高速磨床动态性能分析
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用实验模态分析法对整机进行动态分析。
1. 1 模态参数的测试与计算 采用快速高效的脉冲激振法, 磨床测点布置如图
1所示。沿磨削力方向激振主轴前端点 1, 其余各点 拾振。用 CF - 910动态信号分析仪对各测点加速度 的响应值进行采样和分析, 得出各点的传递函数。利 用分量分析法求得各阶模态固有频率阻尼比见表 1。
2006 年第 2 期 (总第 166期 )
高速磨床动态性能分析
湖南大学机械与汽车工程学院 ( 410082) 陈根余 朱定军 尤卫民 湖南工业职业学院 ( 410007) 申晓龙
摘 要 基于提高高 速磨削表面质量, 系统研究了高速外圆磨床动力特性 。通过设 计动态性能试验, 找到了样机的振动薄 弱环 节和主要振源, 提出了改进措施。 关键词 高速外圆磨 床 动态性能 振源 改进措施
character istics, v ibrat ion source, im provem ent m eas u res
Structura lOp tmi iza tion o f the Sp ind le System o f 5 - Axis M achining Cen ter Ab strac:t Based on the dynam ic sim u lation of the spin dle system o f 5- ax is m achining center, dynam ic opt i m ization design is done for the bearing suppo rt system and the structure of the sp ind le. T o overcom e the d is advantages of one - support bearing, tw o - support bearing is applied to the fore part o f spindle. T he m in i m um d isp lacem ent of the sp ind le nose is used as objec t ive function to design the structure o f spindle. By these w ays, the stat ic and dynam ic characterist ics of the spin dle system are im proved, sa tisfy ing the design de
湖南大学机械工程系, 1998. [ 5] 许本文等主编. 机械振动与模态分析基础. 北京: 机械工 业出版
社, 1998
49
2006 年第 2 期 (总第 166期 )
ABSTRACT & KEYWORDS NO. 2 2006
Ana lysis on H igh- Speed Grinde r D ynam ic Pe rfo rm ances
Cam bridge, 1992, 263 ~ 284. [ 6] O p enCV 使用文档. In tel C orporat ion, 2001.
图 4 测量结果显示界面
( 上接第 32页 ) ( 3) 为提高进给系统精度、刚度, 进给系统改用步进 电机, 滚珠丝杆螺母副传动。 ( 4) 增加工件台辐射筋 条以提高进给精度、刚度; 台面空腔部采用夹沙结构 以增大阻尼, 加大上下台面的转轴支承直径, 提高水 平接触刚度。 ( 5) 将液压系统的齿轮泵改为螺杆泵, 并将油箱移至床身外。 ( 6) 床身内腔采用双臂及合 理的隔板筋条来提高动态刚度。 2 结论
参考文献 [ 1] 贾云得. 机器视觉. 科学出版社, 2000. [ 2] 孙即详, 王晓华, 钟山. 模式识别 中的特 征提取 与计算 机视 觉中
不变量. 国防工业出版社, 2001. [ 3] 徐建华. 图像处理与分析. 科学出版社, 1992. [ 4] 贾永红. 计算机图像处理与分析. 武汉大学出版社, 2001 [ 5] H arris C. G eom etry from visu al m otion. A ctive M otion, M IT press,
