机床动态特性测试与优化设计开题报告

研究生（选题）报告

立式铣车床性能测试与仿真优化

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院 (系、所):

华中科技大学研究生院

一课题的来源、目的、意义，国内外概况和预测 (3)

1.1课题来源 (3)

1.2课题研究背景，目的及意义 (3)

1.3国内外研究现状 (4)

二预计的研究内容和达到的要求、技术指标，预计的关键技术、技术方案 (5)

2.1预计的研究内容 (5)

2.2 拟达到的技术指标 (6)

2.3 预计关键技术 (6)

2.4 预计技术方案 (6)

三前期工作 (9)

四参考文献 (10)

五课题的研究进展计划 (12)

六现有的条件、人员（姓名、职称）及主要设备情况 (13)

6.1人员配置 (13)

6.2主要设备情况 (13)

七指导教师评语、教研室审查意见 (14)

一课题的来源、目的、意义，国内外概况和预测

1.1课题来源

与武汉重型机床集团有限公司合作的技术开发项目。

1.2课题研究背景、目的及意义

当今世界，工业发达国家对机床工业高度重视，竞相发展机电一体化、高精、高效、高自动化先进机床，以加速工业和国民经济的发展。长期以来，欧、美、亚在国际市场上相互展开激烈竞争，已形成一条无形战线，特别是随着微电子、计算机技术的进步，数控机床在20世纪80年代以后加速发展，各方用户提出更多需求，四大国际机床展早己成为各国机床制造商竞相展示先进技术、争夺用户、扩大市场的焦点。中国加入WTO后，正式参与世界市场激烈竞争，今后如何加强机床工业实力、加速数控机床产业发展，实是紧迫而又艰巨的任务。

随着世界科技进步和机床工业的发展，数控机床作为机床工业的主流产品，己成为实现装备制造业现代化的关键设备，是国防军工装备发展的战略物资。数控机床的拥有量及其性能水平的高低，是衡量一个国家综合实力的重要标志。加快发展数控机床产业也是我国装备制造业发展的现实要求。根据中国机床工具工业协会组织用户调查表明，航天航空、国防军工制造业需要大型、高速、精密、多轴、高效数控机床;汽车、摩托车、家电制造业需求高效、高可靠性、高自动化的数控机床和成套柔性生产线;电站设备、造船、冶金石化设备、轨道交通设备制造业需求高精度、重型为特征的数控机床;制造业、生物工程等高技术产业需求纳米级亚微米级超精密加工数控机床;工程机械、农业机械等传统制造行业的产业升级，特别是民营企业的蓬勃发展，需要大量数控机床进行装备。国民经济可以被看成是一部巨型的从资源到产品及服务的转化器，生产这个转化器的就是机械制造业，机械制造业为国家重点建设提供成套技术设备，是关系国计民生、涉及国家经济安全的产业。各个工业化国家经济发展的历史表明，没有强大的机械制造业，就不可能实现国民经济的工业化、现代化和信息化。

当今数控机床的发展，除了要求机床重量轻、成本低、使用方便和具有好工艺可能性外，还着重要求机床具有愈来愈高的加工性能。所谓机床的加工性能，主要是指机床的加工精度、加工质量和切削效率等方面的指标。为了提高机床的加工性能，在设计上除了合理配置机床部件和控制系统以外，还应尽可能提高机床的静刚度和动态性能。机床的动态性能包括机床在运转状态下的振动、噪声及热变形情况.对于普通数控机床而言，其切削过程中的抗振性和稳定性是最受用户关注的。

机床在加工过程中的振动, 无论是强迫振动还是自激振动过大, 都会降低机床加工的精度和表面质量, 影响机床加工效率的发挥。因此, 现代机床的发展, 越来越重视对机床结构动态特性的研究。

机床结构的动态特性主要包括振动固有频率、阻尼比和振型。由于机床结构是多自由度系统, 必然存在多个具有特定固有频率、阻尼比和振型的模态。试验模态分析是一种在频域内研究结构动态特性的方法, 其特点是理论分析与测试实验密切结合, 运用模态参数识别技术得到机床结构的模态频率、阻尼比和振型, 从而为机床动态特性的深入研究、分析机床动态薄弱环节及机床结构优化设计提供科学的依据。

1.3国内外研究现状

国内对机床整体动态特性的研究的现状：

1、对整机进行机床静刚度试验，机床抗振性即动刚度试验

（1）昆明理工大学杜弈试验方法对MSY7115平面磨床的动态性能研究，用相对激振法激振和稳态正弦共振激励法，分别得到砂轮与工件接触点处的幅频特性图和磨床的各阶模态振型。

（2）广西大学陈文锋，毛汉领对MXBS-1320型高速外圆磨床的动态性能使用脉冲激振法进行了试验研究，得到磨床前几阶模态的频率和振型图，寻找出机床振动的薄弱环节和主要振源，并提出一些机床改造的措施。

2、对主要零部件进行有限元分析，优化零部件结构的设计

（1）东南大学和无锡机床股份有限公司对内圆磨床M2120A床身结构进行有限元分析，得到床身前几阶的固有频率和振型，分析床身的内部筋板布置对结构动态特性的影响。

（2）上海理工大学李晓燕对MK7150平面磨床的床身用有限元法进行静刚度分析，找出影响机床加工精度的床身发生最大变形的部位。

国外，机床结构的动力学修改和动态优化设计等方面的研究发展很快，普

遍采用有限元法对机床部件及整机进行动态特性分析，并已用于高速机床的开发和研究中。

西班牙M.Zatarain用有限元对立柱移动式铣床进行模态分析。采用Nastrain 和T-deas两种商用软件，建立包括床身、立柱、头架及它们之间的滚动导轨结合部在内的整机模型，并进行了模态分析，可以通过几种方案的比较，选择其中较合理的结构。

韩国科学技术高级学院Jung Dong Suth和Dai Hill Lee用有限元法分析高速机床的主轴外壳的阻尼特性，并用有限元法对高速铣床的滑块结构进行分析，得到一种新型的夹层复合结构，不仅减轻质量，还提高了它的阻尼系数。

综上所述：

（1）要准确的预测机床的动态性能，就必须对机床部件进行动力学分析。（2）用有限元方法是研究机床动态性能的有效手段。因此用有限元法机床的动态性能是开发和设计机床的趋势。

目前，由于对机械系统动态性能研究的理论分析方法和试验方法均有一定的局限性，故可将两种方法结合起来，相互取长补短，形成理论和试验相结合的分析计算法，是当前机床动态性能分析与研究中较为经济有效的途径。利用试验模态分析结果校验，补充和修正原始有限元动力学模型。利用修正后的有限元模型计算结构的动力特性，再进行优化设计。用这种方法可以在机床及图样设计阶段通过建模，仿真，分析，修改，优化，就能准确预测其动态性能。

二预计的研究内容和达到的要求、技术指标，预计的关键技术、技术方案

2.1预计的研究内容

(1)采用有限元方法对主轴、主轴箱进行模态分析，得到主轴、主轴箱的模态频率和振型，为进一步理论分析得到有效数据；

(2)采用有限元法对主轴和立柱等主要部件进行静力分析，得到主轴和立柱静态特性；

(3)应用模态试验测试软件LMS b，对铣床关键部件如主轴、主轴箱等进行模态实验分析，得到其固有频率和阻尼比，并与计算结果进行对比分析，证明建立的有限元模型是合理的。并根据分析的结果，提出几种改进方案；