车磨复合机床主轴系统模态分析
高速磨床主轴模态测试与分析研究
文 章 编 号 ：６ ４２ ７ （ ００ ０ —０ ２０ １ ７—９４ ２ １ ４０ ２—５ Ｊ
高 速 磨 床 主 轴 模 态 测 试 与 分 析 研 究
陈桂 平 ， 桂 林 崔 中， 洪 伟 文 ， 于
（ 南 大 学 汽 车 车 身 先 进 设 计 制 造 国 家重 点实 验 室 ，湖 南 长 沙 湖 ４０８ ） １ ０ ２
摘
要 ： ＭＳ ． ａｒｎ＆ Ｎａ ｔ ｎ软 件平 台上 建立 了 Ｃ Ｃ ３ ２ 高速 凸轮 轴磨床 主 在 Ｃ Ｐ ｔａ ｓｒ ａ Ｎ ８ ｌＡ
轴 在 支承 约束 状 态下的有 限元模 型 ， 对其结构 进行 了动 态 分析 与优 化 并得 到 了主轴 的 最优
结构模 型 ， 用 Ｌ 应 ＭＳ振 动 及 动 态 信 号 采 集 分 析 系 统 对 优 化 前 后 的 主 轴 进 行 了模 态 测 试 与
ｔ ａ ｏ ｔ ｒ ｌ ｔ ｏ ｍ ｏ ｒ ｎ ｓ ｆｗａ ｅ ｐ ａ ｆ ｒ ｆ ｒ ＣＮＣ ３ ２ ｈ ｇ — ｐ ｅ ａ ｓ ａ ｔ ｇ ｉ ｄ ｒ ｈ ｐ ｉ ｌｍ ｏ ｅ ｏ ｈ ｈ ｆ ｗａ ８ １ Ａ ｉ ｈ ｓ ｅ ｄ ｃ ｍ ｈ ｆ ｒｎ ｅ ，ｔ ｅ ｏ ｔｍａ ｄ ｌ ｆ ｔ ｅ ｓ ａ ｔ ｓ
高速磨床主轴模态测试与分析研究
比［引，哪个部位刚度不行或出现裂纹，就加固哪个部 位，这是一种带有盲目性的补救性设计方法．用模态 测试分析方法可以了解磨床主轴振动特性，并结合 动态分析来进行故障诊断和结构优化，这是研究和 解决上述问题非常有效的手段．模态分析分为试验 模态分析和计算模态分析［３］，试验模态分析是以振 动理论、信号处理技术和振动试验方法为基础，从测
图１磨床主轴结构尺寸
Ｆｉｇ．１ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｓｉｚｅ ｏｆ ｓｈａｆｔ
２．２高速磨床主轴模态测试 本测试拟对高速凸轮轴磨床主轴进行模态试
验，测量其模态频率和振型．试验分２部分，一是对 机床原用主轴进行测试；二是对优化改进后的主轴 进行测试．我们关心的是其在工况下模态参数，因为 机床在高速运转时测量不现实，所以拟测试主轴在 静态支承下的模态参数，对主轴的静压轴承支承进 行简化，近似认为轴颈处为刚性支承．试验用２个支 承座代替静压轴承支承主轴轴颈，为防止支承座本 身的固有振动特性影响其支承的主轴模态参数测 试，支承座做得尽可能厚实，高度尽可能低．本实验 加工了２个试验支承座，约束主轴在实际工作时的 轴颈部位．支承座采用４个Ｍ２２的螺栓固定在大型 试验台上．因试验台相对试件很大。所以本试验把试 验台近似看成是刚性的，不考虑其对试件模态参数 的影响．
利用ＭＳＣ．Ｐａｔｒａｎ＆Ｎａｓｔｒａｎ软件对优化前后的主 轴进行了动态分析．如图１所示，以主轴结构尺寸 Ｌ。，Ｌ：和Ｌ。为设计变量（原主轴Ｌ。，Ｌ。和Ｌ。分别 为１５９，１６５和９８ ｍｍ），通过拉丁超立方试验设计 方法，获取３０组结构尺寸参数，分别建立其几何模 型和有限元模型，计算出其质量并利用ＭＳＣ．Ｐａｔ－ ｒａｎ＆Ｎａｓｔｒａｎ分析得出第１阶固有频率．由于质 量和１阶固有频率是一对相互矛盾的目标，使用权 重和方法将两目标优化问题转化为单目标优化问 题，利用遗传算法可得到最优结构尺寸，当Ｌ。，Ｌ。 和Ｌ。分别为１５０，１６０和７４．５ ｍｍ时，主轴质量和１ 阶固有频率值为最佳口］．
车床主轴模态分析
基于ANSYS车床主轴模态分析江苏师范大学机电工程学院秦念对摘要：车床主轴对零件加工精度有很大影响。
通过三维绘图软件Pro/E建立主轴的三维实体模型，再导入有限元软件ANSYS中进行模态分析。
利用有限元分析方法对主轴的固有频率和10阶模态图分析求解，可以在设计过程中得到主轴的动态特性，对主轴设计维护具有指导意义。
关键词：模态分析；有限元；固有频率；Pro/E导入0 引言振动是工程结构中常见的问题，结构的固有振动特性是进行结构设计所必须了解的。
有限元技术的出现通过对模型结构和边界等合理模拟，可以快速准确得出结构的固有振动特性。
本文通过对车床主轴箱模态有限元分析，得出了结构固有特性以及确定优化方案1 模态分析的内容与应用1.1模态分析：是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。
模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。
这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。
这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，则称为计算模态分析；如果通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数，称为试验模态分析。
通常，模态分析都是指试验模态分析。
振动模态是弹性结构固有的、整体的特性。
通过模态分析方法搞清楚了结构物在某一易受影响的频率范围内的各阶主要模态的特性，就可以预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下产生的实际振动响应。
因此，模态分析是结构动态设计及设备故障诊断的重要方法。
模态分析的最终目标在是识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。
模态分析技术的应用可归结为以下几个方面：1) 评价现有结构系统的动态特性；2) 在新产品设计中进行结构动态特性的预估和优化设计；3) 诊断及预报结构系统的故障；4) 控制结构的辐射噪声；5) 识别结构系统的载荷。
关于数控机床模态分析的综述
关于数控机床模态分析的综述数控机床模态分析是一种对数控机床进行动态特性分析和优化的方法。
模态分析可以帮助工程师了解和改进机床的刚性、自振频率、模态阻尼等参数，以提高机床的加工精度和稳定性。
数控机床模态分析方法包括理论分析、有限元分析和实验测试等。
理论分析是利用工程力学理论和振动理论推导机床的自振频率和振型分布等参数。
有限元分析则是将机床建模为有限元模型，通过有限元软件计算模态参数。
实验测试方法通常需要用到加速度传感器、传动器和数据采集系统等设备进行振动信号采集和分析。
数控机床模态分析可以揭示机床的动态性能问题，指导机床的设计和改进。
通过模态分析，可以方便地了解机床各模态的自振频率、振型和消能能力，从而为机床的优化设计提供参考。
此外，模态分析还可用于检验机床的加工稳定性和动态刚性情况，评估机床的工作性能。
数控机床模态分析的应用范围非常广泛。
首先，在机床的设计阶段，模态分析可以帮助工程师了解机床的固有频率，并对其激振频率进行避免和设计。
其次，在机床的改进和优化过程中，模态分析可以帮助确定改进措施、指导改进方向，提高机床的精度和稳定性。
再次，在机床故障诊断和维护中，模态分析可以用于检测机床的振动异常情况，快速定位故障和精确定位问题所在。
然而，数控机床模态分析仍然存在一些挑战和局限性。
首先，模态分析涉及到大量的振动信号采集和分析，需要专业的设备和技术支持。
其次，机床的振动特性受到多种因素影响，如机床结构、切削过程、刀具、工件材料等。
因此，模态分析结果需要结合实际情况进行综合分析和判断。
最后，随着机床的不断更新和演变，模态分析方法和技术需要不断发展和改进，以适应新型机床的需求。
总的来说，数控机床模态分析是一种重要的机床动态性能分析方法，可以为机床的设计、改进和维护提供有力的支持。
随着模态分析技术的不断发展，相信它会在数控机床行业中得到越来越广泛的应用。
超高速磨削机床主轴系统模态分析
摘要：针对液体动静压轴承支撑的超高速磨削主轴系统工作的特殊性，在机床工作过程中，主轴高速旋转，动静压轴承的支 撑刚度随转速动态变化。为了解主轴系统工作过程中的动态特性，应用Ｆｌｕｎｅｎｔ软件求解液体动静压轴承的动态支撑刚 度， 而后在此基础上利用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ建立超高速磨床主轴系统的三维有限元模型，并对其进行模态分析，得到了各 阶固有频率和振型。通过设置不同转速下轴承的支撑刚度，获得主轴系统模态分析结果，并利用图解法求解出主轴系统的临 界转速。分析结果表明主轴系统在高速旋转状态下，系统的结构刚度会发生变化，使主轴系统的固有频率改变，并且随着转 速提高差异越显著。通过振动试验测试验证仿真分析的可靠性，经分析可知，试验与仿真的误差主要来源于支撑模型的 简化。 关键词：超高速磨削 主轴系统模态分析刚度 临界转速 中图分类号：ＴＧ５８０
