本文摘要:
數(shù)控機(jī)床的動(dòng)力學(xué)特性是影響機(jī)床加工精度和效率的重要因素,結(jié)合面剛度變化及機(jī)床加工空間位置變化等因素會(huì)導(dǎo)致機(jī)床的動(dòng)力學(xué)參數(shù)發(fā)生改變,影響機(jī)床的加工性能。為了探究五軸加工中心和五軸鉆攻中心的動(dòng)態(tài)特性及其影響因素,本文圍繞轉(zhuǎn)臺(tái)軸承結(jié)合面剛度和加工空間位姿對(duì)雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸機(jī)床的工作臺(tái)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)及整機(jī)的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了相關(guān)研究,預(yù)測(cè)了機(jī)床在不同加工空間的模態(tài)場(chǎng),并對(duì)機(jī)床的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行了辨識(shí),最后結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了有限元分析的正確性。主要結(jié)論如下:
(1)通過赫茲接觸理論建立了機(jī)床滾珠絲杠副結(jié)合部和直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副結(jié)合部以及機(jī)床轉(zhuǎn)臺(tái)軸承結(jié)合部剛度模型,數(shù)值分析了轉(zhuǎn)臺(tái)軸承剛度的影響因素。當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)軸承螺釘擰緊力矩T及外載aF和,xyM的增大使得軸向游隙||aG增大時(shí),aK和MK都隨之增大,當(dāng)||aG增大至20μm后aK增大變緩;徑向剛度rK隨徑向游隙||rG的增大先顯著增大后趨于平緩。
(2)建立了雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸加工中心的工作臺(tái)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)以及整機(jī)的有限元模型,仿真分析了機(jī)床工作臺(tái)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)在不同擺臺(tái)擺角和不同轉(zhuǎn)臺(tái)軸承剛度下的動(dòng)態(tài)特性,建立了機(jī)床一階固有頻率模態(tài)場(chǎng),分析了不同加工空間位置下機(jī)床動(dòng)力學(xué)特性參數(shù)變化的敏感性。研究結(jié)果表明,工作臺(tái)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性受擺臺(tái)擺角位置變化的影響較大,其一階固有頻率隨著擺臺(tái)角度的增大而減小,且在擺臺(tái)擺角為0°時(shí)其固有頻率達(dá)到最大;相比與轉(zhuǎn)臺(tái)軸承的軸向剛度變化,工作臺(tái)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)軸承徑向剛度的變化更為敏感,工作臺(tái)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)前六階固有頻率隨著轉(zhuǎn)臺(tái)軸承徑向剛度的增大而增大;該雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸機(jī)床的一階固有頻率對(duì)其加工空間Z方向上的變化最為敏感,對(duì)X、Y方向上的敏感度較小,對(duì)X方向上的敏感度最小;機(jī)床一階固有頻率隨擺臺(tái)角度的變化率不足2%,擺臺(tái)角度變化對(duì)機(jī)床整機(jī)的動(dòng)態(tài)特性影響不大。
(3)提出了一種振型法和模態(tài)質(zhì)量分布矩陣法相結(jié)合的機(jī)床薄弱環(huán)節(jié)辨識(shí)方法。通過機(jī)床模態(tài)仿真的振型圖及模態(tài)質(zhì)量分布曲線辨識(shí)了機(jī)床的薄弱環(huán)節(jié),而后根據(jù)有限元分析結(jié)果,進(jìn)行了機(jī)床的模態(tài)實(shí)驗(yàn)測(cè)試,得出了機(jī)床各部件實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)質(zhì)量分布曲線,驗(yàn)證和進(jìn)一步辨識(shí)了機(jī)床的薄弱環(huán)節(jié)。研究結(jié)果表明,該雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸機(jī)床一階和三階模態(tài)的薄弱環(huán)節(jié)是主軸及其結(jié)合部,二階模態(tài)的薄弱環(huán)節(jié)是主軸和主軸箱及其結(jié)合部。
(4)搭建了雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸機(jī)床模態(tài)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng),通過模態(tài)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法獲得了機(jī)床低階固有頻率和對(duì)應(yīng)的振型。研究結(jié)果表明,實(shí)驗(yàn)的前三階綜合固有頻率與仿真值的誤差均在15%以內(nèi),主要振型基本一致,驗(yàn)證了整機(jī)有限元模型及模態(tài)仿真的準(zhǔn)確性,相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持了機(jī)床薄弱環(huán)節(jié)辨識(shí)部分。
本文的創(chuàng)新點(diǎn)主要在于完成了五軸加工中心和五軸鉆攻中心轉(zhuǎn)臺(tái)軸承剛度建模及影響因素分析,并考慮轉(zhuǎn)臺(tái)軸承結(jié)合部等運(yùn)動(dòng)結(jié)合部完成了機(jī)床工作臺(tái)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性分析;分析了不同轉(zhuǎn)臺(tái)軸承剛度及不同機(jī)床加工空間對(duì)工作臺(tái)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性影響,并基于三維Kriging預(yù)測(cè)模型對(duì)整機(jī)加工空間模態(tài)場(chǎng)進(jìn)行了預(yù)測(cè),完成了機(jī)床動(dòng)態(tài)特性參數(shù)變化的方向敏感性分析;提出了一種振型法和模態(tài)質(zhì)量分布矩陣法相結(jié)合的機(jī)床薄弱環(huán)節(jié)辨識(shí)方法,辨識(shí)了該機(jī)床的薄弱環(huán)節(jié)。
本文雖然在對(duì)雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸加工中心的工作臺(tái)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)及整機(jī)的動(dòng)態(tài)特性分析方面取得了一定的研究成果,但是受限于個(gè)人能力及研究時(shí)間的限制,總結(jié)有以下不足之處:只是對(duì)機(jī)床整機(jī)進(jìn)行了模態(tài)實(shí)驗(yàn),對(duì)相關(guān)運(yùn)動(dòng)結(jié)合面的剛度建模及分析只是建立在理論和仿真分析上;只是完成了機(jī)床一種加工空間下的薄弱環(huán)節(jié)辨識(shí),后續(xù)可以研究該機(jī)床在不同加工空間下的薄弱環(huán)節(jié)變化情況,并將該辨識(shí)方法擴(kuò)展于其他機(jī)床的薄弱環(huán)節(jié)辨識(shí)研究。
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