数控机床的动态特性概述

数控机床的动态特性概述李凯旋研究机床动态特性的重要性和必要性现代机床正向高速，大功率，高精度的方向发展，除了要求机床重量轻，成本低，使用方便和具有良好的工艺性能外，对机床的加工性能要求也愈来愈高。

机床的加工性能与其动态特性紧密相关。

由于受到理论分析和测试实验手段落后的限制，传统的机床设计的主要依据是静刚度和静强度，对机床的动态特性考虑较少。

结果常常是以较大的安全系数加强机床结构。

导致机床结构尺寸和重量加大。

并不能从根本上改观机床的动态特性。

机床的动态特性的基本概念机床的动态性能是指机床运转之后振动、噪声、热变形与磨损等性能的总称。

但长期以来主要指的是机床的振动性能，即主要指机床抵抗振动的能力。

【1】⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧===振型）振型（一阶振型，二阶变形大小）动态柔度变形的能力。

动刚度：动载荷下抵抗变形的能力。

静刚度：静载荷下抵抗为临界阻尼系数为阻尼系数，阻尼比）（固有角频率固有频率(/1r r ,r/r 2/f f co co n n n n d k ωξπωω机床结构的动态特性参数主要参数包括固有频率，阻尼比，振型，动刚度等。

机床的动态分析主要是研究抵抗振动的能力，包括抗振性和切削稳定性，【2】⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧切削自激振的能力）切削稳定性（机床抵抗主要零件的固有频率阻尼特性机床的结构刚度振动的能力）抗振性（机床抵抗受迫激振力：由回转的不平衡质量作为振动系统的振动源产生的周期性简谐振动。

【1】诸乃雄，机床动态设计原理与应用[M]上海：同济大学出版社，1987:1-3【2】陈雪瑞，金属切削机床设计[ M ] 太原: 山西科学教育出版社, 1988.147-151主要指标外力的激励频率与物体的固有频率相等时，物体的振动形态成为主振型或一阶振型。

外力的激励频率是物体固有频率二倍时，物体的振动形态为二阶振型，以此类推.......机床的动态特性基本概念抗振性的衡量标准一般用产生单位振动量所需要的激振力表示。

切削稳定性的衡量标准一般用切削时开始出现自激振动的极限切削宽度来表示。

极限切削宽度越大，切削稳定性越好。

机床的振动类型及消除措施⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧)的频率自激振动（外部激振力平衡导致）受迫振动（旋转体的不的固有频率）自由振动（频率为系统产生振动的原因机床零部件整体振动动部件结合面间的相对振整机摇晃振动特性分类振动类型机床动态特性的基本概念1，消除受迫振动的方法主要有：采用隔振措施合理提高机床的动刚度，使受迫振动的频率与系统的固有频率远离。

2，自激振动与切削相关，切削用量愈大，切削力愈大，自激振动愈剧烈。

方法：改变切削条件，找出机床的主振型及引起该主振型的薄弱环节，通过增强机床的动刚度或采取减振措施。

可见提高机床的动刚度非常重要！下面是提高机床动刚度的措施⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧切削力方向）尽量使振动方向垂直于变更振型的振动方向（涂层在支承件表面采用阻尼内的空腔尼材料填充机床支承件采用泥芯和混凝土等阻阻尼利用好结合面间的摩擦性改善机床结构的阻尼特基联接处的刚度改善构件间或构件与地筋条合理布置构件的筋板和状及尺寸合理设计构件的断面形和固有频率提高机床构件的静刚度321321机床动态特性的基本概念小结:现阶段，研究机床动态特性及确定机床动刚度的方法主要是通过对实际机床或模型作激振试验，采用正弦信号，随机信号，脉冲信号和非周期信号，根据不同的输入信号方式，采用不同的分析，测量方法。

通过实验，找到影响动刚度的薄弱环节，提出改进措施，以改进结构设计，或安装有效的减振装置，从而达到提高机床的动刚度，使机床有较合适的动态特性的目的。

机床动态特性的研究内容机床动态特性的研究包括动力分析和动力设计两部分。

⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧）条件，跟自激振动有关切削颤振和爬行的临界动力稳定性（确定产生一定范围内振力的动力响应控制在动力响应（将受到的激比值）模态振型（两个振幅的各阶固有频率固有特性（复杂系统）动力分析)1，动力分析指在已知系统的动力模型，外部激励和系统工作条件的基础上分析研究系统的动态特性。

包括固有特性，动力响应，动力稳定性三方面。

【3】2，自激振动：振动系统在一定的条件和运转状态下，可能产生自激振动。

自激振动主要由系统本身的动力特性所决定的振动，产生自激振动的系统称为不稳定系统。

例如，机床在一定的切削条件下，可能产生切削颤振；低速相对运动在一定条件下，有可能产生爬行现象。

【3】杜君文，机械制造技术装备及设计[M]天津:天津大学出版社1998，222一224机床动态特性的研究内容对机床结构进行动力分析有两种手段：1.对机床结构的动力学模型进行理论分析。

2对机床结构进行动态测试。

【4】手段1优点：可获得机床的各种动力特性和动力分析所需的数据，还可获得表示该机床机构偏离最优化涉及到何种程度的指标，对哪些部件改进，如何具体改进，并且改进后的效果也可以估计出来。

缺点：由于机床结果十分复杂，不确定因素很多，有些问题从理论到实践还未得到解决，在研发过程中，完全依赖理论分析无法满足实际要求。

动态测试主要应用激振响应法测定结构的动态特性，包括各阶固有频率，各阶主模态振型，结构上有关点的动柔度频率响应等，应用这些数据进行分析，找出机床结构的薄弱环节，加以改进。