5 结束语
利用视觉检测和图 象处 理技 术进 行工 件的 外形 尺寸 参 数检测, 在制造业中具 有一定 的使用价 值, 对该方 案进行 了 初步的探讨与研究; 接 下来需 要解决的 是, 一方面 如何高 效 的获取高质量的动态图像使之自动化 程度更 高; 另外一方 面 是如何高效地与生 产中的 各个 环节相 结合 使系 统达 到实 时 检测, 还有就是研究运 行效率 更高的 图像处理 算法; 经过 多 次实际检测, 该系 统的总 体设 计方 案是 可行 和可 靠的, 目 前 的试验成果表明机器人视觉在检测应用中具有广阔的前景。
并改用多楔带无级调整; 拔盘采用双列向心短圆柱
滚子轴承, 以减小轴承滚动体通过振动; 尾架采用交
叉滚子导轨结构; 改进头尾架外形设计以提高其在
主振方向的刚性和稳定性。
(下转第 49页 )
2006 年第 2 期 (总第 166期 )
向对象 程序架构, 使用微 软的. NET 平台和 VC + + . net开发 语言, 结合 Inte l公司 的 OpenCV 类库。 对机器视觉尺寸检测系统进行软件开发。
( 1) 对样机 M S1320 型高速外圆磨床 设计动态 性能试验, 找到了三架和上下台面是该磨床的振动 薄弱环节。首先是头架, 其次是砂轮架, 再次是上下 台面和尾架。
( 2) 对功率谱的结果分析得出砂轮电机、液压电 机和头架电机是主要振源。同时砂轮, 砂轮电机、头 架电机的高速档的转动频率接近, 容易引起共振。
图象处理模块分为以下功能模块, 完成各自的 功能。文 件操作模 块: : 完成图像 的存储、打开、关 闭、重新加载、退出等功能; 图象处理模块: 完成图像 的基本变换, 例如灰度拉伸、图像反色; 图像分析模 块: 阈值分割、边缘检测、图像的角点提取等功能; 待 测尺 寸计算模 块: 完成经 过处理后 图像的尺 寸计 算, 并按照一定的比例转化为真实尺寸, 根据预先 设定的标准尺寸的公差要求, 判断待测尺寸是否合 格; 数据保存模块: 将工件的编号与对应的测量结果 保存到数据库中。最后测量结果显示如图 4所示。
分别使各电机空转并测出各点的功率谱值, 所有 测点功率谱平均值列于表 2。回转件的转动频率为: 砂轮电机, 48. 7H z; 头架电机, 24( 48 ) H z, 液电机, 24H z; 砂轮, 41H z。
对功率谱的结果分析如下: ( 1) 砂轮电机和液压 电机是主要振源; ( 2)头架振动比尾架大, 头架电机也 是主要振源; ( 3)砂轮架的振动幅值比其它部件小, 证 明该砂轮架的动特性比较好; ( 4) 由于各电机及砂轮 的转动频率近似相等或成倍数关系, 测试分析中的波 形调制作用下使各种空转状态下的振动主要峰频率 相等或接近, 这些峰频率 ( H z) 是 50. 8, 101, 150, 199, 250, 301。其中振动频率 50. 8H z与砂轮、砂轮电机、 头架电机的高速档的转动频率接近, 而其它振动峰频 率则为各阶高次谐振。与前节振动薄弱环节分析结 果比较可知, 主要峰频率 101, 150, 199, 301分别与机 床二、三、四阶振型的固有频率接近。在此, 应尽量避 免这些频率引起共振。
- 42. 68
- 45. 10
D 尾架顶尖
- 42. 65
- 48. 25
- 44. 60
E 床身
- 41. 75
- 46. 30
- 42. 94
状态 4 启动全部电机
- 42. 87 - 41. 23 - 41. 64 - 41. 29
1. 4 改进措施 在动态性能试验分析基础上, 改进试验样机, 可
很大。砂轮架也呈扭转振动, 前端幅值大于后端且相 反, 使主轴承受很大的侧压力, 将降低主轴工作精度。 头架也呈扭转振动, 前端不仅幅值大且与砂轮架前端 和尾架前端振动方向相反, 这对加工精度影响很大。 上下台面及床身与二阶一样。继续对后面几阶高阶 模态振型分析可知, 三架的振动幅值都较大, 且前端 比后端振动幅值要大。以上分析表明, 三架和上下台 面是该磨床的振动薄弱环节。首先是头架, 其次是砂 轮架, 再次是上下台面和尾架。 1. 3 振源分析
