高速数控机床机械性能仿真分析与研究

高精度机械装备的建模与仿真分析一、引言如今，高精度机械装备在现代制造业中扮演着至关重要的角色。

它们的性能直接影响着产品质量和生产效率。

然而，由于机械系统的复杂性和不确定性，设计和优化高精度机械装备变得异常困难。

在实际制造过程中，建模和仿真分析成为提高装备性能和可靠性的有效手段。

本文将探讨高精度机械装备建模和仿真分析的方法和技术。

二、建模方法1. 传统建模方法在过去的几十年里，传统建模方法一直是高精度机械装备设计中的主流。

这些方法基于物理方程和经验知识，通过数学建模来描述机械系统的运动和力学行为。

然而，由于高精度机械装备的复杂性，传统建模方法无法准确地捕捉到系统的动态响应和相互耦合的效应。

2. 基于多体动力学的建模方法近年来，基于多体动力学的建模方法逐渐成为高精度机械装备设计中的热门选择。

这种方法通过将机械系统分解为多个刚体，考虑刚体间的相互作用和运动学关系，从而建立动力学模型。

基于多体动力学的建模方法能够更准确地描述机械系统的运动和相互作用，为仿真分析提供了较为真实的模拟结果。

三、仿真分析技术1. 动力学仿真分析动力学仿真分析是高精度机械装备设计中最常用的仿真技术之一。

它通过求解机械系统的动力学方程，模拟系统在不同工况下的运动轨迹和力学响应。

通过动力学仿真分析，可以评估系统的稳定性、振动特性和动态响应性能，为装备的设计和优化提供数据支持。

2. 热仿真分析在一些高精度机械装备中，温度对系统性能的影响非常重要。

热仿真分析可以模拟系统在不同温度条件下的热传导和热变形行为，评估系统的热稳定性和热效应对精度的影响。

通过热仿真分析，可以优化装备的结构和材料，提高系统的热性能。

3. 优化仿真分析优化仿真分析是高精度机械装备设计中的关键环节。

它通过在给定的设计空间内搜索最优解，寻找使系统性能达到最佳的设计参数。

优化仿真分析可以在不同的约束条件下，自动调整参数，从而得到最优的设计方案。

这种方法可以极大地提高装备的性能和可靠性。

数控车床操作加工仿真实验分析随着科技的进步和工业化的发展，数控设备已经逐渐取代了传统的机械设备。

数控设备在加工过程中具有高效、精度高、可靠性好的特点，已经成为现代工业生产中必不可少的设备之一。

其中，数控车床是一种常用的数控设备。

数控车床操作加工仿真实验是一种对数控车床的操作和工艺进行模拟的实验方法，可以有效地提高操作人员的技能水平和工艺掌握能力。

数控车床的基本结构包括床身、主轴和刀架等部分。

在加工过程中，需要通过操作数控系统来控制车床进行运动和加工。

数控系统是数控设备的核心部件，通过程序控制车床的运动和加工，实现对工件的加工任务。

数控车床操作加工仿真实验是指通过计算机软件模拟实验车床的动作和操作，使操作人员可以在虚拟的环境中进行实际操作、练习和调节，以达到掌握工艺和技能的目的。

数控车床操作加工仿真实验可以通过三维虚拟现实技术实现，操作人员可以在虚拟环境中进行实操，了解数控车床的运动和加工原理，同时可以模拟实际工作环境中的各种情况，提高操作人员的应对能力和灵活性。

