高速精密数控冲床的振动研究及仿真分析
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为了平衡高速冲曲柄连杆滑块机构产生的 惯性力，则必须对其进行正确的计算。要计算 惯性力，就必须对系统建模，简化系统。
解决问题的基本思路和技 术路线：
首先简化高速冲结构模型， 根据简化的结构模型，对连杆 平面运动产生的惯性力按静力 等效条件用两质量代换法把连 杆质量等效地转化。在进行质 量代换后，根据曲柄连杆机构 的运动分析和牛顿第二定律求 出惯性力的计算公式。
4、试验测试与对比分析：将仿真得到的分
析结果与试验测试结果进行对比分析，找出理论 和实际存在差值的原因，并提出改进方案。
5、减振系统的设计：高速冲基础的减振效
果主要取决于减振器的刚度和阻尼比，故减振器 刚度和阻尼比的选取成为关键问题。
4.预期解决的主要问题
问题1：高速冲系统模型的建立
要减少振动对高速精密数控冲床产生的影 响，必须对其振动机理进行研究。引起高速冲 床振动的因素主要有两个：一是回转部件和往 复运动部件未得到良好的动平衡；另一个是冲 压过程的冲击力。
如果回转部件和往复运动部件不能达到动态 平衡，其惯性力的作用就变得相当明显，会引起 剧烈振动，滑块下死点动态性能急剧恶化，轻者 影响机床的精度和模具的寿命，重者使机床无法 正常工作。
由振动引起的噪声问题也是不可忽视的。研究发现，
高速冲的冲击噪声均在102dB～125dB之间，严重超过 国际规定的小于或等于85dB的要求，对操作工人的健康造 成极其严重的伤害。因此，必须解决好高速精密数控冲床的 振动控制技术。下图为美国Minster-60t高速冲床在不同 行程次数下的冲压噪声曲线。
本课题通过对高速精密 数控冲床的振动机理进行理 论分析，并进行相关模拟， 将更深刻的揭示高速冲的振 动机理，并以此来指导高速 冲的结构设计，进而减少由 振动引起的噪声、精度降低 等问题，对实际生产有着十 分重要的意义和广阔的应用 前景。
2. 背景科研项目情况简介
课题来源于国家《高 档数控机床与基础制造装 备》重大科技专项，是与 扬州锻压机床有限公司的 合作项目。本项目的任务 是以扬锻在高速冲成形技 术与装备方面积累的多项 关键技术与成果为基础， 自主研发代表高速冲国际 技术水平的闭式双点高速 精密数控冲床 。
高速精密数控冲床的振 动研究及仿真分析
指导老师： 答辩人：
目录
1.选题的科学意义和应用前景 2.背景科研项目情况简介 3.学位论文主要研究内容 4.预期解决的主要问题
1.选题的科学意义与应用前景
近年来，我国汽车、电器等产品质量的不断提高和生 产规模的不断扩大，促使冲压设备在制造业中起着越来越重 要的作用。据不完全统计，在汽车制造业中，有60%～ 70%的零件是采用冲压工艺制成的；在电子产品中冲压件 的数量约占零件总数的85%以上；在飞机、导弹、枪弹、 炮弹等航天和国防产品中，冲压件所占的比例也很大。
一方面填补我国在 该技术领域的空白，解决 我国汽车、船舶、发电、 信息及家电等行业应用高 效精密级进模加工的需要； 另一方面，打破国外公司 在高速精密数控冲压领域 的技术垄断，提高国际竞 争力。
3.学位论文主要研究内容
1、振动机理研究：主要研究高速冲在工
作过程产生振动的原因，通过对振动机理的研 究，为研究如何减少高速冲振动提供理论依据。
(2)反方向配置的副 滑块平衡式。这种平衡方 式是在与主滑块对称的 180°位置上布置一个平 衡副滑块以及曲柄连杆零 件，以抵消主滑块所产生 的惯性力；
(3)多杆配重平衡机构 式。这种动平衡机构可以产 生和滑块相反的运动，因而 能平衡滑块及曲柄连杆系统 所产生的水平及垂直惯性力；
(4) 平衡摆块结构。这 种动平衡结构的优点是，通 过调整偏心改变滑块行程长 度时，平衡块重心随之调整， 保持完全动平衡的效果。
问题2：降低惯性力及动平衡的途径
不平衡惯性力的作用是高速冲产生振动的主 要原因，降低惯性力，采用动平衡结构以平衡惯 性力能有效地改善高速冲的振动问题。
减小惯性力的方法有： (1)适当降低滑块、连杆和曲轴的质量； (2)平衡掉惯性力或惯性力中的一部分。
动平衡装置的结构主要有：
(1)曲轴上反对称偏 心块式。该偏心平衡块主 要用来平衡曲柄连杆滑块 部件所产生的旋转惯性力， 是一种最简单的不完全平 衡装置；
解决问题的基本思路和 技术路线：