从以下方面着手: ( 1) 砂轮电机转子轴、皮带轮风扇 一起进行严格动平衡, 平衡精度达 23. 1gmm。对电 机与座之间进行隔振计算, 用厚橡皮隔开; 合理设计 布置砂轮架 体壳、隔 板及筋条; 合理选择液 压油粘
32
度、油压和节流比; 砂轮架改为多楔带转动。 ( 2) 头
架电机、转子轴、皮带轮、拔盘连同拔杆严格动平衡
1. 2 振动薄弱环节分析 根据各阶振型值用矢量表示所有测点在某阶模
态下的响应, 按统一的比例画在所选定的基准面 ( 平 衡位置 ) 上, 便 得到磨床该 阶模态 的振型图。第一、 二、三阶模态振型图分别如图 2、图 3、图 4示。
1 动态性能试验 试验在样机 M S1320型高速外圆磨床上进行。采
引言 高速磨削是一种高效磨削, 在提高磨削效率同时
怎样提高磨削表面质量是一个具有十分重要理论与 实践意义的课题 [ 1~ 3 ] 。基于砂轮线速度过高所引起 的振动恰是精密磨削中所忌讳的 。本文首先对样机 M S1320型高速外圆磨床进行 全面动态性能试验 [ 4 ] , 找出振动薄弱环节和主要振源, 提出抑制振动措施; 然后结合动力分析与动态设计, 改进样机研制出新型 高速高精度低粗糙度外圆磨床。
第一阶模态为整机摇晃振动, 三架前端 ( 2、4、6) 的幅值比后端 ( 3、5、7) 小, 这对加工精度有利。上下 台面呈弯曲振动, 幅值最大, 影响纵磨质量, 应提高上 下台面内的弯曲刚度。由第二阶振型图看出, 砂轮振 动方向与头尾架 的振动方 向相反, 且头架 振动幅值 大, 说明本阶模态的振动对加工精度影响很大, 且从 传递函数可看出这是一个主要模态, 应该尽力避免干 扰频率与该固有频率接近。同时, 应提高它们自身的 刚度和联结刚度。上下台面呈弯曲振动, 且振动幅值 更大一些, 影响 如同一阶 一样。床 身呈一次 扭摆振 动, 影响其部件位置精度和加工精度。节线在床身中 部偏左, 基本与床身大窗口交会, 说明窗口对床身特 性有影响。观察第三阶模态振型图, 三架振动幅值都
Ab strac:t T o raise the h igh - speed g round surface qua lity, th is art icle system atically analyses the cy lindri ca l g rinder dynam ic characterist ics. By m ak ing the dy nam ic perform ance tes,t the v ibration w eak po in ts and the m a in v ibration source o f the proto type are found. F inally, the im provem ent m easures w ill be put forw ard. K eyw ords: high - speed cy lindrica l grinder, dynam ic
表 2 空运转功率谱平均值 ( dBV rm s )
测点
状态 1 启动砂轮电机 (液压, 静压电机必启 )
状态 2 启动头架电机
状态 3 启动液压电机
A 状态对应的电机
- 30. 02
- 42. 63
- 29. 71
B 砂轮架
- 43. 90
- 50. 12
- 46. 29
C 头架顶尖
- 41. 82
表 1 各阶模态的固有频 率和阻尼比 [ 5]
模态阶次 固有频率 /H z 阻尼比 /
1 22. 5 0. 1098
2 127. 5 0. 0221
3 2 00 0. 0510
4 31 5 0. 0315
图 2 第一阶振型图
图 1 磨床测点布置
图 3 第二阶振型图 31
《精密制造与自动化》
图 4 第三阶振型图
参考文献 [ 1] 国家自然科学基金委员会. 先进制造技术基础. 北京: 高 等教育
出版社, 1998. [ 2] 盛晓敏等主编. 先进制造技术. 北京: 机械工业出版社, 2000. [ 3] 孙大涌主编. 先进制造技术. 北京: 机械工业出版社, 2000. [ 4] 陈根余. 高速磨削下变速磨削试验及其 振动信号时间序 列分析.