在数控车床操作加工仿真实验中，需要对加工过程进行分析。

一般来说，加工过程中需要对工件的尺寸、形状和表面质量等方面进行检测和评估。

此外，还需要对加工过程中的切削力、刀具磨损等情况进行分析，以保证加工的效率和质量。

通过对加工过程的分析，可以对数控车床的加工工艺和操作方法进行改进和完善。

数控车床操作加工仿真实验的重要性不言而喻。

首先，它可以在不影响实际生产的情况下进行模拟，降低加工成本和时间。

其次，它可以提高操作人员的技能水平和工艺掌握能力，减少操作失误和事故的发生。

最后，它可以促进数控车床的改进和发展，提高工业生产效率和质量。

总之，数控车床操作加工仿真实验是一种非常重要的工业生产实践方法。

通过对数控车床的操作和工艺进行模拟，可以提高操作人员的技能水平和工艺掌握能力，同时也可以促进数控车床的改进和发展，提高工业生产效率和质量。

目录摘要 (I)Abstract (II)1 绪论1.1 课题概述 (1)1.2 系统建模理论发展....................................................1.3 虚拟样机技术概况....................................................1.4 仿真技术的发展与现状................................................1.5 本课题的主要研究工作................................................2 数控机床运动学建模与仿真系统总体方案构建2.1 数控机床的系统组成..................................................2.2 建模与仿真系统总体方案分析..........................................2.3 数控机床建模仿真系统方案的实现......................................2.4 本章小结............................................................ 3进给运动系统理论建模及摩擦非线性建模3.1 系统建模理论及建模方法分类..........................................3.2 理论运动学模型的建立................................................3.3 摩擦非线性及其对进给运动系统的影响..................................3.4 建立摩擦动力学模型..................................................3.5 本章小结...........................................................4 进给运动系统仿真相关理论研究4.1 系统仿真理论概述....................................................4.2 系统仿真技术分类....................................................4.3 虚拟样机仿真技术及进给运动系统建模仿真实现..........................4.4 本章小结............................................................5 系统建模仿真实现与分析5.1 ADAMS虚拟样机仿真技术..............................................5.2 数控机床伺服进给运动仿真系统的集成..................................5.3 仿真结果分析实例....................................................5.4 本章小结............................................................6 全文总结与展望6.1 全文总结............................................................6.2 研究展望............................................................. 致谢..................................................................... 参考文献................................................................. 附录1 攻读硕士学位期间发表的论文........................................1 绪论1.1课题概述1.1.1 课题来源本课题研究属于下列项目的重要组成部分：⑴国家863计划“先进制造与自动化技术”领域“机器人技术主题”资助――“开放式数控装备的远程操作、监控与诊断技术研究”(项目批准号：2001AA423230)；⑵中国－新加坡“中新联合研究计划”项目――“基于网络的产品快速开发平台”；⑶新加坡国家科技局资助项目——“基于多智能体的数字制造（Multi-Agent-based Digital Manufacturing）”；⑷教育部骨干教师资助计划项目――“虚拟CNC系统”。

机床数控技术实验报告实验二数控车床编程与仿真操作1.数控车床由哪几部分组成？答：数控车床由数控装置、床身、主轴箱、刀架进给系统、尾座、液压系统、冷却系统、润滑系统、排屑器等部分组成。

数控车床分为立式数控车床和卧式数控车床两种类型.2。

为什么每次启动系统后要进行“回零"操作？答：机床断电后,就不知道机床坐标的位置,所以进行回零，进行位置确定每次开机启动数控系统的机械零点和实际的机械零点可能有误差，回零操作是对机械零点的校正。

4。

简述对刀过程?答:（1）一般对刀,一般对刀是指在机床上使用相对位置检测手动对刀。

下面以Z向对刀为例说明对刀方法：刀具安装后,先移动刀具手动切削工件右端面，再沿X向退刀，将右端面与加工原点距离N输入数控系统，即完成这把刀具Z向对刀过程。

（2）机外对刀仪对刀，机外对刀的本质是测量出刀具假想刀尖点到刀具台基准之间X及Z方向的距离。

利用机外对刀仪可将刀具预先在机床外校对好，以便装上机床后将对刀长度输入相应刀具补偿号即可以使用.(3）自动对刀，自动对刀是通过刀尖检测系统实现的,刀尖以设定的速度向接触式传感器接近，当刀尖与传感器接触并发出信号，数控系统立即记下该瞬间的坐标值，并自动修正刀具补偿值。