２．６５５５９ Ｕｎｉｔ ｏｆＰＬＡ，Ｂｅｎｘｉ １ １７０００）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｐｉｎｄｌｅ ｓｙｓｔｅｍ ｏｎ ｕｌｔｒａ—ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｇｒｉｎｄｉｎｇ ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ ｌｉｑｕｉｄ ｈｙｂｒｉｄ ｂｅａｒｉｎｇ ｉｓ ｓｐｅｃｉａｌ．Ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｍａｃｈｉｎｅ
ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ ｓｐｅｅｄｓ，ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｄｙｎａｍｉｃ ｍｏｄａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｓｐｅｅｄｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐｉｎｄｌｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ
ｏｂｔａｉｎｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｇｒａｐｈｉｃａｌ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｉｎ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｒｏｔａｔｉｏｎ ｓｔａｔｅ，ｔｈｅ ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ ｓｔｉｆｆｅｎｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ＯＣＣＵＲＳ ｄｕｅ ｔｏ
车磨复合机床主轴系统的温度场建模与仿真
式 中 ： 与轴负荷有关 的项 ，反映弹性滞后和局部差动滑动 的 ７ １ 一
摩 擦 损耗 ， ： 即
专 １ Ｎ／ ） ｄ （ ｍｍ （ ３）
式 中： 一与速度有关的项 ， 反映润滑剂的流体动力损耗。 当 ｖ＞ Ｏ ＯＳ ｆ ｉ ￣２ Ｏ ｃ ｆ ｍ ｎ时：ｏｌ－ｏｖ ） （ ／ ｍ） Ｔ Ｏｙ（ｎ Ｎ ｍ ＝ （） ４
第 １ ０期
向 俊等 ： 车磨复合机 床主轴 系统 的温度场 建模 与仿 真
ｌｌ ５
带走 ， 主要是轴 承发热和电机发热对加工精度有影响。
（ ） 承 发 热量 的计算 １轴 轴 承 发 热量 为 Ｈ ．４ ｌ－ ＇ ） Ｉ Ｆ１ ｘ ０％７ ｗ ： ０ （ 式 中 ： 轴 承 转 速 （ ｍｎ ； ｒ ｒ ｉ） ／ 承 摩 擦 力 矩 （ ／ ｍ） Ｎｍ ， （） ２ ＋ ；
图 ４主轴温度场分布图 １
图 ５主轴温度场分布 图 ２
由图 中可 见 ， 温 区域 位于 前轴 承 内圈 处 ， 高温 度 为 高 最 ６ ． 这是 由于前轴承采用 ２ ６ ℃。 ７ 对角接触球轴承 ， 加工时前轴承受 力 比后轴承大 ， 发热量大 ， 承内圈的散热条件 比外 圈恶劣 的缘 轴 故 。主要假定在最恶劣的车削加工状态下 ， 此时车削力大 ， 转速
向 俊 韩秋 实 彭 宝营 （ 北京信 息科技 大学 机 电工程学 院 ， 北京 １０ ９ ） ０ １ ２ Ｔｈ ｍａ ｉｌ ｄ ｌ ｇ ａ ｄ ｓｍｕ ａ ｉ ｎ ｏ ｐ ｎ ｌ ｙ ｔ ｍ ｎ ｔ ｒ ｉｇ ｇ ｉｄ ｎ ｃ ｉｅ ｔ ｏ ｅｒ ｌ ｅ ｄ ｍｏ ｅ ｉ ｎ ｉ ｌｔ ｆ ｉ ｄｅ ｓ ｓ ｅ ｏ ｕ ｎ ｎ — ｒ ｉ ｇ ｍａ ｈｎ ｏ ｌ ｆ ｎ ｏ ｓ ｎ
复杂工况下磨齿机主轴运行模态分析方法
复杂工况下磨齿机主轴运行模态分析方法目录一、内容概要 (2)1. 研究背景和意义 (3)2. 国内外研究现状 (4)3. 论文研究目的与内容 (5)二、磨齿机主轴系统概述 (6)1. 磨齿机主轴结构 (7)2. 磨齿机主轴功能 (7)3. 复杂工况下主轴面临的挑战 (8)三、模态分析理论基础 (9)1. 模态分析概述 (10)2. 模态分析的基本原理 (11)3. 模态参数识别方法 (12)四、复杂工况下磨齿机主轴模态分析 (13)1.1 建立磨齿机主轴有限元模型 (15)1.2 仿真分析与验证 (16)2. 实验分析 (18)2.1 实验准备与测试方案 (19)2.2 实验数据获取与处理 (20)3. 结果对比与分析 (21)3.1 仿真结果与实验结果对比 (22)3.2 主轴模态参数分析 (23)五、磨齿机主轴运行性能优化研究 (24)1. 基于模态分析的主轴结构优化 (25)2. 运行参数优化 (27)3. 复杂工况下的动态性能优化策略 (28)六、结论与展望 (29)1. 研究结论 (30)3. 展望与建议 (32)一、内容概要本文深入探讨了在复杂工况下，对磨齿机主轴进行运行模态分析的方法。
文章首先概述了模态分析技术的重要性，接着详细介绍了磨齿机主轴的工作原理及其在复杂工况下所面临的挑战。
在此基础上，文章重点阐述了模态分析的基本理论及分析方法，并结合具体实例，展示了如何应用这些方法对磨齿机主轴进行实际模态分析。
文章首先指出了模态分析技术在机械工程领域中的核心地位，它能够为机械系统的振动特性提供全面的信息，从而帮助工程师更好地理解设备的运行状态并预测潜在的故障。
文章详细分析了磨齿机主轴的工作原理，以及其在加工过程中所承受的复杂载荷，包括旋转力、切削力等。
这些载荷会导致主轴产生复杂的振动，影响其工作精度和寿命。
在模态分析的基本理论部分，文章介绍了模态分析的定义、目的和基本步骤，包括数据采集、特征提取、模态参数识别等。
基于ANSYS的磨床主轴模态分析
基于ANSYS的磨床主轴模态分析何朝聪;刘培培;严春飞;王慕欢;林军【摘要】以某型号磨床砂轮架主轴为研究对象,利用Solidworks对其进行三维建模,导入ANSYS软件进行模态分析,得到其固有频率、振型和临界转速,并对所得的数据进行了科学分析.分析结果表明:主轴结构合理,可以保证加工精度;同时得到主轴变形最剧烈以及可能出现主轴疲劳断裂的位置,为下一步的优化设计和精度控制提供了理论依据.【期刊名称】《上海师范大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(044)005【总页数】5页(P461-465)【关键词】主轴;有限元分析;模态分析;固有频率【作者】何朝聪;刘培培;严春飞;王慕欢;林军【作者单位】上海师范大学信息与机电工程学院,上海200234;上海师范大学信息与机电工程学院,上海200234;上海师范大学信息与机电工程学院,上海200234;上海师范大学信息与机电工程学院,上海200234;上海师范大学信息与机电工程学院,上海200234【正文语种】中文【中图分类】TH133随着科技的进步，现代机床向着高速度、高精度、高刚度和高稳定性方向发展.主轴作为机床的主要执行部件，直接影响工件的加工精度.磨床在运行时，主轴部件在自身旋转的同时还受到外界激振力的作用，产生复杂振动.当外界激振力的频率与主轴的某一固有频率比较接近时，主轴将会发生弯曲、扭转共振，引起主轴和砂轮架等结构产生变形，最终导致局部结构疲劳破坏，影响被磨削加工工件质量.因此，为了使主轴系统获得较高的强度、刚度和稳定性，有必要对主轴的动态特性进行分析.模态是指机械系统在各频率下工作时的动态响应，是机械系统固有的振动特性.一般来讲，某一机械系统的动态响应是该系统的若干阶模态振型的综合.通过模态分析可以确定机械机构的振动特性，即结构的固有频率和振型，即可准确地预测该机构受到其他激振力作用时的实际振动响应，进行机构的动态设计和机床的故障诊断等，同时可估计出主轴变形最剧烈以及可能出现主轴疲劳断裂的位置，为机床主轴结构的动态特性研究和进一步优化设计提供依据.也可以作为其他动力学分析问题的起点，如瞬态动力学分析、谐响应分析和谱分析等.模态分析根据研究的方法和手段的异同一般可分为试验模态分析和理论模态分析.试验模态分析综合运用信号技术处理、动态测试技术、线性振动理论等，通过测试输入输出的信息对机械系统的模态参数进行识别.