精密机床实体建模与动力学分析【开题报告】

毕业设计开题报告

机械设计制造及自动化

精密机床实体建模与动力学分析

1选题的背景、意义

近20年来，机床不断向高速和精密方向发展。基于材料去除的冷加工技术, 从本世纪60 年代初美国用单点金刚石刀具对电解铜进行加工,并成功地切削出镜面以来, 在加工精度方面发生了质的变化, 促使了超精密加工技术的产生和发展。一般认为, 被加工零件的尺寸和形位误差小于零点几微米, 表面粗糙度介于几纳米到十几纳米之间的加工技术, 是超精密加工技术。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]。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。提高精密机床的加工精度迫在眉睫。精密、超精密机床振源主要来源于机内振源和机外振源。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。因此，对机床动力学特性进行深入研究十分必要。

这种高要求的设计理念要求设计人员在设计过程中，对机床的动态特性进行研究。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]。

2.相关研究的最新成果及动态

2.1国内外精密机床发展情况

1)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[3]。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[4]。其中,LODTM立式大型光学金刚石车床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[5]。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。

2)国内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。但当1998年我国自己的数控超精密机床研制成功后,西方国家马上对我国开禁,我国现在已经进口了多台超精密机床。我国北京机床研究所、航空精密机械研究所、哈尔滨工业大学等单位现在已能生产若干种超精密数控金刚石机床。哈尔滨工业大学研制的加工KDP晶体大平面的超精密铣床。KDP晶体可用于光学倍频,是大功率激光系统中的重要元件。必须承认,在超精密机床技术方面,我们与国外先进水平相比还有相当大的差距,国产超精密机床的质量水平尚待

进一步提高。

2.2动力学分析国内外研究进展

1)结构系统整机建模整机

动力学建模是机床动力学分析和动态设计过程中的关键。其建模过程需根据机床的设计图纸或实际结构作适当简化。常见的整机动力学模型有集中参数模型、分布质量模型和有限元模型。

在集中参数模型中［6］，结构的质量用分散在有限个点上的集中质量来替换，结构的弹性用没有质量的当量弹性梁来替换，结构的阻尼假设为迟滞型的结构阻尼，结合部简化为集中的等效弹性元件和阻尼元件。1964年taylor曾在摇臂钻床刚度计算中采用集中质量思想，得到了与实测值较一致的固有频率和振型。该方法的不足之处在于工程上往往难以用简单合理的力学模型来模拟复杂的机床结构进行动力学分析，且精度较低。分布质量模型由于将较大的质量块分成小块，将子结构简化为质量均匀的等截面梁，比集中质量法更接近实际，计算也较简单。张广鹏等［7］在机床整机动态建模中采用了分布质量梁模型，得到加工中心的固有频率和动柔度频响。该方法编程工作量大，但可快速且较为准确地预测机床整机动态特性，其计算精度比集中质量法高。

有限单元法比前述两种方法更进一步，先对求解区域划分单元，再选定逼近模式分片插值，分析得到单元特征矩阵，最后把各单元特征矩阵组装成总特征矩阵，得到整个机构的方程组进行求解。Jiang等［8］建立了机床整机的有限元动力学模型，对机床结合面联接件的位置与数量进行了拓扑优化设计。赵宏林等［9］开发了基于有限元法的机床整机特性分析软件，实现了在图纸设计阶段预测其整机静动态及热态综合特性的目的，缩短了产品开发周期。相比于分布质量梁模型及集中参数模型，有限元模型模拟实际结构精度高，但其计算效率与单元的大小和逼近模式的复杂程度直接相关。现阶段高频率和大容量存储计算机技术使得有限元建模和分析的效率进一步提高，同时使其可视性和直观性得到充分体现。Zatarain等［10］建立的基于Nastran和Ideas的立柱移动式铣床动态有限元分析模型，周德廉等［11］建立的基于Ansys的高精度内圆磨床M2120A整机结构动力学模型充分体现了商业有限元软件在结构系统整机建模分析的高效率和高精度。

近年来，国内外学者在有限元法基础上发展了虚拟现实技术［12］、模态力法［13］