1. 1 模态参数的测试与计算 采用快速高效的脉冲激振法, 磨床测点布置如图
1所示。沿磨削力方向激振主轴前端点 1, 其余各点 拾振。用 CF - 910动态信号分析仪对各测点加速度 的响应值进行采样和分析, 得出各点的传递函数。利 用分量分析法求得各阶模态固有频率阻尼比见表 1。
2006 年第 2 期 (总第 166期 )
高速磨床动态性能分析
湖南大学机械与汽车工程学院 ( 410082) 陈根余 朱定军 尤卫民 湖南工业职业学院 ( 410007) 申晓龙
摘 要 基于提高高 速磨削表面质量, 系统研究了高速外圆磨床动力特性 。通过设 计动态性能试验, 找到了样机的振动薄 弱环 节和主要振源, 提出了改进措施。 关键词 高速外圆磨 床 动态性能 振源 改进措施
character istics, v ibrat ion source, im provem ent m eas u res
Structura lOp tmi iza tion o f the Sp ind le System o f 5 - Axis M achining Cen ter Ab strac:t Based on the dynam ic sim u lation of the spin dle system o f 5- ax is m achining center, dynam ic opt i m ization design is done for the bearing suppo rt system and the structure of the sp ind le. T o overcom e the d is advantages of one - support bearing, tw o - support bearing is applied to the fore part o f spindle. T he m in i m um d isp lacem ent of the sp ind le nose is used as objec t ive function to design the structure o f spindle. By these w ays, the stat ic and dynam ic characterist ics of the spin dle system are im proved, sa tisfy ing the design de
湖南大学机械工程系, 1998. [ 5] 许本文等主编. 机械振动与模态分析基础. 北京: 机械工 业出版
社, 1998
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2006 年第 2 期 (总第 166期 )
ABSTRACT & KEYWORDS NO. 2 2006
Ana lysis on H igh- Speed Grinde r D ynam ic Pe rfo rm ances
Cam bridge, 1992, 263 ~ 284. [ 6] O p enCV 使用文档. In tel C orporat ion, 2001.
图 4 测量结果显示界面
( 上接第 32页 ) ( 3) 为提高进给系统精度、刚度, 进给系统改用步进 电机, 滚珠丝杆螺母副传动。 ( 4) 增加工件台辐射筋 条以提高进给精度、刚度; 台面空腔部采用夹沙结构 以增大阻尼, 加大上下台面的转轴支承直径, 提高水 平接触刚度。 ( 5) 将液压系统的齿轮泵改为螺杆泵, 并将油箱移至床身外。 ( 6) 床身内腔采用双臂及合 理的隔板筋条来提高动态刚度。 2 结论
参考文献 [ 1] 贾云得. 机器视觉. 科学出版社, 2000. [ 2] 孙即详, 王晓华, 钟山. 模式识别 中的特 征提取 与计算 机视 觉中
不变量. 国防工业出版社, 2001. [ 3] 徐建华. 图像处理与分析. 科学出版社, 1992. [ 4] 贾永红. 计算机图像处理与分析. 武汉大学出版社, 2001 [ 5] H arris C. G eom etry from visu al m otion. A ctive M otion, M IT press,