理论模态分析以有限元思想和线性振动理论为基础，通过计算机和专业的工程分析软件建立研究系统振动特性、响应和激振力三者关系的模型，进而求解其动态特性.主轴上各点受到外力时的响应可由固有频率、阻尼和振型等模态参数组成的各阶振型模态的叠加来表示，其运动微分方程为：式（1）中［M］、［C］、［K］分别为系统的质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵；｛｝、｛｝、｛x｝和｛F（t）｝分别为系统的加速度向量、速度向量、位移向量和激振力向量.因为系统的固有频率由系统的自身结构所决定，与受到外界的载荷无关；系统阻尼对结构的振型及固有频率影响微小，因此系统可以简化为无阻尼无外载荷的自由振动系统.则式（1）可简化为：根据线性振动理论，系统的自由振动可分解为多个简谐振动的叠加.则考虑如下简谐振动方程的解：式（3）中｛λ｝为位移幅值向量，ω为频率，φ为初始相位角.联立式（2）和式（3），可得：｛λ｝是位移｛x｝的振幅列向量，与时间t无关，故式（4）可简化为：这便是求广义特征值问题.1.1 建立主轴模型ANSYS软件提供了多类型的数据接口，使得在其他CAD/CAE软件中建立的模型能很方便地导入ANSYS进行有限元分析.首先采用三维软件SolidWorks建立主轴模型，保存为Para格式，然后将模型导入有限元分析软件ANSYS中.为简化计算，在不对分析结果产生太大的影响下，忽略了部分细节结构，如倒角、凹槽、圆角、退刀槽等.导入到ANSYS软件的主轴的三维模型及有限元模型如图1所示.1.2 简化轴承支承在对机床主轴结构进行模态分析时，进行如下简化：（1）认为轴承只具有径向刚度，忽略交叉刚度的影响.（2）将轴承简化为弹性支承，支点位置在接触线与主轴轴线交点处.（3）进一步将支承简化为径向的压缩弹簧单元，每个轴承周向等效分布4个弹簧.其模型如图2所示.1.3 设置单元参数和约束条件采用Solid45单元模拟主轴，采用Combin14弹簧阻尼单元对主轴轴承进行模拟分析.主轴的材料为40Cr，其弹性模量E=2.06e11 Pa，泊松比NUXY= 0.3，密度DENS=7800 kg/m3.合理地确定有限元约束条件是成功地进行模态分析的基本条件，约束应尽可能地符合原结构的实际情况.采取前轴承为固定端，约束其全部自由度（Ux，Uy，Uz）；后轴承为游动端，轴向不加约束，即Ux不约束.1.4 模态分析结果主轴的自由振动可通过其各阶振型的线性叠加来表示.相对于高阶振型，低阶振型对主轴的振动影响较大.取其前10阶模态振型.ANSYS软件提供了7种模态提取方法，其中分块法（Block Lanczos）求解器采用兰索斯算法，用一组向量来实现兰索斯递归运算，具有求解精度高，运算速度快的优点.作者采用BlockLanczos法对所建立的主轴系统有限元模型进行模态分析，提取主轴的前10阶振型如图3～12所示，各阶振型幅值变化如图13所示.由以上分析结果可知，第3阶与第4阶频率值很接近，并且振型表现为正交，因此可将其视为重根.同理，第6阶与第7阶，第9阶与第10阶视为重根.主轴前10阶模态临界转速如表2所示.由计算结果可知，该主轴的模态临界转速均高于该主轴的最高工作转速7500r/min，能有效地避开共振区，说明该主轴设计是合理的，可保证主轴的加工精度. 通过对某磨床主轴前10阶固有频率和相应振型的分析，得出如下结论：（1）为保证加工精度，主轴工作时最高转速不得超过其一阶临界转速的75%.主轴工作时最高转速n=7500 r/min，远小于表2中各阶临界转速.因此主轴能够有效避开共振区，保证主轴的加工精度.（2）由于采用弹簧阻尼单元来模拟轴承的支承，且忽略了交叉刚度的影响，模态分析所得的固有频率和临界转速要小于实际值.（3）通过对主轴进行有限元建模及模态分析，获得了主轴的固有频率和振型，得到主轴的变形最剧烈以及可能出现主轴疲劳断裂的位置，为机床主轴结构的动态特性研究和进一步优化设计提供了一定的依据和分析基础.【相关文献】［1］ YU T B，WANG X Z，GUAN P，et al.Modal Analysis of Spindle System on Ultra-high Speed Grinder［J］.Journal of Mechanical Engineering，2012，48（17）：183-188. ［2］ CAILG，MA SM，ZHAO Y S，et al.Finite ElementModeling and Modal Analysis of Heavy-duty Mechanical Spindle under Multiple Constraints［J］.Journal of Mechanical Engineering，2012，48（3）：165-173.［3］ WU H Y.FEM and Optimization-design of Spindle Parts in Machine Tools［J］.Machine Tool&Hydraulics，2008，36（11）：157-159.［4］ WU TQ，LIU H，JING M Q，et al.Support Stiffness Calculation and Modal Analysis of High Speed Motorized Spindle［J］. Machinery Design&Manufacture，2013，8：5-7. ［5］ CHEN G P，WEN G L，CUIZ，et al.Modal Testing and Analysis of the Main Shaft for High-speed Grinder［J］.Journal of Hunan University（Natural Sciences），2010，37（4）：22-26.［6］ LIX J，YAN R Z.Research on Dynamic Characteristics of High-speed Cylindrical Grinding Spindle based on ANSYS［J］. Manufacturing Automation，2012，34（1）：150-153.［7］ LIANG SY，CHEN C，YIN JH.The Analysis for the Modals of Metedzed Spindle based on Finite Element［J］.Manufacturing Automation，2012，34（1）：57-60.［8］ ZHANG Y M，LIU C S，XIE Z K，et al.Study on the Finite Element Modeling Method of Spindle Assemble of High Speed NCMachine Tool［J］.ManufacturingTechnology&Machine Tool，2008，9：76-79.。
机床实验模态分析综述
机床实验模态分析综述机床实验模态分析是对机床结构进行振动模态测试和分析的方法。
通过分析机床的振动模态，可以获得机床结构的固有频率、振型以及振动响应等重要信息，为机床结构的设计与优化提供依据。
本文将从机床实验模态分析的意义、方法、应用以及存在的问题等方面进行综述。
首先，机床实验模态分析对于机床结构的设计与优化具有重要的意义。
机床是制造业中的核心装备之一，其结构的刚度和动态特性直接影响到加工精度和稳定性。
通过模态分析，可以了解机床的固有频率和振型分布，帮助设计人员在机床结构设计阶段合理选择材料、布置各组件以及优化结构，从而提高机床的刚度和稳定性。
机床实验模态分析的方法主要包括自由悬臂法、强迫振动法和频率响应法等。
自由悬臂法是通过将传感器固定在机床的一个自由端，通过激励机床另一自由端产生振动，再通过传感器采集振动信号。
强迫振动法是在机床上施加周期性的激励力，通过传感器采集振动响应信号。
频率响应法则是通过在机床上施加白噪声信号激励，然后通过传感器采集机床的振动响应信号，利用频谱分析和相关函数分析方法来得出机床的振动模态。
机床实验模态分析在制造业中有着广泛的应用。
首先，在机床结构加工和装配阶段，可以通过模态分析检测机床的动态特性是否满足设计要求，避免在后续的生产中因机床结构的固有频率与激励频率相接近而引起的异常振动和共振问题。
其次，机床实验模态分析对于故障诊断和状态监测也具有重要意义。
通过分析机床振动信号的频谱特性，可以检测到机床的故障频率和故障模式，提前预警机床故障并采取相应的维修措施。
此外，机床实验模态分析还可以为机床结构的修复和改进提供指导意见。
