【文章內(nèi)容簡介】 .............88 研究展望 ....................................................................................................................89參考文獻(xiàn) ..............................................................................................................................91攻讀學(xué)位期間本人出版或公開發(fā)表的論著、論文 ..........................................................96致 謝 ..............................................................................................................................97TH6213 數(shù)控鏜銑加工中心關(guān)鍵零部件模態(tài)分析 第一章1第一章 緒 論 引言機(jī)床是機(jī)械制造業(yè)中用于加工各種產(chǎn)品和零件的先進(jìn)的生產(chǎn)工具，機(jī)床工業(yè)是機(jī)械工業(yè)的重要組成部分。企業(yè)對市場的應(yīng)變能力、生產(chǎn)效率以及機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量、更新速度在相當(dāng)程度上取決于機(jī)床。數(shù)控機(jī)床行業(yè)是裝備制造業(yè)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，數(shù)控即數(shù)字控制（Numerical Control簡稱 NC），是數(shù)字程序控制的簡稱。它是通過特定處理方式的數(shù)字信息去自動控制機(jī)械裝置的工作。數(shù)控機(jī)床行業(yè)不僅是先進(jìn)制造技術(shù)的載體，是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)（如信息技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)、航空、航天等國防工業(yè)產(chǎn)業(yè)）的關(guān)鍵，同時還關(guān)系到國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國家的戰(zhàn)略物資問題。很多國家正采取重大措施來發(fā)展自己的數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)。數(shù)控鏜銑加工中心是主要用作鏜銑的一種數(shù)控機(jī)床。大型數(shù)控鏜銑加工中心廣泛應(yīng)用于各種發(fā)電設(shè)備、航空航天、冶金、造船、鐵路車輛等特種重型加工中。這些產(chǎn)品基本都是我國國防軍工、重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目急需的關(guān)鍵核心部分。國家正在大力進(jìn)行該類機(jī)床產(chǎn)品開發(fā)和技術(shù)研究的工作。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、先進(jìn)刀具的大量出現(xiàn)和使用以及工藝水平的不斷提高，機(jī)床的加工性能需向高精度、高效率和高光潔度等方向發(fā)展。事實(shí)表明，機(jī)床的這些加工性能與它的結(jié)構(gòu)動態(tài)特性緊密關(guān)聯(lián) [1]。如果把機(jī)床的動態(tài)特性進(jìn)行一定的改善，完全可以使它的加工精度、效率、抗振性能、使用壽命以及可靠性得到一定的提高，并且機(jī)械噪聲也會有所降低。這樣為了滿足機(jī)床越來越高的加工性能的要求，機(jī)床就必須具備相應(yīng)良好的結(jié)構(gòu)動態(tài)特性。如今人們認(rèn)識和解決問題能力不斷提高，機(jī)床制造行業(yè)中新產(chǎn)品研制人員越來越重視機(jī)床結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的分析和研究這一重要環(huán)節(jié)，尤其是機(jī)床的模態(tài)分析 [23]。 課題研究的背景、來源及方法 課題研究的背景1952 年，因飛機(jī)生產(chǎn)的需要，美國研制出了世界上第一臺數(shù)控機(jī)床，并立即生第一章 TH6213 數(shù)控鏜銑加工中心關(guān)鍵零部件模態(tài)分析2產(chǎn)了 100 臺。1958 年，我國研制出了首臺數(shù)控機(jī)床。自此，我國先后三次在全國掀起數(shù)控機(jī)床的研制、生產(chǎn)、攻關(guān)高潮，但由于缺乏技術(shù)基礎(chǔ)，各種機(jī)、電、液、氣等配套基礎(chǔ)元部件、數(shù)控系統(tǒng)不過關(guān)，設(shè)計出的機(jī)床整體實(shí)力差，導(dǎo)致機(jī)床工作不可靠，故障頻繁。