5。

G00与G01指令有何不同?答： G00指令表示刀具以机床给定的快速进给速度移动到目标点,又称为点定位指令,G01指令使刀具以设定的进给速度从所在点出发，直线插补至目标点。

6.简述用MDI方式换2号刀的操作过程。

答：按下程序建按下MDI建输入一段换刀程序T0101的刀具指令按循环启动实验三数控铣床编程与仿真操作1.数控铣床由哪几部分组成？答：(1)主轴箱包括主轴箱体和主轴传动系统。

（2）进给伺服系统由进给电动机和进给执行机构组成。

（3）控制系统是数控铣床运动控制的中心，执行数控加工程序控制机床进行加工。

(4）辅助装置如液压、气动、润滑、冷却系统和排屑、防护等装置。

（5）机床基础件指底座、立柱、横梁等，是整个机床的基础和框架。

高端数控机床数学建模与仿真研究高端数控机床是现代制造业的重要设备之一，它能够完成各种复杂的加工操作，为制造业的现代化发展提供了有力的支撑。

要想保证机床的高效运行，就需要对其进行数学建模和仿真研究。

本文将探讨高端数控机床数学建模和仿真研究的意义、方法和实现。

一、数学建模的意义数学建模是将实际问题用数学语言表达出来，从而得出合理的解决方案的过程。

在高端数控机床上，数学建模的意义在于透过数据和规律来分析、评估和改进机床的性能。

具体而言，数学建模可以以以下几个方面为切入点。

1.机床结构参数的优化设计机床的结构参数是影响机床刚度和精度的主要因素。

通过建立数学模型，可以对机床结构进行优化设计，达到更好的加工精度和稳定性。

2.运动控制系统的分析与设计机床的运动控制系统是保障机床准确、高速运动的关键。

通过数学建模，可以对控制系统进行仿真分析，进而实现控制系统的优化设计和整机性能的提升。

3.切削工艺参数的优化设计在加工过程中，不同的切削工艺参数会影响机床的稳定性和加工精度。

通过数学建模，可以对工艺参数进行仿真分析，找出最佳的参数组合，提高加工效率和生产质量。

二、数学建模的方法数学建模的方法有多种，最常见的方法包括传统方法、计算机辅助设计(CAD)和仿真技术。

1.传统方法传统方法是指通过手工计算、实验、观察等方式，对机床性能进行分析和评估。

这种方法的好处在于可以从底层理解机床的运作原理和瓶颈，但由于工作量大、数据处理慢，效率不高。

2.CAD软件CAD软件可用于设计和制造机床，提高机床结构的精度和装配质量。

通过CAD软件，可以实现机床的三维建模、装配和仿真等操作，从而更好地分析和评估机床性能。

3.仿真技术仿真技术是建立在物理和数学模型的基础上，通过计算机模拟的方式对机床进行分析和评估。

常见的仿真技术包括有限元分析、多体动力学仿真等。

在数控机床领域，多体动力学仿真技术被广泛应用。

三、仿真研究的实现仿真研究的实现需要借助数学软件和仿真平台。

高速数控机床进给系统结构的优化与仿真高速数控机床进给系统结构的优化与仿真随着制造业的快速发展和现代化水平的提高，高速数控机床的应用越来越广泛。

在高速数控机床中，进给系统是实现工件相对于刀具的运动，并控制加工过程的关键部分。

本文将探讨高速数控机床进给系统结构的优化与仿真，旨在提高机床的性能和精度。

1. 进给系统结构的现状目前，高速数控机床进给系统一般采用伺服电机驱动螺杆副传动，通过球螺杆和滑块来实现工件的运动。

这种结构简单可靠，适用于大多数工业应用。

然而，由于刚性和惯性会对进给精度产生一定的影响，如何提高系统刚性和减小惯性成为优化进给系统结构的关键问题。

2. 进给系统结构的优化为了提高进给系统的刚性和减小惯性，可以采取以下优化措施：（1）采用高刚性材料：如采用铸铁材料制造进给系统的主要零部件，可以提高系统的刚性，并减小由材料弹性变形引起的误差。