5 结束语
利用视觉检测和图 象处 理技 术进 行工 件的 外形 尺寸 参 数检测, 在制造业中具 有一定 的使用价 值, 对该方 案进行 了 初步的探讨与研究; 接 下来需 要解决的 是, 一方面 如何高 效 的获取高质量的动态图像使之自动化 程度更 高; 另外一方 面 是如何高效地与生 产中的 各个 环节相 结合 使系 统达 到实 时 检测, 还有就是研究运 行效率 更高的 图像处理 算法; 经过 多 次实际检测, 该系 统的总 体设 计方 案是 可行 和可 靠的, 目 前 的试验成果表明机器人视觉在检测应用中具有广阔的前景。
并改用多楔带无级调整; 拔盘采用双列向心短圆柱
滚子轴承, 以减小轴承滚动体通过振动; 尾架采用交
叉滚子导轨结构; 改进头尾架外形设计以提高其在
主振方向的刚性和稳定性。
(下转第 49页 )
2006 年第 2 期 (总第 166期 )
向对象 程序架构, 使用微 软的. NET 平台和 VC + + . net开发 语言, 结合 Inte l公司 的 OpenCV 类库。 对机器视觉尺寸检测系统进行软件开发。
( 1) 对样机 M S1320 型高速外圆磨床 设计动态 性能试验, 找到了三架和上下台面是该磨床的振动 薄弱环节。首先是头架, 其次是砂轮架, 再次是上下 台面和尾架。
( 2) 对功率谱的结果分析得出砂轮电机、液压电 机和头架电机是主要振源。同时砂轮, 砂轮电机、头 架电机的高速档的转动频率接近, 容易引起共振。
图象处理模块分为以下功能模块, 完成各自的 功能。文 件操作模 块: : 完成图像 的存储、打开、关 闭、重新加载、退出等功能; 图象处理模块: 完成图像 的基本变换, 例如灰度拉伸、图像反色; 图像分析模 块: 阈值分割、边缘检测、图像的角点提取等功能; 待 测尺 寸计算模 块: 完成经 过处理后 图像的尺 寸计 算, 并按照一定的比例转化为真实尺寸, 根据预先 设定的标准尺寸的公差要求, 判断待测尺寸是否合 格; 数据保存模块: 将工件的编号与对应的测量结果 保存到数据库中。最后测量结果显示如图 4所示。
分别使各电机空转并测出各点的功率谱值, 所有 测点功率谱平均值列于表 2。回转件的转动频率为: 砂轮电机, 48. 7H z; 头架电机, 24( 48 ) H z, 液电机, 24H z; 砂轮, 41H z。
对功率谱的结果分析如下: ( 1) 砂轮电机和液压 电机是主要振源; ( 2)头架振动比尾架大, 头架电机也 是主要振源; ( 3)砂轮架的振动幅值比其它部件小, 证 明该砂轮架的动特性比较好; ( 4) 由于各电机及砂轮 的转动频率近似相等或成倍数关系, 测试分析中的波 形调制作用下使各种空转状态下的振动主要峰频率 相等或接近, 这些峰频率 ( H z) 是 50. 8, 101, 150, 199, 250, 301。其中振动频率 50. 8H z与砂轮、砂轮电机、 头架电机的高速档的转动频率接近, 而其它振动峰频 率则为各阶高次谐振。与前节振动薄弱环节分析结 果比较可知, 主要峰频率 101, 150, 199, 301分别与机 床二、三、四阶振型的固有频率接近。在此, 应尽量避 免这些频率引起共振。
- 42. 68
- 45. 10
D 尾架顶尖
- 42. 65
- 48. 25
- 44. 60
E 床身
- 41. 75
- 46. 30
- 42. 94
状态 4 启动全部电机
- 42. 87 - 41. 23 - 41. 64 - 41. 29
1. 4 改进措施 在动态性能试验分析基础上, 改进试验样机, 可
很大。砂轮架也呈扭转振动, 前端幅值大于后端且相 反, 使主轴承受很大的侧压力, 将降低主轴工作精度。 头架也呈扭转振动, 前端不仅幅值大且与砂轮架前端 和尾架前端振动方向相反, 这对加工精度影响很大。 上下台面及床身与二阶一样。继续对后面几阶高阶 模态振型分析可知, 三架的振动幅值都较大, 且前端 比后端振动幅值要大。以上分析表明, 三架和上下台 面是该磨床的振动薄弱环节。首先是头架, 其次是砂 轮架, 再次是上下台面和尾架。 1. 3 振源分析