不足：动态测试只能定型的指出改进设计的方向，不能定量确定结构改进的程度，改进设计效果也需要等到新机床制造出来后进行试验才知道。

【4】王世军，黄玉美．机床整机特性的有限元分析方法［J］．机床与液压，2005( 3) :20－22．机床动态特性的研究内容机床的动态设计机床的动态设计指的是机床的动态性能在其图纸设计阶段就能得到预测和优化，从而寻求一种经济合理的结构，使其动态性能满足预先给定的设计要求。

包括：CAD/CAE,计算机图形学，振动理论，有限元，振动测试技术等。

【5】满足要求修改动力学模型检验是否满足要求）对系统动态特性仿真建立动力学模型设计要求→⇔→→→→(机床动态设计的一般过程动力分析为动力学的“正”问题，动态设计为动力学的“逆”问题。

动态设计师比动力分析更为复杂的问题，尽管理论上已经提出了一些动态设计的方法，但目前大多数仍将动态设计问题转化为动力分析问题来处理。

目前针对机床一般的动态设计大多根据经验和各方面的设计要求拟出原始的方案进而逐步展开的。

【5】王富强，精密机床床身的动态特性分析与优化[D].兰州；兰州理工大学2007,06-29机床动态特性的研究内容动态设计的基本原则动态设计的目标是在保证机械系统满足其功能要求的条件下具有良好的动态性能，使其经济合理、运转平稳、可靠。

因此，必须把握机械结构的固有频率、振型和阻尼比，通过动态分析找出系统的薄弱环节来改进设计。

动态设计的原则是：(1) 防止共振；(2) 尽量减小机器振动幅度；(3) 尽量增加结构各阶模态刚度，并且最好接近相等；(4) 尽量提高结构各阶模态阻尼比；(5) 避免零件疲劳破坏；(6) 提高系统振动稳定性，避免失稳。

具体设计时，以上述为基本原则，应根据具体设备的要求，给出动态设计指标。

机床动态特性的研究内容模态分析相关概念模态分析是研究机构动力特性的一种近代特性方法。

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。

这些模态参数可由计算或试验分析取得，其过程为模态分析。

分析过程由有限元方法得出，称之为计算模态分析。

若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，则为试验模态分析。

模态参数有：模态频率、模态质量、模态向量、模态刚度和模态阻尼等模态分析的应用：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。

机床动态特性的研究内容⎪⎩⎪⎨⎧合建模）二者相结合的方法（综实验建模及其分析方法阵分析法）（主要采用有限元法矩理论建模及其分析方法1，理论建模及其分析方法是基于结构动力学原理，根据结构的设计方案，图纸和资料等建立起来模拟机床动态特性的的有限元动力模型而无需依赖已有的机械设备。

优点：可经济迅速地达到优化设计的目标，把提高机床的动态特性的问题解决在方案及图纸设计阶段。

缺点：误差大。

2，实验建模又称为系统辨识，对机械系统（实物或模型）进行激振（输入），通过观测到的系统的输入，输出数据，对系统确定一个一个数学模型，使这个数学模型尽可能精确地放反映系统的动态特性。

优点：模型及其动态特性对机床模拟精度都较高。

缺点：投资大，动态试验及信号分析数据处理过程中都要受到各种随机噪声的干扰，测试仪器误差，各种信号误差，从而给动态性能带来一定误差。

3，综合建模将有限元分析技术和模态分析技术有机的结合起来，发挥各自的长处，以得到能确切反映实际，实用的动态特性分析技术。

机床动态特性的研究现状机床的动态特性研究主要包括机床分部件和整机的动态特性分析。

整机的动态特性又是与分部件的动态特性和结合面的动态特性相关的。

国外研究现状国外的机床动态分析和动态设计领域的研究较多，并在结构优化设计方面取得了很多的成绩。

特点如下：【6】（1）设计与分析平行。

机床结构设计的各个阶段均有结构分析参与，并且贯穿整个设计过程。

这样确定的机床结构设计方案，基本就是定型方案。

（2）结构优化的思想被用于设计的各个阶段。

（3）大量的虚拟试验代替实物实验。

国内研究现状国内对机床的动态特性研究可按整机分析和部件分析两个方面归纳如下（1）机床整机的研究现状，在整机建模与分析方面，上交，天大等院校都有一定的研究，提出了整机动态特性预测的方法及相关软件的研发。

eg:1福州大学林有希提出整机有限元法，利用静态凝聚法和结构技术，大幅度缩减自由度对整机进行建模。

【6】杨永亮.基于有限元的车床床身结构优化:[D]. 大连:大连理工大学机械系，2006，1-3机床动态特性的研究现状2上海交通大学张广鹏等运用均质梁，集中力量及结合部单元进行了整机预测软件包的研制。

3东南大学毛海军等利用阻抗匹配法建立了磨床整机的动力学模型，并进行了实验验证。

4昆明理工大学杜奕利用试验模态技术，对MSY7115平面磨床整机结构的动态特性进行了模态分析，并建立了立柱和整机的有限元模型，并对其进行了动态特性优化的改进设计。

梁志强采用理论建模和试验建模相结合的方法研究TH6350加工中心整机的动态特性。

5北京机床研究所赵宏林等利用自行开发的机床整机特性分析软件包--ANTPOS 软件包对一台立式加工中心实现了在图纸阶段预测其整机综合特性的目的，并与试验值进行了比较。

6北京理工大学采用用户自定义矩阵单元处理机床结合部的接触问题，利用I-DEAS Master Series 划分有限元网络，主要采用二维壳单元建立了立式加工中心的动力学模型，并进行了动态特性分析。