（2）改进结构设计：通过对进给系统结构进行改进设计，如增加承载面积、减小零件尺寸等措施，可以增加系统的刚性和减小惯性。

（3）优化螺杆副传动：螺杆副传动是进给系统的关键部分，通过优化螺杆材料和减小螺杆副摩擦力，可以提高传动效率和精度。

（4）采用预紧机构：预紧机构可以减小进给系统在运动过程中的松弛量，提高系统的动态响应性和定位精度。

3. 进给系统结构的仿真为了验证优化措施的有效性和可行性，可以利用仿真技术对进给系统结构进行仿真分析。

通过建立包括进给系统结构、控制系统和工件材料等的数学模型，可以模拟不同工况下的机床运动性能和精度。

仿真分析可以通过改变不同参数来优化进给系统结构，如改变材料的刚性、调整零件尺寸等。

通过不断迭代优化，可以找到最优的进给系统结构，实现最佳的加工效果。

4. 结论通过对高速数控机床进给系统结构的优化与仿真分析，可以提高机床的性能和精度，实现更高效的加工。

优化措施包括采用高刚性材料、改进结构设计、优化螺杆副传动和采用预紧机构等。

仿真分析可以验证这些优化措施的有效性和可行性。

数控机床的数学模型与仿真技术数控机床是机械加工行业中非常重要的设备之一，它能够通过程序控制来完成精密加工，使得生产效率和产品质量都得到了非常大的提升。

而这种精密性能的实现，离不开数学模型和仿真技术的支持。

一、数学模型在数控机床中的应用数学模型在数控机床中的应用是非常广泛的，它们可以描述不同的物理过程，如机床结构的运动、切削过程的力学和热学、刀具的损耗和磨损等等。

这些模型一般是基于物理定律和经验公式建立的，通过计算机程序来求解。

下面我们具体介绍一下数学模型在数控机床中的几个应用。

1. 机床结构运动机床结构运动是数控机床中最基本的数学模型之一，它描述了机床各部分的位置、速度、加速度随时间的变化。

这个模型是机床控制系统的基础，控制系统通过控制各驱动装置的运动来实现加工程序的执行。

机床结构运动模型的求解需要考虑多种因素，如机床的结构、驱动装置的特性、工件的形状等等，通常使用有限元分析或者正逆动力学模型来求解。

2. 切削过程力学模型切削过程力学模型是研究刀具与工件之间力学相互作用的数学模型，它可以描述刀具的进给、切削和退出过程中的切削力和其他作用力。

这个模型可以帮助设计和选择刀具，优化切削参数，以及预测刀具寿命和工件表面形貌等，它是数控加工中非常重要的数学模型之一。

普遍用的刀具力模型包括切削力系数法、影响系数法、弹性回复切削力模型等。

3. 切削过程热学模型切削过程热学模型是描述切削过程中的热处理过程的数学模型，它可以预测切削面温度和刀具温度等。

这个模型可以帮助优化切削参数，提高切削速率、降低刀具磨损、减少工件变形和提高表面质量等。

切削过程热学模型主要包括经验模型和物理模型。

经验模型通常基于实验数据，通过适当的修正，可以很好地预测切削温度和刀具温度。

物理模型则基于热传导、热应力等物理理论，需要更大的计算开销，但是可以准确地反映热传导和热应力的特性。

二、数控机床仿真技术数控机床仿真技术是基于数学模型的的数字仿真技术，它可以模拟机床的运动、加工过程和性能。

高速铣削过程铣削力建模与仿真及实验研究的开题报告一、研究背景及意义高速铣削技术是在高速数控机床上进行的，其主要特点是:切削速度较高，工具进给速度也较高，铣削精度高，加工效率高等。