然而，机床实验模态分析也存在一些问题。
首先，由于机床结构复杂、刚度大，分析过程中存在传感器布置不合理、测量结果的噪声和干扰等问题，可能会影响模态分析的准确性。
其次，机床结构的非线性特性对模态分析结果的影响较大，因此，在实际应用中需要采取合适的非线性建模方法进行分析。
微小型车铣复合机床模态分析
随着微小型零件需求的增长 ，对微小 型零件 制造 精度 的要求也越来越高 ，因此微小 型设备 的研 发及其 性 能的提高也成为各 国学者和研究机构 的重点研究对 象。作者 以某 大 学 微 小 型 制 造 实 验 室 自主研 发 的 Ｋ Ｃ５ Ｆ Ｎ －０ Ｓ为研究对象 ，对 机床 的动态 特性进 行 了测 试 ，得到 了机床 的前 １ ２阶模 态 ，为进 一步 的颤振研 究 、机床加工参数 的选择提供 了基础 。 １ 实验模 态分 析 研究一个 系统 的振动特性 ，基本上有两种途径 ： 第一种途径是解析式 的，即先要知道结构的几何 形状 、边界条件和材料特性 ，把结构的质量分布 、刚 度分布和阻尼分布分别用质量矩阵 、刚度矩阵和阻尼 矩 阵表示 出来 ，这样便有 了足够多 的信息来确定系统 的模 态参数 。 第二种途径是从测量结构上某些点 的动态输入力 和输出响应开始 ，并且一般还要将测量得 到的数据转 换成频 响函数 ，即作 为频率 函数 的输 出输入之 比。理 论证 明 ，这些频 响函数可 以用模态参数表示 。 由于机床 的结构极其复杂 ，部件数 目较多 ，因此 般选 用实验模态方 法获得机床 的各 阶模态参数 ，即 通过试验将采集 的系统输入 与输 出信号经过参数识别 获得模 态参数 。
ｉｔ ｒ ａ ｃ ｉｉ ｇ ｆ ｃｌ ｉ ｓ Ｂ ｄ ｌ ｔｓ ｔ ｃｏ ｍｉｉ ｔｒ ｕ ｎ ｍｉ ｉｇ ｃ ｍｐ ｅ ｃ ｉｅ ｔｏ ａ ｕ ｅ ｐ ｎｓｍａ ｈ ｎ ｎ ａ ｉ ｔ ． ｙ ｍｏ ａ ｅ ｔ ｏ ｍｉｒ － ｎ ａｕ ｅ ｔｒ — ｌ ｎ ｏ ｌ ｘ ｍａ ｈ ｎ ｏ ｌＫＮＣ ５ Ｆ ｉｅ ｌ － ０ Ｓ，ｔ ｅ ｌｗｅ ｄ ｅ ｆ ｈ ｏ ｒｍｏ ｓ ｏ
关键词 ：车铣 复合 机床 ； 态分 析 模
机床实验模态分析综述
机床的模态分析方法综述甄真(北京信息科技大学机电工程学院，北京 100192)摘要：模态分析是研究机械结构动力特性的一种近代方法，是结构动态设计及设备的故障诊断的重要方法。
机床在工作时,由于要承受各种变载荷而产生振动,其精度和寿命会受到影响。
因此有必要对机床进行模态分析,了解其动态特性,以便进一步分析和改进。
本文概述了模态分析的概念、研究意义及发展历史，介绍了机床模态分析的研究现状, 从理论方法与试验方法两方面指出了其关键技术以及研究发展方向。
关键词：模态分析；动态特性；机床；理论方法；实验方法Summary of the model analysis method of machine toolZHEN Zhen(Beijing Information Science & Technology University, Mechanical and Electrical Engineering College, Beijing, 100192) Abstract：Modal analysis is a modern method to study the dynamic characteristics of mechanical structure. It’s an important method in structure dynamic design and fault diagnosis of equipment.Its accuracy and lifetime will be affected due to withstand all kinds of variable load and vibration when the machine tool works.So it is necessary to make modal analysis and to understand the dynamic characteristics for machine tool in order to further analyze and improve. This paper summarizes the concept, significance and history of modal analysis and introduces the research status of model analysis of machine tool. It also points out the key technology and research direction in this field from two aspects of theoretical method and experimental method.Key words:model analysis; dynamic characteristics; machine tool; theoretical method; experimental method0 引言模态是指机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。
基于ANSYS的机床主轴的模态分析
基于ANSYS的机床主轴的模态分析作者：李杰来源：《速读·中旬》2018年第04期摘要：本文以机床主轴为研究对象，利用ANSYS有限元软件对主轴进行静、动态特性分析，确定合理的边界条件，改善主轴部件的静动态特性，并采用合理的数学建模方法进行对比分析，得出主轴的各阶固有频率及其对应的模态振型，为实现产品的动态设计打下基础。
关键词：机床主轴；有限元；动态分析；动态设计随着机器制造业的发展，先期对产品的物理样机设计进行性能评价，了解和掌握产品的静动态性能，并作进一步的修改和结构优化，以保证产品设计的成功率和质量，是当前机床制造业控制成本、追求效益的重要方法。
在当前被广泛认可和推广的动态设计就是机械结构和机器系统的动态性通过动态分析技术在图纸设计阶段就得到预测和优化。
在保证机械满足其功能前提要求下，动态设计具有较高的动刚度，使机械更加运转平稳，经济实用。
从总体上把握机械结构的固有频率、振型和阻尼比。
要求降低机器运行过程中的振动幅度，避开率保持在15%～20%；结构各阶模态刚度最大且尽量相等；结构的各阶模态阻尼比要尽量高；避免结构疲劳破坏；提高振动稳定性。
其设计步骤通常为：①建立机械结构或机械系统的动力学模型；②利用数学模型求解自由振动方程得到结构振动的固有特性；③动态性能评定；④结构修改和优化设计。
本课题采用ANSYS有限元软件来分析主轴的动静态特性，采用Lanczos法对其进行自由模态分析，得到主轴的固有频率和振型，找出工作时容易发生共振的频率域，可以为进一步提高精度和转速提供理论依据。
1有限元简介及ANSYS软件应用有限元法是根据变分原理求解问题的数值方法，是数学和工程结合的产物，在工程领域应用广泛。
当前有限元法已由弹性力学的平面问题扩展到了空间问题，板壳问题；由线性到非线性问题；由静力分析到动力分析；而且扩展到多个领域。
有限元方法的基础是结构离散和插值。
以结点参数作为基本未知量，根据所取结点的基本未知量的不同，可将其分为：位移法、力法、混合法。
车铣复合加工中心的铣削动力轴模态分析
Ｋ ｙ ｏｄ：ｕｎ ｇｍｌ ｇ ；ｏｅ－ｘ ｉｎ ； ｄｌｎｌ ｉＣｉｃｌｐｅ ｅ ｗ ｒｓ ｒｉ － ｉｎ Ｐｗｒａｉｍｌ ｇＭｏａａａ ｓ；ｒｉ ｅｄ Ｔ ｎ ｌ ＭＣ ｉ ｓ ｌ ｉ ｙ ｓ ｔａｓ
中图分 类号 ：Ｈ１３ 文献 标识 码 ： Ｔ ３． ２ Ａ
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１ 引言
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【 要】 摘 利用Ａ ＳＳ ＮＹ 软件对车铣复合加工中 心的铣削动力轴进行有限元分析。 得出 前４ 有 １ 阶固
１频率和振型， 通过对固有频率、 振型及临界转速的分析， 结果表明， 铣削动力轴设计合理， 其前端的变形 ？
ｊ 是影响 加工精度的主要来源， 两轴承间的弯曲 是影响铣削 动力轴刚度和 使用寿命的影响因素 之一。 研究 ：
第 ３期 ２ １ 年 ３月 ０１
文 章 编 号 ：０ １３ ９ （０ １０ — １ ９ ０ １０ — ９ ７ ２ １ ）３ ０６ — ２
机 械 设 计 与 制 造