采用反对称副的动平 衡原理，通过在与主滑块 对称的180°位置布置一 个平衡副滑块、平衡曲柄 和平衡连杆，用来抵消主 滑块的惯性力。此系统设 计较为简便，对机床的负 载变化引起的振动不是很 敏感。
问题3：关键结构件的振动分析
随着压力机工作速度的提高，分析其动态性 能和振动问题就显得越来越重要。单纯的静态设 计和经验设计已不能满足工程实际的要求。在进 行结构设计时，必须考虑各种动态因素的影响， 对结构进行详细的动态分析，以达抗振、安全、 可靠的目的。
解决问题的基本思路和技术路线：
运用分析软件对冲床的关键结构件进行模态 分析，并对其结构优化，使其弹性模态频率避开 电动机经常工作频率，低阶固有频率避开压力机 的工作频率。
问题4：隔振参数的设计
高速冲床隔振系统的隔振效果主要取决于隔 振器的刚度和阻尼比，故隔振系统的设计关键在 于隔振器的刚度和阻尼比的选取。据实际应用情 况，隔振器阻尼比的范围在0.20～0.30之间， 可获得最佳隔振效果，故隔振器刚度的选取成为 关键问题。
解决问题的基本思路和技术路线：
根据高速冲的实际工作情况，确定优化的目标函数以 及约束条件，通过优化设计软件计算得到隔振器的最佳刚 度值。
谢谢大家
随着现代科学技术的 飞速发展，机械产品正向 高速化、精密化、多样化 的发展方向飞速发展。高 速冲压机床的高效高精密 性正好满足这一要求，因 此，在国内外，特别是中 国锻压设备制造中，高速 冲床的需求及生产量空前 增大。
高速冲床的速度每 分钟在几百到几千次， 其生产效率是普通冲床 的十倍甚至几十倍，由 于冲压行程次数的提高， 惯性力将急剧提高。图 所示为某高速压力机的 惯性力变化曲线。
通过模态分析，可以识别载荷的来源，找 出有害的振型和节点位置，在此基础上通 过改变系统的局部结构，使系统按所要求 的方向改变其动态特征，从而达到符特性不能与使用环 境相适应，即结构模态与激励频率耦合会 发生共振，严重时会使整个机床发生抖动， 产生疲劳破坏等。为此，必须对其关键的 结构件进行优化，避免发生共振，改善机 床的动态响应性能。
2、平衡装置的设计：由于曲柄滑块机构运
转时不可避免的会产生惯性力，所以降低和减轻 高速冲的冲击振动主要从优化结构的角度进行考 虑。采用合适的平衡结构对高速冲的减振起着非 常重要的作用。
3、机构的仿真分析：根据平衡装置的结构，
建立多刚体虚拟样机模型，使用动力学仿真软件 对模型进行仿真试验，以检验动平衡机构的平衡 效果；并对关键结构件进行模态分析，防止产生 共振。
解决问题的基本思路和技 术路线：
首先简化高速冲结构模型， 根据简化的结构模型，对连杆 平面运动产生的惯性力按静力 等效条件用两质量代换法把连 杆质量等效地转化。在进行质 量代换后，根据曲柄连杆机构 的运动分析和牛顿第二定律求 出惯性力的计算公式。
4、试验测试与对比分析：将仿真得到的分
析结果与试验测试结果进行对比分析，找出理论 和实际存在差值的原因，并提出改进方案。
5、减振系统的设计：高速冲基础的减振效
果主要取决于减振器的刚度和阻尼比，故减振器 刚度和阻尼比的选取成为关键问题。
4.预期解决的主要问题
问题1：高速冲系统模型的建立
要减少振动对高速精密数控冲床产生的影 响，必须对其振动机理进行研究。引起高速冲 床振动的因素主要有两个：一是回转部件和往 复运动部件未得到良好的动平衡；另一个是冲 压过程的冲击力。
如果回转部件和往复运动部件不能达到动态 平衡，其惯性力的作用就变得相当明显，会引起 剧烈振动，滑块下死点动态性能急剧恶化，轻者 影响机床的精度和模具的寿命，重者使机床无法 正常工作。
由振动引起的噪声问题也是不可忽视的。研究发现，
高速冲的冲击噪声均在102dB～125dB之间，严重超过 国际规定的小于或等于85dB的要求，对操作工人的健康造 成极其严重的伤害。因此，必须解决好高速精密数控冲床的 振动控制技术。下图为美国Minster-60t高速冲床在不同 行程次数下的冲压噪声曲线。
本课题通过对高速精密 数控冲床的振动机理进行理 论分析，并进行相关模拟， 将更深刻的揭示高速冲的振 动机理，并以此来指导高速 冲的结构设计，进而减少由 振动引起的噪声、精度降低 等问题，对实际生产有着十 分重要的意义和广阔的应用 前景。
2. 背景科研项目情况简介
课题来源于国家《高 档数控机床与基础制造装 备》重大科技专项，是与 扬州锻压机床有限公司的 合作项目。本项目的任务 是以扬锻在高速冲成形技 术与装备方面积累的多项 关键技术与成果为基础， 自主研发代表高速冲国际 技术水平的闭式双点高速 精密数控冲床 。
高速精密数控冲床的振 动研究及仿真分析
