计，就是结合现代设计方法中的动态设计与优化设计。这种方法一提出就激发了
人们极大的研究热情，同时也将这种方法列为现代化机床设计的重要发展方向之
一。
机床结构主要包括机床的支承零部件或系统，如床身、框架、门柱、横梁、
箱体、主轴、工作台、刀架、系统等。早期的机床结构设计中，最起码的要求主
要是加工零件的形状和机床本身机件不被破坏，所以机械强度被视为最重要的课
题。为了满足安全的需要，最主要的方法是对作用在机床上的载荷尽量加大安全
系数，从而把机床设计得十分笨重，这是经验设计或类比设计的必然结果。事实
上，过去很长一段时间内对机床结构的设计计算一直沿用一般的结构计算方法，
摘要：
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摘要随着人们对产品的要求不断地提高，必然导致对生产产品的机床性能要求的提高，从而促使机床正在朝着高速度、高精度、高性能的方向发展。由于计算机、有限元等基础理论及各种测试技术的迅速发展，机床的设计不再是传统的经验设计、类比设计和静态设计，而是转向现代设计方向发展，各种现代设计方法便也同时发展起来。一些现代的设计方法有计算机辅助设计、优化设计、可靠性设计和动态设计等。而机床结构的动态优化设计，就是结合现代设计方法中的动态设计与优化设计。这种方法一提出就激发了人们极大的研究热情，同时也将这种方法列为现代化机床设计的重要发展方向之一。本论文主要是针对某厂之前制造的加工中心刚度低的弱点，进行结构改进后，...
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