Ｍａ ｈ ｎｅｙ Ｄｅ ｉ ｎ ｃ ｉ ｒ ｓｇ ＆ Ｍａ ｕ ａ ｔ ｅ ｎ ｆ ｃｕｒ １９ ６
车铣 复合；ｔ＿ Ｏ＿ 中心的铣 削动 力轴模 态分析 ｆ Ｙ
ｉ ｃｒｙａｄｈ ｂ ｄ ｇ ｅ ｅｎｈ ｂａｎｓｓ ｎ ｏｔ ｔｓ ｆｃｎ ｅｉｄｙ ｎ ｅ ｌ ０ ！ ｕ ， ｅ ｅ ｉ ｔ ｅ ｅ ｅｒｇ ｉｏｅ ｈｆ ｏ ｅｉ ｔ ｇ ｉ ｄ ｓｕ ｃ ｃ ａ ａ ｎ ｔ ｎ ｎ ｂ ｗ ｔ ｉ ｅａ ｒａ ｔｇｈ ｒｉｔａ ｕｆ 厂 ｆ ｃ ｆ
量 Ｅ ２１ ｌＰ ， 度 Ｄ Ｎ ＝ ８０ ｇ 泊 松 比 Ｐ Ｘ ＝ ．， Ｘ＝ ． １ ａ密 Ｅ Ｅ Ｓ７２Ｋ ／ ， ｍ Ｒ Ｙ ０ 它 ３
是一个带有键槽 、 螺纹的阶梯轴 ， 为使铣削动力轴的动态设计 切 实可行 ， 在采用有限元分析软件 Ａ Ｓ Ｓ Ｎ Ｙ 之前 ， 需对铣削动力轴的 结构进行简化 ：１ 去除倒角 ， （） 忽略退刀槽 、 键槽和螺纹 ；２ 润滑 （） 油槽 、前端空心部分按 实体处理 ；３ 铣削动力轴按 弹性元件处 （） 理 ；４ 铣削动力轴上的齿轮、 （） 锁紧螺母等零件简化成集州 ５ ０４ ） １６０
高速磨床机械结构参数化建模与模态分析
高速磨床机械结构参数化建模与模态分析陈桂平 文桂林湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙,410082摘要:基于动态子结构法建立了高速磨床零部件和整机的实体参数化模型,利用M S C .P a t r a n/N a s t r a n 建立了高速磨床机械结构的有限元模型,并对主轴㊁床身和床身工作台组合结构进行了模态分析㊂应用L M S 振动及动态信号采集分析系统对主轴㊁床身和床身工作台组合结构进行了实验模态测试与分析㊂实验表明,采用基于假想材料的高速磨床结合部模拟技术可使磨床组合结构的动态实验结果与有限元模态分析结果相吻合,实验测试得到的高速磨床机械结构动态特性和利用有限元软件仿真分析得到的结果是一致的,说明利用子结构法建立高速磨床机械结构实体参数化模型是正确可行的㊂关键词:高速磨床;参数化建模;模态分析;模态实验中图分类号:T H 123 D O I :10.3969/j.i s s n .1004132X.2015.18.001P a r a m e t e r i z e dM o d e l i n g a n dM o d a l A n a l ys i s o f H i g hS p e e dG r i n d i n g Ma c h i n e S t r u c t u r e C h e nG u i p i n gW e nG u i l i n S t a t eK e y L a b o r a t o r y o fA d v a n c e dD e s i g na n d M a n u f a c t u r i n g fo r V e h i c l eB o d y ,H u n a nU n i v e r s i t y ,C h a n gs h a ,410082A b s t r a c t :T h e e n t i t yp a r a m e t e rm o d e l o f h i g h ‐s pe e d g r i n d e rm a c h i n e p a r t sw a sb u i l t b a s e do n t h e d y n a m i c s u b s t r u c t u r em e t h o d ,t h ef i n i t e e l e m e n tm o d e l o f t h eh igh ‐s p e e d g ri n d i n g m a c h i n em e c h a n i -c a l s t r u c t u r ew a s e s t a b l i s h e dw i t h M S C .P a t r a n /N a s t r a n s o f t w a r e ,a n dm od a l a n a l y s i s f o r t he s pi n d l e ,b e d a n dw o r k b e n c h ‐b e d c o m b i n a t i o n s t r u c t u r ew a s f i n i s h e d .U s i n g t h eL M S v i b r a t i o n a n d d y n a m i c s i g -n a l a c q u i s i t i o na n da n a l y s i ss y s t e m ,t h e m o d a l e x p e r i m e n t sw e r ec o m p l e t e d .E x p e r i m e n t ss h o wt h a t t h e c o m b i n i n gp a r t s i m u l a t i o nt e c h n o l o g y b a s e do nt h ea s s u m e d m a t e r i a l c a n m a k e t h ed yn a m i c t e s t r e s u l t o f g r i n d e r s t r u c t u r e a n d f i n i t e e l e m e n tm o d a l a n a l y s i s r e s u l t b e c o n s i s t e n t ,t h e e x p e r i m e n t a l d y -n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fh i g hs p e e d g r i n d i n g m a c h i n ea r ec o n s i s t e n tw i t ht h e f i n i t ee l e m e n ta n a l ys i s o n e s ,a n d t h e p a r a m e t r i c s o l i dm o d e l b a s e d o n s u b s t r u c t u r em e t h o d i s c o r r e c t a n d f e a s i b l e f o r t h e h i g h s p e e d g r i n d i n g ma c h i n e .K e y w o r d s :h i g hs p e e d g r i n d i n g m a c h i n e ;p a r a m e t e r i z e d m o d e l i n g ;m o d a l a n a l y s i s ;m o d a l e x p e r i -m e n t收稿日期:20141127基金项目:国家杰出青年科学基金资助项目(11225212);国家自然科学基金资助项目(11002052;11072074)0 引言高速磨削是现代机械切削加工领域应用较多的精密加工方法,要实现高质量和高效率的磨削,高速磨床是非常重要的机械装备[1‐2]㊂相比其他类型的机床设备,高速磨床是一个比较复杂的动态系统,为了使高速磨床具有较好的磨削效率㊁磨削精度与质量及较理想的磨削表面完整性,高速磨床应该具有良好的刚度㊁足够的可靠性及精度稳定性㊁精确的可控性和友好的可操控性,高速磨床整机及关键功能部件的设计㊁制造等环节对磨床的性能极为重要㊂高速磨床结构复杂,其机械结构组成包括床身㊁工作台㊁主轴㊁主轴箱㊁拖板㊁头架和尾架等部分,设计过程涉及的结构参数众多,而且当今激烈的市场竞争要求机床制造企业能高速高质量推出新产品,这些因素要求我们在高速磨床设计过程中能建立起贯穿磨床整个生命周期的可随时方便而快捷修改的产品信息模型,而机械结构实体参数化建模可以满足这种需求㊂参数化建模的本质是建立图形约束与结构尺寸参数及几何关系的对应关系,由几何尺寸参数值的改变控制机械结构实体模型的变化,适用于机械整体外形结构没有太大变化但局部参数需要调整的场合,用一组尺寸参数建立图形约束,通过参数驱动快捷地实现改变机械结构形状的目的[3],目前国内外参数化建模研究已经取得了很多成果[4‐6]㊂计算机技术及计算机辅助产品信息建模技术的发展使对高速磨床的机械结构实体进行变量化/参数化建模成为可能㊂本文利用特征建模和参数化建模技术建立高速磨床三维实体模型,磨床各部件间的结合部采㊃5142㊃Copyright ©博看网. All Rights Reserved.