高速铣削加工技术的出现，不仅极大提高了工件的质量和生产效率，还有望进一步推动制造业的发展。

因此，高速铣削技术的研究和应用具有重要意义。

随着机械加工技术的进步与发展，对于高速铣削过程中铣削力、表面粗糙度、切屑形态、刀具寿命等一系列问题的研究已成为机械工程领域重要的研究方向之一。

铣削加工中的铣削力是一个非常重要的加工参数，具有直接影响到加工效率、加工质量的特点。

因此，研究铣削力的变化规律及其控制方法是提高高速铣削加工质量和效率的必要条件。

而表面粗糙度则是体现工件表面光洁度的重要指标，是直接影响到工件的功能性能的因素之一。

在高速铣削加工过程中，如何有效地预测铣削过程中的铣削力及表面粗糙度，对提高高速铣削加工质量和效率具有非常重要的意义。

因此，铣削力和表面粗糙度的预测是高速铣削加工研究的重要领域之一。

二、研究内容及方法1. 研究内容本研究的主要研究内容包括：(1) 高速铣削过程中刀具与工件的接触状态建模和仿真。

(2) 基于接触状态的铣削力计算与分析。

(3) 高速铣削加工表面粗糙度的预测与控制方法研究。

(4) 高速铣削加工过程中切削刃面磨损的分析及刀具寿命的预测。

2. 研究方法本研究的研究方法主要包括：(1) 基于有限元仿真的高速铣削加工过程建模和仿真。

(2) 基于实验测试数据的高速铣削加工过程力学特性分析。

(3) 基于人工神经网络的高速铣削加工表面粗糙度预测模型的建立。

(4) 组合多种方法，实现高速铣削加工过程中切削刃面磨损的分析及刀具寿命的预测。

三、研究计划及进度1. 研究计划(1) 第一年：建立高速铣削加工过程的有限元仿真模型，分析铣削力的变化规律。

(2) 第二年：基于实验测试数据，分析高速铣削加工过程中的力学特性，并建立高速铣削加工表面粗糙度预测模型。

数控机床的模拟仿真技术应用介绍数控机床是现代制造业中不可或缺的高精密加工设备，它的出现极大地推动了制造业的发展和进步。

而模拟仿真技术作为一种重要的辅助工具，在数控机床的研发、设计、优化和操作等方面发挥着重要作用。

本文将介绍数控机床的模拟仿真技术应用，包括其原理、应用领域和优势。

数控机床的模拟仿真技术，是通过计算机模拟和仿真，对机床的加工过程、工件形变、切削力、热变形等进行分析和预测，以达到机床性能的优化。

具体而言，它可以模拟机床的结构和工作原理，通过对刀具和工件的仿真处理，得出加工过程中的各种参数和效果。

这样的技术不仅可以辅助机床的设计和改进，还可以为操作员提供参考，提高加工质量和效率。

首先，数控机床的模拟仿真技术应用广泛。

它适用于各种类型的数控机床，例如铣床、车床、钻床等。

无论是传统的机械式数控机床，还是现代的电气控制数控机床，都可以通过仿真技术进行分析和优化。

同时，它也适用于不同的材料和产品加工，无论是金属材料还是非金属材料，无论是零件加工还是模具制造，都可以通过仿真技术进行模拟和分析。

其次，数控机床的模拟仿真技术有很多优势。

首先，它可以减少机床的试刀次数和加工时间，提高加工效率。

通过仿真可以事先进行加工路径的规划和验证，避免了试刀过程中的失误和浪费。

其次，它可以降低机床的故障率和维修成本。

通过仿真可以对机床的结构和传动系统进行分析，预测潜在的故障和问题，并及时进行调整和改进。

再次，它可以提高机床操作员的技能水平。

通过仿真可以模拟实际的操作过程，为操作员提供实践和培训的机会，提高其在实际操作中的理解和应变能力。

最后，数控机床的模拟仿真技术在未来的发展中也有着广阔的前景。

随着计算机技术和仿真软件的不断更新和发展，模拟仿真技术在机床制造和加工领域的应用将更加深入和广泛。

未来，可以预见的一个发展方向是基于虚拟现实（VR）技术的模拟仿真技术。

通过虚拟现实技术，操作员可以身临其境地进行机床的模拟操作和培训，提高操作的真实感和效果。

