精密机床实体建模与动力学分析文献综述

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1、文献综述精密机床实体建模与动力学分析一、前言（一）论文的目的近20年来，机床不断向高速和精密方向发展。精密和超精密加工技术的发展,直接影响到一个国家尖端技术和国防工业的发展,因此世界各国对此都极为重视,投入很大力量进行研究开发,同时实行技术保密,控制关键加工技术及设备出口。随着航空航天、高精密仪器仪表、惯导平台、光学和激光等技术的迅速发展和多领域的广泛应用,对各种高精度复杂零件、光学零件、高精度平面、曲面和复杂形状的加工需求日益迫切。目前国外已开发了多种精密和超精密车削、磨削、抛光等机床设备,发展了新的精密加工和精密测量技术[1]。精密、超精密机床振源主要来源于机内

2、振源和机外振源。其中，机内振源主要来源于机床各主轴伺服驱动系统与传动系统的振动，包括转子旋转不平衡及电磁力不平衡引起的振动；机床回转零件的不平衡引起的振动；运动传递过程中引起的振动；往复部件运动的惯性力引起的惯性力振动；切削时的冲击振动等。超精密机床机外振源主要来源于其它机床、锻压设备、火车、汽车等通过地基传给机床的振动等。机床工业是装备制造业和国防工业的基础。机床切削时的振动和变形不仅直接影响机床的动态精度和工件的加工质量，而且会导致生产效率下降、刀具磨损加剧，甚至直接导致机床故障和使用寿命缩短。因此，对机床动力学特性进行深入研究十分必要。近20年来，机床不断向高

3、速和精密方向发展。对于高速精密机床而言，进行机床动态特性分析和优化设计更为重要。高速精密机床系统动力学是以精密机床为对象，以结构动力学、加工系统动力学及传动系统动力学等为主要研究内容，以三维建模、数值计算、动态特性分析和动态性能测试等为手段，为机床设计、制造提供基本理论及设计依据的学科[2]。（二）相关概念1．结构动力学分析[3]高速精密机床系统结构动力学包括对机床整机建模、机床主要关键功能部件分析和部件间结合部三个方面的研究。其研究方法分为数学建模及模态分析。机床结构动态分析的目的旨在搜寻影响机床动态性能的薄弱环节，改进其结构来提高机床结构动态性能。1．机床动态特

4、性研究的主要指标机床动态特性是指机床系统在振动状态下的特性，即机床在一定激振力下振幅和相位随激振频率而变化的特性[4]。主要指标有:1)固有频率，数控机床是由若干零部件所组成的多自由度系统，每一个自由度对应系统一个固有频率。通常，在数控机床的振动分析中，只关心低阶固有频率(5阶以下)，因此，振动测试只需要测定低阶固有频率即可。当机床的激振频率在固有频率附近时，机床会发生强烈振动，即共振。因此，测定固有频率对于预防共振有着重要意义。2)阻尼比，数控机床各部件间的阻尼比大小，是代表机床抗振性的一个重要指标。因此，需要在振动测试中测定机床的阻尼比以评价机床阻尼减振的能力。

5、增加机床的阻尼可提高机床的动刚度和自激振动的稳定性。3)模态振型，数控机床的模态振型是与其固有频率相对应的，通常也只需要测得低阶固有频率对应的模态振型。模态振型反映了机床在某个共振频率(固有频率)下整机的振动形态，通过振型图可以发现机床振动幅度较大的零部件，即薄弱环节。4)动刚度，机床在以一定频率变化的正弦交变载荷(激振力)作用下所表现的刚度称为动刚度，动刚度是衡量机床抗振性的主要指标，其数值等于产生单位振幅所需的动态力。机床的动刚度是激振频率的函数，当机床发生共振时，动刚度最低，表现在频谱图上则动柔度最大，因此，也经常用动柔度(动刚度的倒数)评价机床的抗振性好坏。

6、一、主题（一）国外超精密机床的发展情况研发超精密机床是发展超精密加工的重要前提条件[5]。近年来发达国家已成功开发了多种先进的超精密加工机床。超精密机床的发展方向是:进一步提高超精密机床的精度,发展大型超精密机床,发展多功能和高效专用超精密机床。美、英、德等国在上世纪七十年代(日本在八十年代)即开始生产超精密机床产品,并可批量供货。在大型超精密机床方面,美国的LLL国家实验室于1986年研制成功两台大型超精金刚石车床:一台为加工直径2.1m的卧式DTM-3金刚石车床,另一台为加工直径1.65m的LODTM立式大型光学金刚石车床。其中,LODTM立式大型光学金刚石车床

7、被公认为世界上精度最高的超精密机床。美国后来又研制出大型6轴数控精密研磨机,用于大型光学反射镜的精密研磨加工。英国的Cranfield精密加工中心于1991年研制成功OAGM-2500多功能三坐标联动数控磨床(工作台面积2500mm×2500mm),可加工(磨削、车削)和测量精密自由曲面。该机床采用加工件拼合方法,还可加工出天文望远镜中直径7.5m的大型反射镜。日本的多功能和高效专用超精密机床发展较快,对日本微电子和家电工业的发展起到了很好的促进作用。（一）我国超精密机床的发展情况在过去相当长一段时期,由于受到西方国家的禁运限制,我国进口国外超精密机床严重受限。