用假想材料法,通过不断修改假想材料的特性参数(刚度和阻尼系数等)使得模态实验结果和有限元分析结果相符合㊂最后利用M S C .P a t r a n/N a s t r a n 软件对参数化机械结构实体模型进行有限元模态分析㊂1 机械结构建模与分析的子结构法对高速磨床的复杂组合机械结构进行动态建模㊁动力学分析和动态设计时,自由度通常高达上万至数十万,计算量极大,无论是实验还是计算分析都是一项十分艰巨的任务,一般需要对自由度进行缩减,动态子结构法是目前应用较多的缩减自由度的方法㊂该方法的特点是人为地将一复杂的整体机械结构拆分为若干个子结构,随后对这些子结构分别进行动力学分析计算与实验,得到子结构的模态特性,最后利用各子结构间的位移协调条件将子结构特性进行连接综合而得到整体结构的模态特性㊂动态子结构法具体步骤与方法叙述如下㊂(1)分割㊂将整体结构人为地分割为多个子结构,不失一般性,这里考虑将整体分割为两个子结构㊂(2)子结构模态分析及第一次坐标变换㊂设子结构的运动方程为m x ¨+k x =f(1)该方程可写为m i i m i j m j im éëêêùûúúj j x ¨i x ¨éëêêêùûúúúj +ki i k i j k j i k éëêêùûúúj j x i x éëêêùûúúj =0f éëêêùûúúj (2)式中,x i 为非界面物理坐标;x j 为界面物理坐标;f j 为激振力;m ㊁k ㊁f 分别为子结构的质量矩阵㊁刚度矩阵和激振力矩阵㊂系统作自由振动时激振力为0,由式(2)可得到子结构自由振动方程:m i i x ¨i +k i ix i =0(3)解其特征值问题可得到子结构系统的主模态集ϕN ,主模态集通常是将高阶模态截断后的低阶模态集㊂求出子结构的约束模态集ϕC ,令模态矩阵ϕ=[ϕN ϕC ](4)将ϕ作为变换矩阵进行子结构坐标变换:x =ϕP(5)式中,P 为子结构模态坐标㊂将子结构运动方程变换到模态坐标P 上,有m P ¨+k P =f(6)m =ϕT m ϕk =ϕTk ϕf =ϕTüþýïïïïf (7)式中,m ㊁k ㊁f 分别为子结构在模态坐标下的质量矩阵㊁刚度矩阵和激振力矩阵㊂(3)建立系统方程及第二次坐标变换㊂不失一般性,这里考虑A 和B 两个子结构的连接㊂先建立尚未连接的整个结构在模态坐标下的运动方程:m A 00m éëêêùûúúB P ¨A P ¨éëêêêùûúúúB +k A 00k éëêêùûúúB P A P éëêêùûúúB =f A f éëêêùûúúB (8)即M p ¨+K p =F因为连接界面上已经满足力平衡条件,故只需要考虑位移协调条件㊂子结构刚性连接,位移协调方程为x j A =x j B ,即P j A =P j B ,取系统广义坐标为q =q T i A q T i B q T()j T(9)没有连接的非独立坐标P 和广义坐标q 之间的关系可写为P i A P j A P i BP jéëêêêêêùûúúúúúB =100001010éëêêêêêùûúúúúú001qi A qi B q éëêêêùûúúúj (10)即P =βq(11)联立式(8)和式(10),把式(8)变换到广义坐标上,即得到已连接系统的振动方程:M q ¨+K q =F(12)M =βT M β,K =βT K β,F =βT F 解式(12)即可求得整体结构系统的固有频率和振型㊂再通过式(5)和式(11)经两次坐标变换,即可得到以物理坐标表达的振型参数㊂2 高速磨床机械结构实体参数化建模作为精加工用的高速磨床,其整体性能受到组合机械结构的影响,特别是起支撑作用的床身和工作台部分及回转主轴的动态性能尤为重要,因此研究高速磨床组合机械结构的参数化建模对于提高磨床性能和缩短磨床研发周期具有很重要的意义㊂组合结构的参数化建模一般比较困难,本文采用动态子结构法先建立各构件的众多子结构,分别对各子结构进行参数化建模,并通过实验模态分析修正子结构有限元模型,然后在已建立的正确的子结构有限元模型的基础上把众多子结㊃6142㊃Copyright ©博看网. All Rights Reserved.构有限元模型连接起来组成高速磨床整体有限元模型,各结合部特性参数用模态实验分析数据进行修正㊂我们将高速磨床的床身㊁工作台㊁主轴等七大主要结构件各作一个子结构,对各个子结构建模时又将其拆分为若干个子结构,经过层层分解的高速磨床机械系统结构层次如图1所示㊂图1 高速磨床机械系统结构层次图高速磨床的床身是磨床最笨重的机械结构,通常设计目标是保证其具有良好的振动特性及支撑稳定性,床身一般是铸造箱体结构,其形状结构较复杂,在对其进行参数化建模时,通常忽略掉对整体模态影响不大的细小结构(如孔㊁突起等),按其功能和结构尺寸将床身拆分为导轨㊁加强隔板和床身本体等部分,每部分还可分拆为多个独立的小结构,对每个独立结构以其结构尺寸为驱动参数利用P r o /E 软件进行参数化实体建模,组合起来即是床身的参数化实体模型,如图2所示㊂图2 高速磨床床身的参数化实体模型主轴是磨床的另一重要零件,装有磨削砂轮,其转速高达每分钟上万转㊂在对主轴进行实体参数化建模时,考虑到主轴为一阶梯状长杆件,影响其动态特性的几何参数主要是主轴各段的长度和直径,在建模时按各段功能的不同分为五部分,其中与砂轮连接部分的尺寸不可改变㊂忽略轴上的螺纹和退刀槽,以各段的长度和直径为驱动参数快速建立起主轴的简化参数化实体模型,如图3所示㊂图3 主轴的参数化实体模型用同样的方法可建立工作台㊁主轴箱㊁拖板㊁头架和尾架等其他主要零部件的参数化实体模型㊂最后把各零部件装配起来即得到整机参数化实体模型,如图4所示㊂图4 整机参数化实体模型3 基于假想材料的高速磨床结合部模拟技术对高速磨床进行有限元模态分析时,磨床各构件的结合部动力学参数(结合刚度和阻尼等)的识别比较困难,而且这些参数对磨床动力学建模的准确性影响很大㊂磨床构件结合部(主要是导轨部分)的作用机理一般比较复杂,影响因素也很多,如材料㊁表面粗糙度㊁润滑条件㊁结合部平面度等,到目前为止暂无精确的理论计算方法,采用实验方法对其直接测量亦很困难㊂本文采用了基于假想材料的结合部模拟技术,在对磨床导轨结合面建立有限元模型时,先假想一材料模拟结合部的接触状态,结合部参数根据文献[7]临时选定,完成模拟状态下的有限元模态分析㊂然后对实际结合状态下的磨床实物进行模态测试,根据测量结果和有限元分析结果的差异对结合部参数作适量微调,通过改变假想材料的物理特性来调整磨床导轨结合部的连接特性参数,直至测量结果和分析结果接近或相等,这时对应的结合部有限元模型即我们所需要的正确模型㊂实验表明用该方法可以建立正确㊁可信的高速磨床整机动力学模型㊂4 高速磨床有限元模态分析本文采用M S C .P a t r a n /N a s t r a n 软件对高速磨床机械结构进行有限元模态分析㊂首先基于动态子结构法利用三维软件P r o /E 建立起高速磨床零部件和整机的机械结构实体参数化模型并生成P a r r a s o l i d 通用模型格式文件,然后导入至M S C .P a t r a n 有限元软件完成模态分析前期处理工作,最后利用M S C .N a s t r a n 软件完成模态计算分析㊂高速磨床床身㊁主轴以及床身工作台组合结构的模态计算分析结果如表1所示㊂㊃7142㊃Copyright ©博看网. All Rights Reserved.