第8卷第1期2010年3月中 国 工 程 机 械 学 报CH INESE JOURNAL OF CON S TRUCT I ON MACH INERY Vo.l 8N o .1 M ar .2010基金项目:国家自然科学基金资助项目(50905029)作者简介:关锡友(1964-),男,高级工程师.E-m a i :l xiyou _guan @s m tc.l co m数控机床整机动力学性能可视化分析与仿真关锡友1,孙 伟2(1.沈阳机床(集团)有限责任公司,辽宁沈阳 110142; 2.东北大学机械工程与自动化学院,辽宁沈阳 110819)摘要:将数控机床整机的动态性能分析与可视化设计方法相结合,以沈阳机床集团的某数控加工中心为例,提出了整机动力学可视化设计流程,包括设计目标、设计内容以及设计方法;最后对该加工中心进行整机动态性能可视化仿真,得出强度、固有特性以及谐响应情况,为该机床结构性能的优化提供依据.关键词:数控机床;动力学性能;可视化;仿真中图分类号:TG 502.14;TH 113 文献标识码:A 文章编号:1672-5581(2010)01-0001-06V isualized anal ysis and si mu l ati on on dynam icperformance for NC machine assembl yGUAN X i-y ou 1,SUN W ei 2(1.Shenyang M achi ne Too l (Group)Li m ited L i ability Co mpany ,Shenyang 110142,Chi na ;2.Schoo l ofM echanical Engi neering &Auto m ati on ,N ortheastern U ni versity ,Shenyang 110819,Chi na)Abstract :By i n tegrati n g dyna m ic perf or m ance anal y sis w ith v isualized design m et hod on NC m achi n e assem bl y ,a NC m achi n i n g cent er produced by Shenyang M achine ToolG roup is used for case study .Accordingl y ,t he dynam ic v isualized des i g n procedure ,i n cluding design objectives ,opti o ns and m eth -ods ,is proposed .Based on t his notion ,t he dyna m ic perf or m ance ofm achi n ing center is visually s i m ula -t ed t o acquire the strengt h ,i n herent property and har m onic response .Therefore ,this approach set a ref erence to opti m iz i n g the m achine struct ural perfor m ance .Key words :nu m erical controlm achine too;l dyna m ic perfor m ance ;visualization ;s i m ulation数控机床在工作过程中的振动会使工件和刀具的相对位置发生变化,进而影响了工件的加工精度及机床加工效率.振动还会加速刀具的磨损,产生振动噪音以及污染环境.因而在设计数控机床时必须高度重视数控机床的动力学设计,确保机床的振动控制在允许的范围内.目前,我国及世界其他国家都在竞相发展以高速、高精、高效为主要特征的高档数控机床[1],对于这类机床,动力学优化设计就显得更加重要.可视化设计方法[2]是一种数字化的设计方法,强调在整个设计过程中全面应用计算机技术,对系统进行模型构建、功能模拟和过程仿真等.