而日本在此階段，規(guī)劃周密、科學(xué)行事、步子扎實(shí)，在發(fā)展生產(chǎn)高效、自動化的機(jī)床、自動線的基礎(chǔ)上，保證主機(jī)過硬的設(shè)計本領(lǐng)，可靠的配套元部件、數(shù)控系統(tǒng)。1979 年，日本數(shù)控系統(tǒng)年生產(chǎn)量達(dá) 14,235 套，數(shù)控機(jī)床年產(chǎn)量達(dá)14,317 臺，超過了美國的當(dāng)年產(chǎn)量 7,925 臺，年產(chǎn)量居世界第一 [4]。1980 年起，我國先后引進(jìn)了日、德、美、西班牙的數(shù)控系統(tǒng)、各種數(shù)控機(jī)床，各類機(jī)、電、液、氣基礎(chǔ)元部件等進(jìn)行合作生產(chǎn)。我們學(xué)習(xí)國外先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)，采用國外先進(jìn)產(chǎn)品配置，使用國外關(guān)鍵零部件，針對數(shù)控機(jī)床的核心部件、基礎(chǔ)配件以及數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)。這樣改變了以往產(chǎn)品的質(zhì)量不可靠的問題，至此我國開始大批量生產(chǎn)數(shù)控機(jī)床并將它正式用在加工制造方面。1980 至 2022 年這 20 年間，我國的數(shù)控機(jī)床在產(chǎn)量上、品種上和技術(shù)上提高較快，取得了很大的成就。1980 年，我國的數(shù)控機(jī)床年產(chǎn)量達(dá) 692 臺，1999 年產(chǎn)量達(dá)九千多臺，2022 年超過了萬臺。品種上，各類激光加工機(jī)床、數(shù)控全切機(jī)床、成形機(jī)床等均能生產(chǎn)也比較齊全，設(shè)計、制造技術(shù)上也有了很大提高。大量國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床，已在廣大用戶生產(chǎn)現(xiàn)場使用，取得了用戶的好評。但還是由于主機(jī)設(shè)計本領(lǐng)不過硬，很多機(jī)床，特別是先進(jìn)的高性能機(jī)床還需要與國外合作 [5]。隨著大批量生產(chǎn)自動化的實(shí)現(xiàn)，多品種柔性化生產(chǎn)正在蓬勃發(fā)展，以適應(yīng)社會產(chǎn)品多樣化的需求。數(shù)控機(jī)床順應(yīng)了這一需求，綜合應(yīng)用了計算機(jī)、微電子、自動控制、精密測量和機(jī)床結(jié)構(gòu)等方面的最新成就，對復(fù)雜件、難切削件的加工起到攻堅作用。隨著微型電子計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，今后數(shù)控機(jī)床在數(shù)量、品種上將不斷增多并且數(shù)控機(jī)床的發(fā)展與 CAD、CAM、CAE 互相促進(jìn)，相輔相成。CAD 的發(fā)展，可以加速數(shù)控機(jī)床的設(shè)計；CAM 的發(fā)展，可加速數(shù)控機(jī)床在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用；CAE 的發(fā)展，使數(shù)控機(jī)床在整個機(jī)器制造業(yè)中應(yīng)用更加廣泛 [6]。未來數(shù)控機(jī)床的發(fā)展之路為高速度、高性能、高精度、高柔性化和模塊化：（1）高速度：數(shù)控機(jī)床各軸運(yùn)行的速度將大大加快。（2）高性能：隨著數(shù)控系統(tǒng)集成度的增強(qiáng)，數(shù)控機(jī)床也實(shí)現(xiàn)多臺集中控制，甚至遠(yuǎn)程控制。TH6213 數(shù)控鏜銑加工中心關(guān)鍵零部件模態(tài)分析 第一章3（3）高精度：數(shù)控機(jī)床以及加工件的精度會越來越高，且精度的保持性會更好。（4）高柔度：數(shù)控機(jī)床柔性化的發(fā)展方向?yàn)楦叩淖詣踊瑢⑽锪?、管理以及各種相應(yīng)的輔機(jī)集成為柔性化制造系統(tǒng)。（5）模塊化：數(shù)控機(jī)床將向模塊化的方向發(fā)展，這樣既縮短了制造的周期、降低了成本，而且有利于制造商和客戶 [7]。 課題的來源本論文課題研究的對象是蘇州江源精密機(jī)械有限公司正在生產(chǎn)研制的 TH6213數(shù)控鏜銑加工中心，如圖 11 所示。它是江源精密機(jī)械有限公司與意大利合作共同研發(fā)的一款機(jī)床，該機(jī)床已被列為江蘇省工業(yè)支撐項(xiàng)目（BE2022076）。該數(shù)控鏜銑加工中心最適于加工較大型復(fù)雜零件，可加工零件上各種面、各種復(fù)雜孔系、各種臺階、各種復(fù)雜圖形或三維曲面等,連續(xù)完成銑、鉆、鏜、鉸、攻絲等多種工序加工。加工零件的過程具有高精、高效、高穩(wěn)定性的特點(diǎn)，可廣泛適用于汽車、航空航天、船舶制造、軍工、能源、電力設(shè)備、礦山機(jī)械、鍛壓設(shè)備和模具等行業(yè)中。