指导老师： 答辩人：
目录
1.选题的科学意义和应用前景 2.背景科研项目情况简介 3.学位论文主要研究内容 4.预期解决的主要问题
1.选题的科学意义与应用前景
近年来，我国汽车、电器等产品质量的不断提高和生 产规模的不断扩大，促使冲压设备在制造业中起着越来越重 要的作用。据不完全统计，在汽车制造业中，有60%～ 70%的零件是采用冲压工艺制成的；在电子产品中冲压件 的数量约占零件总数的85%以上；在飞机、导弹、枪弹、 炮弹等航天和国防产品中，冲压件所占的比例也很大。
一方面填补我国在 该技术领域的空白，解决 我国汽车、船舶、发电、 信息及家电等行业应用高 效精密级进模加工的需要； 另一方面，打破国外公司 在高速精密数控冲压领域 的技术垄断，提高国际竞 争力。
3.学位论文主要研究内容
1、振动机理研究：主要研究高速冲在工
作过程产生振动的原因，通过对振动机理的研 究，为研究如何减少高速冲振动提供理论依据。
(2)反方向配置的副 滑块平衡式。这种平衡方 式是在与主滑块对称的 180°位置上布置一个平 衡副滑块以及曲柄连杆零 件，以抵消主滑块所产生 的惯性力；
(3)多杆配重平衡机构 式。这种动平衡机构可以产 生和滑块相反的运动，因而 能平衡滑块及曲柄连杆系统 所产生的水平及垂直惯性力；
(4) 平衡摆块结构。这 种动平衡结构的优点是，通 过调整偏心改变滑块行程长 度时，平衡块重心随之调整， 保持完全动平衡的效果。
问题2：降低惯性力及动平衡的途径
不平衡惯性力的作用是高速冲产生振动的主 要原因，降低惯性力，采用动平衡结构以平衡惯 性力能有效地改善高速冲的振动问题。
减小惯性力的方法有： (1)适当降低滑块、连杆和曲轴的质量； (2)平衡掉惯性力或惯性力中的一部分。
动平衡装置的结构主要有：
(1)曲轴上反对称偏 心块式。该偏心平衡块主 要用来平衡曲柄连杆滑块 部件所产生的旋转惯性力， 是一种最简单的不完全平 衡装置；
解决问题的基本思路和 技术路线：
采用反对称副的动平 衡原理，通过在与主滑块 对称的180°位置布置一 个平衡副滑块、平衡曲柄 和平衡连杆，用来抵消主 滑块的惯性力。此系统设 计较为简便，对机床的负 载变化引起的振动不是很 敏感。
问题3：关键结构件的振动分析
随着压力机工作速度的提高，分析其动态性 能和振动问题就显得越来越重要。单纯的静态设 计和经验设计已不能满足工程实际的要求。在进 行结构设计时，必须考虑各种动态因素的影响， 对结构进行详细的动态分析，以达抗振、安全、 可靠的目的。
解决问题的基本思路和技术路线：
运用分析软件对冲床的关键结构件进行模态 分析，并对其结构优化，使其弹性模态频率避开 电动机经常工作频率，低阶固有频率避开压力机 的工作频率。
问题4：隔振参数的设计
高速冲床隔振系统的隔振效果主要取决于隔 振器的刚度和阻尼比，故隔振系统的设计关键在 于隔振器的刚度和阻尼比的选取。据实际应用情 况，隔振器阻尼比的范围在0.20～0.30之间， 可获得最佳隔振效果，故隔振器刚度的选取成为 关键问题。
解决问题的基本思路和技术路线：
根据高速冲的实际工作情况，确定优化的目标函数以 及约束条件，通过优化设计软件计算得到隔振器的最佳刚 度值。
谢谢大家
随着现代科学技术的 飞速发展，机械产品正向 高速化、精密化、多样化 的发展方向飞速发展。高 速冲压机床的高效高精密 性正好满足这一要求，因 此，在国内外，特别是中 国锻压设备制造中，高速 冲床的需求及生产量空前 增大。
高速冲床的速度每 分钟在几百到几千次， 其生产效率是普通冲床 的十倍甚至几十倍，由 于冲压行程次数的提高， 惯性力将急剧提高。图 所示为某高速压力机的 惯性力变化曲线。
通过模态分析，可以识别载荷的来源，找 出有害的振型和节点位置，在此基础上通 过改变系统的局部结构，使系统按所要求 的方向改变其动态特征，从而达到符特性不能与使用环 境相适应，即结构模态与激励频率耦合会 发生共振，严重时会使整个机床发生抖动， 产生疲劳破坏等。为此，必须对其关键的 结构件进行优化，避免发生共振，改善机 床的动态响应性能。
2、平衡装置的设计：由于曲柄滑块机构运
转时不可避免的会产生惯性力，所以降低和减轻 高速冲的冲击振动主要从优化结构的角度进行考 虑。采用合适的平衡结构对高速冲的减振起着非 常重要的作用。
3、机构的仿真分析：根据平衡装置的结构，
建立多刚体虚拟样机模型，使用动力学仿真软件 对模型进行仿真试验，以检验动平衡机构的平衡 效果；并对关键结构件进行模态分析，防止产生 共振。