表1 高速磨床零部件固有频率计算结果H z第1阶第2阶第3阶第4阶床身181.35200.41212.39236.79主轴479.21330.91666.21995.4床身工作台60.2296.94142.25182.37 5 模态实验测试实验采用L M S公司的T e s t.l a b数据采集系统和分析软件,利用一点激励㊁多点测量响应的方法(S I MO),由p o l y m a x模态参数识别方法进行实验数据分析㊂测试主轴时,对主轴轴颈部位的静压支承作了简化,认为此处为刚性支承,用固定在实验台上的比较厚重的支承座代替静压轴承支承主轴轴颈,主轴质量相对实验台很小,把实验台近似认为刚性㊂主轴测试实验采用锤击法激振,床身测试实验采用H E V‐500激振器激振,图5为布置好了测试传感器的磨床主轴,实验结果见表2㊂图5 测试中的磨床主轴表2 高速磨床零部件固有频率实验结果H z第1阶第2阶第3阶第4阶床身184.71209.36221.65243.72主轴473.371333.841727.611919.23床身工作台63.6101.5135.3173.4 模态分析结果和实验结果非常接近,分析误差如表3所示㊂表3 模态分析误差%结构件名称第1阶第2阶第3阶第4阶床身1.824.274.182.84主轴1.230.223.553.97床身工作台5.314.495.145.17 6 结论(1)基于动态子结构法建立起了高速磨床各零部件和整机的参数化实体模型,为复杂机械结构的快速建模提供了一种实用的方法㊂(2)高速磨床机械结构比较复杂,其结合部动力学参数(结合刚度和阻尼等)的识别比较困难,本文采用基于假想材料的结合部模拟技术,很好地解决了这一问题,可借鉴用于其他复杂机械设备动力学分析时的结合部动力学参数识别㊂(3)利用有限元软件M S C.P a t r a n/N a s t r a n 完成高速磨床零部件的模态分析,并进行了实验验证,表明高速磨床机械结构动态特性和利用有限元软件仿真分析得到的结果基本一致,利用子结构法快速建立高速磨床机械结构实体参数化模型是正确可行的㊂参考文献:[1] 崔中,文桂林,陈桂平,等.高速磨床整机动态特性研究[J].中国机械工程,2010,21(7):782‐787.C u i Z h o n g,W e n G u i l i n,C h e n G u i p i n g,e ta l.W h o l eM a c h i n eD y n a m i c C h a r a c t e r i s t i c A n a l y s i so f H i g hS p e e d G r i n d e r[J].C h i n a M e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g, 2010,21(7):782‐787.[2] 文桂林,崔中,彭克立.基于近似模型的高速磨床零部件结构优化设计研究[J].中国机械工程,2009,20(8):906‐910.W e nG u i l i n,C u iZ h o n g,P e n g K e l i.S t r u c t u r a lO p t i-m i z a t i o nf o r H i g h S p e e d G r i n d e r’s C o m p o n e n t sB a s e do nt h e A p p r o x i m a t e M o d e l[J].C h i n a M e-c h a n i c a l E n g i n e e r i n g,2009,20(8):906‐910.[3] 孙伟,马辉,李朝峰,等.面向机械产品可视优化设计的参数化建模[J].东北大学学报(自然科学版),2009,30(11):1632‐1635.S u n W e i,M aH u i,L i C h a o h u i,e t a l.P a r a m e t e r i z e dM o d e l i n g f o r V i s u a l O p t i m i z a t i o n D e s i g n o f M e-c h a n i c a l P r od u c t s[J].J o u r n a l o fN o r t he a s t e r nU n i-v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c e),2009,30(11):1632‐1635.[4] C h uC H,S o n g M C,L u oVCS.C o m p u t e rA i d e dP a r a m e t r i cD e s i g n f o r3DT i r eM o l dP r o d u c t i o n[J].C o m p u t e r s i n I n d u s t r y,2006,57(1):11‐25.[5] M y u n g S,H a nS H.K n o w l e d g e‐b a s e dP a r a m e t r i cD e s i g no fM e c h a n i c a l P r o d u c t sB a s e do nC o n f i g u r a-t i o nD e s i g n M e t h o d[J].E x p e r tS y s t e m w i t h A p p l i-c a t i o n,2001,21(2):99‐107.[6] L e d e r m a n nC,H a n s k eC,W e n z e l J,e t a l.A s s o c i a t i v eP a r a m e t r i cC A E M e t h o d s i n t h eA i r c r a f t P r e‐d e s i g n[J].A e r o s p a c eS c i e n c e a n dT e c h n o l o g y,2005,9(7): 641‐651.[7] 廖伯瑜,周新民,尹志宏.现代机械动力学及其工程应用[M].北京:机械工业出版社,2004.(编辑 袁兴玲)作者简介:陈桂平,男,1975年生㊂湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室博士研究生㊁副教授㊂主要研究方向为机床结构优化㊂文桂林,男,1970年生㊂湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室教授㊁博士研究生导师㊂㊃8142㊃Copyright©博看网. 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机床零件模态分析
机床零件模态分析一、引言机床零件模态分析是指通过分析机床工作时的振动模态，得出机床系统的固有频率及其振型，为机床的设计、优化和故障诊断等提供依据。
机床的振动模态与机床的刚度、质量分布及其固定方式等相关，因此，掌握机床零件的振动模态对于提高机床的工作精度、降低振动噪声和延长机床寿命等具有重要意义。
二、机床零件模态分析的方法1.理论模态分析方法理论模态分析方法主要用于分析机床的理论振动模态。
通过机床的几何构造及其刚度、质量分布等参数，应用振动理论和有限元法等进行模态分析。
该方法可用于初步估算机床的振动特性，并为机床的设计提供依据。
2.动态模态分析方法动态模态分析方法是通过实际测试机床零件的动力响应曲线，利用信号处理和模态分析技术，得到机床零件的振动模态。
常用的动态模态分析方法包括频域分析、时域分析和轨迹分析等。
动态模态分析方法能够更精确地分析机床零件的振动特性，并提供可靠的实验数据。
三、机床零件模态分析的意义1.优化机床结构通过分析机床零件的振动模态，可以了解机床结构的固有频率及其振型，明确结构中的薄弱环节。
通过优化机床结构，可以提高机床的刚度和阻尼，降低机床的振动响应，提高机床的工作精度和稳定性。
2.降低振动噪声机床的振动会产生振动噪声，影响工作环境和操作人员的健康。
通过分析机床零件的振动模态，可以了解机床的振动特性，找到振动源，并通过降低振动源的振动响应，达到降低振动噪声的效果。
3.提高机床的工作精度机床的振动会影响机床的工作精度。
通过分析机床零件的振动模态，可以找出机床结构中的薄弱环节，并通过优化机床结构，提高机床的刚度和阻尼，降低机床的振动响应，从而提高机床的工作精度。
4.延长机床寿命机床的振动会引起机床零件的疲劳破坏，降低机床的寿命。
通过分析机床零件的振动模态，可以了解机床的振动特性，找到振动源，并通过降低振动源的振动响应，延长机床的使用寿命。
四、机床零件模态分析的应用1.机床设计通过机床零件的模态分析，可以找出机床结构的固有频率及其振型，为机床的设计提供依据。
超高速磨削机床主轴系统模态分析
如果分析显示主轴的阻尼比过低，我们可以通过喷丸处理、增加阻尼材料或改 变轴承座的设计等方式，来增加阻尼比。
六、结论
高速机床主轴的动态特性是决定机床性能的关键因素。通过对其进行分析和优 化，可以提高机床的加工精度和效率，延长机床的使用寿命。也能够帮助机床 制造商更好地理解客户需求，提升产品质量和服务水平。因此，对高速机床主 轴的动态特性进行分析和研究，具有重要的理论意义和实践价值。
参考内容
一、引言
随着制造业的快速发展，高速机床已成为现代制造技术的重要支柱。主轴作为 高速机床的核心部件，其动态特性对于机床的加工精度和效率具有决定性的影 响。因此，对高速机床主轴的动态特性进行分析和研究，对于优化机床设计， 提高加工性能具有重要意义。
