某型号卧式加工中心模态分析及优化设计

摘要

近年来，我国汽车行业的迅猛发展，促使了对汽车零部件加工制造能力需求的大幅提升。激烈的市场竞争要求制造业向着高精、高速、高效的方向发展。机床作为生产制造环节的“工业母机”，在其中起到了举足轻重的作用。目前，我国的机床行业产品种类已十分齐全，但由于关键技术的缺失、新技术应用相对滞后等原因，高端产品市场仍被外国企业占领。因此，紧抓工业4.0浪潮，开发出性能优良的机床产品显得尤为重要。机床的性能与其动态特性是分不开的，将动态特性分析融入新型机床的开发过程，取代传统的静态设计是机床设计及优化的必然趋势。
　　本文依托辽宁省科技重大专项，针对某新型精密卧式加工中心的动态特性展开研究，以期提高机床的加工性能。首先在对模态测试原理进行介绍的基础之上，通过试验模态分析法获取了加工中心的的固有频率，模态振型和阻尼比。然后基于吉村允孝法对仿真模型的床身立柱结合面进行处理，通过仿真模态分析与试验模态测试结果的对比，验证了仿真模型的准确性。接着进一步利用该仿真模型进行整机谐响应分析，结合模态分析与谐响应分析结果，确定了机床结构的两处薄弱环节:机床框架结构与地基约束，指出了动态性能的优化方向。
　　在机床优化设计阶段，以提高动态特性为目标，以参数化设计为手段，应用灵敏度分析法与响应面优化法，求取了框架结构五个参数的最优组合;应用正交试验法，获取了机床压板的最优安装位置，且得到增大压板与床身结合面刚度值有利于提高整机动态性能的结论。经过整机综合优化，最终使机床整机固有频率平均提高了34.5％，最高谐响应峰值下降25.3％，优化结果可为加工中心的升级改造提供一定的参考意见。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 机床动态性能研究概况

1．2．1 动态特性研究内容

1．2．2 动态特性研究方法及现状分析

1．3 本文主要研究工作

2 模态分析基本理论与试验技术研究

2．1 模态分析基本理论

2．2 试验模态参数识别原理

2．2．1 最小二乘复频域法(PolyLSCF)

2．2．2 最小二乘复指数法(LSCE)

2．2．3 PolyIIR法

2．3 试验模态测试技术方法研究

2．3．1 试验对象支撑方式分析

2．3．2 常用激励方式比较

2．3．3 响应信号传感器的选用

2．4 模态测试软件分析

本章小结

3 卧式加工中心整机模态测试研究

3．1 测试对象分析

3．2 模态测试方案

3．2．1 仪器的选定

3．2．2 测点的布置

3．2．3 激励点的选取

3．3 模态测试过程

3．3．1 预试验

3．3．2 正式试验

3．4 模态测试结果

3．4．1 模态参数的识别

3．4．2 模态测试结果分析

本章小结

4 卧式加工中心仿真模型的建立及谐响应分析

4．1 加工中心仿真模型的建立

4．1．1 ANSYS Workbench软件介绍

4．1．2 仿真分析前处理

4．2．2 模态仿真分析及模型精度判断

4．2 有限元谐响应理论及分析

4．2．1 谐响应分析

4．2．2 结果讨论

本章小结

5 卧式加工中心动态性能优化设计

5．1 动态特性优化目标的确定

5．2 基于灵敏度分析的卧式加工中心框架结构优化设计

5．2．1 参数化建模及参数灵敏度分析

5．2．2 DOE试验设计

5．2．3 RSM响应面拟台

5．2．4 优化求解

5．2．5 框架结构优化结果与分析

5．3 基于正交试验法的加工中心地基位置优化设计

5．3．1 压板安装方案确定

5．3．2 正交试验法介绍

5．3．3 正交试验过程

5．3．4 正交试验结果分析

5．4 优化前后整机动态特性分析对比

本章小结

结论

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