本文摘要:
數控機床的動力學特性是影響機床加工精度和效率的重要因素,結合面剛度變化及機床加工空間位置變化等因素會導致機床的動力學參數發生改變,影響機床的加工性能。為了探究五軸加工中心和五軸鉆攻中心的動態特性及其影響因素,本文圍繞轉臺軸承結合面剛度和加工空間位姿對雙轉臺五軸機床的工作臺回轉系統及整機的動力學特性進行了相關研究,預測了機床在不同加工空間的模態場,并對機床的薄弱環節進行了辨識,最后結合實驗驗證了有限元分析的正確性。主要結論如下:
(1)通過赫茲接觸理論建立了機床滾珠絲杠副結合部和直線滾動導軌副結合部以及機床轉臺軸承結合部剛度模型,數值分析了轉臺軸承剛度的影響因素。當轉臺軸承螺釘擰緊力矩T及外載aF和,xyM的增大使得軸向游隙||aG增大時,aK和MK都隨之增大,當||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)建立了雙轉臺五軸加工中心的工作臺回轉系統以及整機的有限元模型,仿真分析了機床工作臺回轉系統在不同擺臺擺角和不同轉臺軸承剛度下的動態特性,建立了機床一階固有頻率模態場,分析了不同加工空間位置下機床動力學特性參數變化的敏感性。研究結果表明,工作臺回轉系統的動態特性受擺臺擺角位置變化的影響較大,其一階固有頻率隨著擺臺角度的增大而減小,且在擺臺擺角為0°時其固有頻率達到最大;相比與轉臺軸承的軸向剛度變化,工作臺回轉系統的動態特性對轉臺軸承徑向剛度的變化更為敏感,工作臺回轉系統前六階固有頻率隨著轉臺軸承徑向剛度的增大而增大;該雙轉臺五軸機床的一階固有頻率對其加工空間Z方向上的變化最為敏感,對X、Y方向上的敏感度較小,對X方向上的敏感度最小;機床一階固有頻率隨擺臺角度的變化率不足2%,擺臺角度變化對機床整機的動態特性影響不大。
(3)提出了一種振型法和模態質量分布矩陣法相結合的機床薄弱環節辨識方法。通過機床模態仿真的振型圖及模態質量分布曲線辨識了機床的薄弱環節,而后根據有限元分析結果,進行了機床的模態實驗測試,得出了機床各部件實驗模態質量分布曲線,驗證和進一步辨識了機床的薄弱環節。研究結果表明,該雙轉臺五軸機床一階和三階模態的薄弱環節是主軸及其結合部,二階模態的薄弱環節是主軸和主軸箱及其結合部。
(4)搭建了雙轉臺五軸機床模態實驗的實驗測試系統,通過模態實驗測試的方法獲得了機床低階固有頻率和對應的振型。研究結果表明,實驗的前三階綜合固有頻率與仿真值的誤差均在15%以內,主要振型基本一致,驗證了整機有限元模型及模態仿真的準確性,相關實驗數據支持了機床薄弱環節辨識部分。
本文的創新點主要在于完成了五軸加工中心和五軸鉆攻中心轉臺軸承剛度建模及影響因素分析,并考慮轉臺軸承結合部等運動結合部完成了機床工作臺回轉系統的動態特性分析;分析了不同轉臺軸承剛度及不同機床加工空間對工作臺回轉系統的動態特性影響,并基于三維Kriging預測模型對整機加工空間模態場進行了預測,完成了機床動態特性參數變化的方向敏感性分析;提出了一種振型法和模態質量分布矩陣法相結合的機床薄弱環節辨識方法,辨識了該機床的薄弱環節。
本文雖然在對雙轉臺五軸加工中心的工作臺回轉系統及整機的動態特性分析方面取得了一定的研究成果,但是受限于個人能力及研究時間的限制,總結有以下不足之處:只是對機床整機進行了模態實驗,對相關運動結合面的剛度建模及分析只是建立在理論和仿真分析上;只是完成了機床一種加工空間下的薄弱環節辨識,后續可以研究該機床在不同加工空間下的薄弱環節變化情況,并將該辨識方法擴展于其他機床的薄弱環節辨識研究。
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