二、高速机床主轴动态特性概述
高速机床主轴的动态特性主要包括主轴的固有频率、阻尼比、动刚度等参数。 固有频率是指主轴在无外力作用下的振动频率，阻尼比表示主轴振动时能量耗 散的能力，动刚度则反映了主轴抵抗外力干扰的能力。这些参数都会受到主轴 设计、材料、制造工艺以及使用环境等多种因素的影响。
根据对高速机床主轴动态特性的分析，可以对其进行优化设计。主要优化方向 包括改变主轴的形状和结构、选择合适的材料和制造工艺、降低主轴的阻尼比 和提高其动刚度等。此外，也可以通过改变机床的整体布局或调整机床的运行 参数等方式，来改善主轴的动态特性。
五、案例研究
假设有一款新型高速机床的主轴，我们可以通过对其进行动态特性分析，找出 其薄弱环节，然后进行针对性优化设计。例如，如果分析发现主轴的动刚度不 足，我们可以通过增加支撑、改进轴承座设计或更换更硬的材料等方式，来提 高主轴的动刚度。
三、高速机床主轴动态特性分析 方法
对高速机床主轴动态特性的分析，一般采用有限元分析法（FEA）和实验模态 分析法（EMA）。有限元分析法可以通过计算机模型模拟主轴的动态特性，而 实验模态分析法则通过实验测试获取主轴的动态特性参数。这两种方法可以相 互补充，以实现对主轴动态特性的全面了解。
车铣复合加工中心主轴结构的有限元分析
车铣复合加工中心主轴结构的有限元分析摘要：车铣复合加工中心主轴是系统结构中的关键性零件，机床在运行过程中会受到不同程度的切削力，想要防止机床变形问题的发生率，需要通过科学的结构设置保证机床的刚度，当承受较大的切削力时，依然保有较高的加工精度，降低自激振动问题的发生。
采用有限元分析技术创建系统模型，通过车铣复合加工中心主轴结构的设计调整，对主轴刚度进行分析验算，车铣复合加工中心主要包括单元技术、机床整机技术，其中主轴单元属于单元技术的重要环节。
车铣复合加工中心主轴（电主轴）结构的有限元分析，主要研究目的是提高机床运行的稳定性，保证加工精度和主轴刚度。
关键词：车铣复合加工中心；主轴结构；有限元分析０引言车铣复合加工中心主轴结构包括：主轴电机、主轴和轴承等部分，主轴作为机床的核心部件，其结构性能对在整台机床的运行稳定性有着重要影响，想要全面提高切削速度、保证机械加工精度，就需要建立有限元分析模型，分析主轴结构性能。
主轴结构设计中的技术手段相互制约，解决速度与刚度之间的矛盾，借助有限元分析法的便利性和灵活性，对车铣复合加工主轴结构进行分析，通常情况下安装两个主轴，实现在不停车状态下的自动对接转移，自动化完成绝大部分的工件加工工作，提高加工效率。
１、车铣复合加工中心主轴结构１．１车铣复合加工中心主轴结构结合轴承结构的主要特点，车铣复合加工中心主轴通常只存在径向刚度，简化处理后发现径向压缩弹簧。
车铣复合加工中心主轴简化后的力学模型分析过程中，可以有选择的忽略轴承刚度与转速、负荷之间的关系，假设轴承的刚度为标准常数进行后续的有限元分析工作，这一过程中省略了工作人员的计算量，结合主轴结构类型，主要采用滚动轴承，省略阻力因素分析并不会对最终的分析结果产生影响。
如图1所示，简化主轴刚度细节部位进行整体显示。
１．１．１轴壳在进行主轴结构分析的过程中，轴壳作为主要部件之间，其尺寸与位置会对主轴设计精度产生影响，通过安装过程的查看，设计人员将轴承座孔安装到轴壳上，在进行电机定子安装的过程中，需要保持一端处于开放状态。
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由振 动 理论 可 知 ， 构 以某 一 频 率振 动 时所 表 机 现 出的 振 动 形 态 称 模 态 ， 表 现 出 的 形 状 称 为 振 所
型 ］ 。根 据 弹 性 力 学 有 限 元 法 ， 到 系 统 的 运 动 微 得主 轴 系统 介 绍
３ 国 家 知识 产 权 局 专利 审查 协作 中心 ， 京 １ ０ ８ ） ． 北 ０ ０ ３
摘 要 ： 用有 限元分 析软 件 ＡＮＳ 利 ＹＳ建 立车磨 复合 机床 主 轴 系统 的 三 维有 限元模 型并 进 行模 态分 析 ， 到 了前 ４阶 固有 频 率及 模 态振 型 ， 得 同时提 出改善 机床 动 态特 性 的方 法 类似 主轴 系统 的模 态分析 为
Ｐ ｏ ｅｔ ｆ ｅｏ ｔｎ ｘ ｍｉａｉｎ ｅｊ ｇ １ ０ ８ ，Ｃｈｎ ） ｒ ｐ ｒｙ Ｏｆｉ ｆ ｅ ｔＥ ａ ｎ ｔ ，Ｂ ｉｎ ０ ０ ３ ｃ Ｐａ ｏ ｉ ｉａ
Ａ ｂ ｔａｃ ： ｈｅ ３ ｆｎｔ ｌｍ ｅ ｏｄ ｌｏｆｔ ｓ ｎｄ ｅ ｙｓｅ ｎ ｕ ｎｉｇ ｇｒｎｄｉｇ ｍ ａ ｈｉ ａ ｓ ａ ｉｈｅ ｉｉｉ ｇ ｓｒ ｔ Ｔ Ｄ ｉ ｉｅ ｅｅ ｎｔｍ ｅ ｈｅ ｐｉ ｌ ｓ ｔｍ ｏ ｔ ｒ ｎ － ｉ ｎ ｃ ｎｅ ｗ ｓ ｅ ｔ ｂｌｓ ｄ ｂｙ ｕｔｌｚｎ
（ ． ｐ ｒｍ ｅ ｔｏ ｅｈ ｎｃ ｌ ｇｎ ｅ ｉｇ，Ｂｅ ｉｇ Ｕｎｖ ｒ ｉ ｆＩ ｆｒ ｔｏ ｃ ｎ ｌｇ ，Ｂ ｉｎ ０ １ ２，Ｃｈｎ ； １ Ｄｅ ａ ｔ ｎ ｆＭ ｃ ａ ｉａ Ｅｎ ｉｅ ｒｎ ｉｎ ｉｅｓｔ ｏ ｎ ｏｍａ ｉｎ Ｔｅ ｈ ｏｏ ｙ ｅｊ ｇ１ ０ ９ ｊ ｙ ｉ ｉａ
提 供 了参 考 。
关 键 词 ： 轴 系 统 ； 限 元 ； 态 分 析 主 有 模
中图分 类号 ： Ｐ２ ４ Ｔ ７
文献标 志码 ： Ａ
ＸＩ ＡＮＧ ｕ Ｊ ｎ ，Ｈ ＡＮ ｕ ｈ ， ＮＧ ｏ ｉ ｇ Ｑｉ ｓ ｉ ＰＥ Ｂａ ｙ ｎ ，ＬＩＤａ
Ｍ ｏ ｌＡｎａ ｙ ｉ ｆ Ｓ ｎ ｅ Ｓ ｓ ｅ ｎ Ｔｕ ｎｉ ｇ ｇ ｉ ｄｉ ｇ Ｍ ａ ｈ ｎ ｏ ｄａ ｌ ｓ ｓ ｏ ｐｉ ｄｌ ｙ ｔ ｍ ｏ ｒ ｎ － ｒ ｎ ｎ ｃ ｉ ｅ Ｔｏ ｌ
机 床 主轴 系 统 的 动 态 特 性 直 接 影 响 到 机 床 的 精 度 ， 进 而影 响零部 件 精 度 。因此 ， 必要 对 主 轴 系 统进 有
［ ｛ ） Ｋ］ Ｘ） Ｍ］ ＋［ ｛ 一Ｏ
其对 应 的特征值 方程 ：
（） ２ （） ３
（ Ｋ］ Ｅ ～ ［ ） ｘ 一０ Ｍ］ ｛ ｝
率 和 个主振 型 ， 每一 对 频 率 和振 型 代 表 着一 个 单
自由度 系统 的 自由振 动 ， 种 在 自由振 动 时结 构 所 这 具有 的基本 振动 特性 称为 结构 的模态 。多 自由度 系 统 的 自由振动则 是 个单 自由度振 动 的叠 加 。
１ 模 态 分 析 理 论
ＡＮＳ ＹＳ，ｔ ｅｆｒ ｔｆ ｕ ａ ｕ ａ ｆ ｅ ｕ ｎ ｉｓ ａ ｄ ｖ ｂ ａ ｉ ｎ ｍｏ ｅ ｓｗｅ ｅｏ ｔ ｉ ｅ ．Ｓ ｍｅ ｍｅ ｈ ｄ ｏ ｉ ｒ ｖ ｙ ａ ｃｃ ａ ａ ｔ ｒ ｈ ｉ ｏ ｒｎ ｔ ｒ ｌ ｒ ｑ ｅ ｃ ｅ ｎ ｉ ｒ ｔ ｄ ｌ ｓ ｏ ｒ ｂ ａｎ ｄ ｏ ｔ ｏ ｓ ｔ ｍｐ ｏ ｅｄ ｎ ｍｉ ｈ ｒ ｃ ｅ —
２ Ｃ ｉａＡ ａ ｅ ｆ ｃ ｉｅｙ Ｓ ｉ ｃ ， ｅ ｉｇ １ ０ ４ ， ｈｎ ； ．Ｎａｉ ａ Ｃ ｌ ｂ ｒｔ ｇＣ ｎ ｒ ｒ ｎ ｅ ｅ ｔａ ． ｈｎ ｃ ｄ ｍｙｏ ｈｎ ｒ ｃ ｎ ｅ Ｂ ｉｎ ０ ０ ４ Ｃ ｉ ３ Ｍａ ｅ ｊ ａ ｔ ｎ ｌ ｏｌ ｏ ａｉ ｅ ｔ ｆ ｔｌ ｃ ｌ ｏ ａ ｎ ｅｏ Ｉ ｌ ｕ
Ｋ ｅ ｒ ｓ： ｎｄ ｅｓ ｔ ｍ ， ＦＥＭ ， Ｍ ｏ ｌａ ｌ ｉ ｙ ｗｏ ｄ Ｓｐｉ ｌ ｙｓ ｅ ｄａ ｎａｙｓｓ
机 床部 件 的动态特 性 与机床 整体 性能有 着 密切
关 系 ， 高机 床部 件 的机 械 动 态 特性 对 于 提 高 机 床 提 的稳定性 、 工精 度 、 加 可靠 性 和 寿 命有 重 要 意 义 ＿ 。 １ ］
车磨 复合 机 床 主轴 系统模 态 分析 ＊
向 俊 ， 韩秋 实 。 彭 宝 营。 李 大。 ， ，
（ ． 京 信 息 科 技 大 学 机 电工 程 学 院 ， 京 １ ０ ９ ； ． １北 北 ０ １ ２ ２ 中国 机 械 科 学 研 究 院 ， 京 １ ０ ４ ； 北 ０ ０ ４
式 中 ， 甜 为第 ｉ阶模 态 的 固有 频率 ，一１ ２ ３ … ， ， ， ， 。 由式 ３可见 ， 动 系统 一 般 存 在着 阶 固有 频 振
行 模态分 析 ， 了解其 动态 特性 ， 以便 进一 步分 析和 改
进 。本文 利用 有 限元软件 对 车磨复 合机 床主 轴系统 进行 模态 分析并 提 出改 善机 床 动 态 特性 的方 法 ， 为 类 似主轴 系统 的模 态分析 提供 了参 考 。