TH6213 立柱采用框架封閉式結(jié)構(gòu)，空腔內(nèi)設(shè)置有較多的縱向和橫向筋，提高了立柱的抗扭剛度。先進(jìn)的方形主軸箱頭部設(shè)計，大大提高了其強(qiáng)度與剛度。箱體采用鑄鐵材料，具有機(jī)械與熱對稱結(jié)構(gòu)，采用四導(dǎo)軌接觸，安裝在具有熱對稱結(jié)構(gòu)的立柱中央位置。導(dǎo)軌選用德國進(jìn)口的機(jī)床專用大尺寸重載滾柱直線滾動導(dǎo)軌。TH6213 數(shù)控鏜銑加工中心的主要技術(shù)參數(shù)如下表 11 所示：表 11 TH6213 數(shù)控鏜銑加工中心的主要技術(shù)參數(shù)Table 11 the main technical parameters of TH6213 CNC boring and milling center machine項(xiàng)目 單位 TH6213主軸箱行程（Y 軸行程） mm 2022立柱行程（Z 軸行程） mm 1600鏜桿直徑 mm 130主軸最大速度 rpm 4000主軸錐孔 ISO BT50最大功率 kw 37最大扭矩 Nm 1580 第一章 TH6213 數(shù)控鏜銑加工中心關(guān)鍵零部件模態(tài)分析4圖 11 TH6213 數(shù)鏜銑加工中心實(shí)物圖FIG. 11 The physical diagram of TH6213 CNC boring and milling center machine 數(shù)控機(jī)床動態(tài)特性研究方法長期以來，機(jī)床結(jié)構(gòu)的設(shè)計基本是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的，對它的動態(tài)特性方面只作粗略的原則性的考慮。如果要獲得具備較高動態(tài)特性的結(jié)構(gòu)，往往需經(jīng)過多次試制、改進(jìn)設(shè)計等漫長的研究過程。造成這樣復(fù)雜結(jié)果的原因有：1）機(jī)床結(jié)構(gòu)復(fù)雜，組成的零部件較多；2）動態(tài)條件較為多變，機(jī)床工作時出現(xiàn)的某些振動機(jī)理與各部分的結(jié)構(gòu)定量關(guān)系尚不清楚；3）目前結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性分析方面的理論與方法不很完善，而且動態(tài)特性分析的計算量是很大的，如果不依靠先進(jìn)的計算工具是沒法進(jìn)行的。隨著計算機(jī)的普及，機(jī)床結(jié)構(gòu)與振動方面理論的迅速發(fā)展，先進(jìn)的機(jī)床動態(tài)分析和試驗(yàn)技術(shù)的相繼出現(xiàn)以及機(jī)床自振理論知識的逐步深入與統(tǒng)一，目前的技術(shù)已能夠解決機(jī)床工作時因?yàn)閯討B(tài)力的原因而發(fā)生的各種復(fù)雜問題。一般可在設(shè)計階段就對機(jī)床結(jié)構(gòu)動態(tài)特性做出理論分析，然后再進(jìn)行機(jī)床結(jié)構(gòu)動態(tài)方面的設(shè)計，用較為經(jīng)濟(jì)且合理的手段去獲得具有預(yù)想動態(tài)特性指標(biāo)的機(jī)床結(jié)構(gòu)，讓機(jī)床能發(fā)揮出它應(yīng)有的加工性能與精度。研究機(jī)床動態(tài)特性的方法主要有：TH6213 數(shù)控鏜銑加工中心關(guān)鍵零部件模態(tài)分析 第一章51）理論分析法理論分析法就是以結(jié)構(gòu)動力學(xué)的基本理論為基礎(chǔ)，依據(jù)機(jī)床的設(shè)計要求進(jìn)行理論建模和分析，并最終得到機(jī)床理論動態(tài)特性的方法。通過理論建模和分析的方法能夠檢查機(jī)床的動態(tài)特性能否滿足設(shè)計和工作的要求，為機(jī)床的結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供一定的理論依據(jù)。此方法可經(jīng)濟(jì)、快速地達(dá)到優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)，它最明顯的優(yōu)勢是能夠在機(jī)床設(shè)計的過程中發(fā)現(xiàn)其動態(tài)性能存在的問題，及時提出解決的方案。但這種方法也有不足之處，就是在設(shè)計中對機(jī)床結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模和分析時難免會產(chǎn)生誤差，這些誤差又不可避免的導(dǎo)致分析結(jié)果的偏差，進(jìn)而影響到分析和模擬的準(zhǔn)確性。造成這些誤差的原因比較多且較復(fù)雜，如邊界條件的近似、界面連接條件、阻尼參數(shù)的確定等。這些都會導(dǎo)致誤差，影響分析計算的精度和準(zhǔn)確性。