从以下方面着手: ( 1) 砂轮电机转子轴、皮带轮风扇 一起进行严格动平衡, 平衡精度达 23. 1gmm。对电 机与座之间进行隔振计算, 用厚橡皮隔开; 合理设计 布置砂轮架 体壳、隔 板及筋条; 合理选择液 压油粘
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度、油压和节流比; 砂轮架改为多楔带转动。 ( 2) 头
架电机、转子轴、皮带轮、拔盘连同拔杆严格动平衡
1. 2 振动薄弱环节分析 根据各阶振型值用矢量表示所有测点在某阶模
态下的响应, 按统一的比例画在所选定的基准面 ( 平 衡位置 ) 上, 便 得到磨床该 阶模态 的振型图。第一、 二、三阶模态振型图分别如图 2、图 3、图 4示。
1 动态性能试验 试验在样机 M S1320型高速外圆磨床上进行。采
引言 高速磨削是一种高效磨削, 在提高磨削效率同时
怎样提高磨削表面质量是一个具有十分重要理论与 实践意义的课题 [ 1~ 3 ] 。基于砂轮线速度过高所引起 的振动恰是精密磨削中所忌讳的 。本文首先对样机 M S1320型高速外圆磨床进行 全面动态性能试验 [ 4 ] , 找出振动薄弱环节和主要振源, 提出抑制振动措施; 然后结合动力分析与动态设计, 改进样机研制出新型 高速高精度低粗糙度外圆磨床。
第一阶模态为整机摇晃振动, 三架前端 ( 2、4、6) 的幅值比后端 ( 3、5、7) 小, 这对加工精度有利。上下 台面呈弯曲振动, 幅值最大, 影响纵磨质量, 应提高上 下台面内的弯曲刚度。由第二阶振型图看出, 砂轮振 动方向与头尾架 的振动方 向相反, 且头架 振动幅值 大, 说明本阶模态的振动对加工精度影响很大, 且从 传递函数可看出这是一个主要模态, 应该尽力避免干 扰频率与该固有频率接近。同时, 应提高它们自身的 刚度和联结刚度。上下台面呈弯曲振动, 且振动幅值 更大一些, 影响 如同一阶 一样。床 身呈一次 扭摆振 动, 影响其部件位置精度和加工精度。节线在床身中 部偏左, 基本与床身大窗口交会, 说明窗口对床身特 性有影响。观察第三阶模态振型图, 三架振动幅值都
Ab strac:t T o raise the h igh - speed g round surface qua lity, th is art icle system atically analyses the cy lindri ca l g rinder dynam ic characterist ics. By m ak ing the dy nam ic perform ance tes,t the v ibration w eak po in ts and the m a in v ibration source o f the proto type are found. F inally, the im provem ent m easures w ill be put forw ard. K eyw ords: high - speed cy lindrica l grinder, dynam ic
表 2 空运转功率谱平均值 ( dBV rm s )
测点
状态 1 启动砂轮电机 (液压, 静压电机必启 )
状态 2 启动头架电机
状态 3 启动液压电机
A 状态对应的电机
- 30. 02
- 42. 63
- 29. 71
B 砂轮架
- 43. 90
- 50. 12
- 46. 29
C 头架顶尖
- 41. 82
表 1 各阶模态的固有频 率和阻尼比 [ 5]
模态阶次 固有频率 /H z 阻尼比 /
1 22. 5 0. 1098
2 127. 5 0. 0221
3 2 00 0. 0510
4 31 5 0. 0315
图 2 第一阶振型图
图 1 磨床测点布置
图 3 第二阶振型图 31
《精密制造与自动化》
图 4 第三阶振型图
参考文献 [ 1] 国家自然科学基金委员会. 先进制造技术基础. 北京: 高 等教育
出版社, 1998. [ 2] 盛晓敏等主编. 先进制造技术. 北京: 机械工业出版社, 2000. [ 3] 孙大涌主编. 先进制造技术. 北京: 机械工业出版社, 2000. [ 4] 陈根余. 高速磨削下变速磨削试验及其 振动信号时间序 列分析.