2）試驗(yàn)測試法試驗(yàn)測試法即是借助試驗(yàn)測試的手段對機(jī)床系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，提取系統(tǒng)的輸入輸出相關(guān)數(shù)據(jù)，在得到的數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立起反應(yīng)系統(tǒng)真實(shí)狀態(tài)的模型，并對模型進(jìn)行計算和分析 [8]。這種方法是以已經(jīng)制造出來的機(jī)床設(shè)備為研究對象，先對現(xiàn)有的機(jī)床設(shè)備做全面的了解和測試，得到諸如結(jié)合面參數(shù)，阻尼參數(shù)，邊界條件參數(shù)等，然后對機(jī)床系統(tǒng)進(jìn)行建模，這樣可降低在建模的時候產(chǎn)生的因參數(shù)不準(zhǔn)確而導(dǎo)致的誤差。試驗(yàn)法還可以使建立的模型與實(shí)際的機(jī)床系統(tǒng)具有十分相近的各項(xiàng)性能，從而有效的避免了因建模誤差導(dǎo)致的分析計算的不準(zhǔn)確。這些是試驗(yàn)建模方法的優(yōu)點(diǎn)，但它也有缺點(diǎn)。比如我們在建模之前，不得不對相應(yīng)的機(jī)床設(shè)備作相關(guān)的測試實(shí)驗(yàn)，這樣就必須提供相關(guān)試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)方法、分析處理數(shù)據(jù)的手段，不可避免的造成較高的投入。此外，在測試的過程中難免受到諸如信號處理設(shè)備的誤差，檢測設(shè)備的誤差，隨機(jī)噪聲等因素的影響，導(dǎo)致參數(shù)識別的精度有所降低，進(jìn)而影響建模的準(zhǔn)確性。3）理論試驗(yàn)相結(jié)合的方法該方法是以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，修正機(jī)床的動力模型，并利用這個動力模型進(jìn)行整機(jī)動態(tài)性能分析與優(yōu)化。這種建模方法能夠充分發(fā)揮有限元方法和動態(tài)分析方法各自的優(yōu)勢，最終獲得能夠準(zhǔn)確反映系統(tǒng)真實(shí)動態(tài)特性的模型 [9]。此方法關(guān)鍵的地方是運(yùn)用試驗(yàn)手段獲得的比較精確的系統(tǒng)數(shù)據(jù)來改進(jìn)理論建模后的系統(tǒng)模型，讓改進(jìn)后的數(shù)學(xué)模型可以真實(shí)的反映系統(tǒng)的動態(tài)特性，然后對這樣較真實(shí)的較準(zhǔn)確的模第一章 TH6213 數(shù)控鏜銑加工中心關(guān)鍵零部件模態(tài)分析6型進(jìn)行分析和計算，得到較為準(zhǔn)確的系統(tǒng)的動力學(xué)特性數(shù)據(jù)，進(jìn)而更好的改進(jìn)及優(yōu)化結(jié)構(gòu)。目前，國內(nèi)外對機(jī)床進(jìn)行模態(tài)分析多采用第三種方式，即有限元數(shù)值計算和試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法。常用試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的結(jié)果來修正有限元模型，由此得到含有結(jié)構(gòu)參數(shù)的、精確的有限元模型。 國內(nèi)外研究概況 理論研究狀況 國外理論研究狀況60 年代， 與 [10]建立了一臺搖臂式鉆床的質(zhì)量集中模型，整臺機(jī)床計算結(jié)果顯示低階固有頻率與試驗(yàn)值很接近，但仍未能計算出動態(tài)響應(yīng)值。70 年代，德國亞琛工業(yè)大學(xué)的 [11]教授較系統(tǒng)地論述了了解機(jī)床動態(tài)特性的意義。他認(rèn)為，機(jī)床的動態(tài)特性往往會對機(jī)床工作效率產(chǎn)生難以預(yù)料的影響。70 年代，J .Hi jink[12]等人運(yùn)用質(zhì)量分布梁的方法，建成了一臺臥式升降臺形的銑床的結(jié)構(gòu)模型，并根據(jù)銑床各部分的結(jié)構(gòu)彈性變形對機(jī)床整體影響的情況，將其結(jié)構(gòu)分成剛性梁與彈性梁兩種。假設(shè)其中的剛性梁只作剛性運(yùn)動沒有彈性變形，這樣能夠更接近實(shí)際機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。不足之處是未考慮到結(jié)合面的動態(tài)性能，其理論共振固有頻率與試驗(yàn)值相差約差 15%，動柔度值相差約 1 倍以上。日本得學(xué)者吉村尤孝 [13]在考慮了結(jié)合面動態(tài)性能的基礎(chǔ)上，建立了帶有雙立柱的車床質(zhì)量分布梁的動態(tài)力學(xué)模型。這個模型具有 20 個結(jié)合面，其中 2 個是導(dǎo)軌的結(jié)合面，其余是螺栓聯(lián)接處固定的結(jié)合面。他考慮到了結(jié)合面的動態(tài)特性，因而理論計算值比較接近于實(shí)測的值。[1416]等人對機(jī)床也做了理論方面的一些研究，他們研究的結(jié)果很一致