通过可视化设计可以在机床整机制造加工之前,尽早发现由于设计不当所导致的可能出现的缺陷,进行修改;还可以在计算机上对数控机床整机进行模态及响应分析和仿真,得到振动系统的动态特性.本文将可视化设计方法应用于数控机床整机的动态性能分析之中,结合沈阳机床集团自行设计研发的某数控加工中心,提出数控机床整机动力学可视化设计流程,并结合ANSYS W or kbench 软件对数控机床整机进行强度、模态和响应分析,为提高该机床的动态性能提供了依据.1 机床动态性能优化原理优化机床的动态性能,就是通过相应的技术手段,确保机床具有足够的抗振能力.具体来说就是设计中 国 工 程 机 械 学 报第8卷 出的机床具有抵抗受迫振动与自激振动的能力,能对工件进行稳定而精确的加工.机床对受迫振动的抗振能力主要在于避开共振,在设计时需要控制机床的固有频率远离激振频率.机床对自激振动的抗振能力,主要在于在切削颤振作用下机床抵抗再生颤振能力(或动态响应)的大小,目前公认的以稳定性极限切削宽度b li m 作为机床再生颤振的稳定性判据.对数控机床进行动态性能优化设计主要依据的原理包括模态分析、动响应分析.1.1 模态分析所谓模态分析法,是凭借振动系统的模态参数来对数控机床的动态性能进行分析、预测、评价和优化.而将振动系统的模态参数辨识出来是模态分析过程中的重要环节,辨识模态参数需要求解系统的特征向量和特征值(主振型和固有频率).为了对数控机床整机系统进行模态分析,必须将具有无限个自由度的机床离散成若干个质量集中的子结构,构建符合实际情况的机床动力学模型是对其进行模态分析的基础.具有n 个自由度的振动系统,其有阻尼的受迫振动运动方程为M X ##+C X #+K X =P (1)式中:M,C,K 分别为系统质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵;X 为位移响应向量;P 为激励力向量.振动系统的固有频率和主振型是系统的自然属性,必须通过研究无阻尼自由振动来求解.求出振动系统的固有频率得X 20和振幅列阵A .n 自由度振动系统就有n 个固有频率X 01,X 02,,,X 0n 以及n 个对应的主振型A (1),A (2),,,A(n ).1.2 动态响应振动系统在动态力P 作用下,处在受迫振动或自激振动或二者兼有的情况时,可以用模态分析方法来辨识振动系统的动态响应.随着振动系统阻尼情况的不同,分析处理系统动态响应的方法也不同,而机床系统的阻尼情况是很复杂的,通常是各种阻尼情况的综合(包括干摩擦阻尼、液体阻尼、粘性阻尼和结构阻尼等).它们所生成的阻尼力性质各不一样,由这些阻尼系数构成的阻尼矩阵无法用实模态矩阵来解耦.振型阻尼情况也称小阻尼情况.当系统的各阶模态阻尼比N r 较小(一般认为小于0.2),各阶固有频率不十分接近时,可以简便地略去模态阻尼矩阵中的非对角元素,成为对角矩阵,接触阻尼耦合.实践证明,这种简化方法可以获得很好的近似解.下面以振型阻尼为例,分析数控机床系统动态响应的求解方法[3].机床系统的模态方程为M Q ##+C Q #+K Q =Q(2)式中:Q 为模态矩阵.如果不存在耦合,就可以写出n 个独立方程,当第r 阶模态阻尼系数C r =2N r M r X 0时,模态方程为M r q ##r +2N r M r X 0q #r +K r q r =Q r ,r =1,2,,,n (3)式中:q r 为r 阶模态向量,根据此方程的解得出机床系统的模态交叉动柔度为P hj =E n r =1A (r )h A (r )j K r (1-K 2r +2N r K r )(4)式中:A (r )h ,A (r )j 分别为结构h ,j 的r 阶振幅;K r 为频率比.根据求出的第r 阶模态动柔度可以看出,机床系统动态响应的最主要的影响因素仍然是系统主振型和固有频率.因此可以看出,系统主振型和固有频率在机床整机系统动态性能优化中的重要作用,于是,研究数控机床整机系统的主振型和固有频率不但可以优化机床抵抗受迫振动的能力,同时也提高机床抵抗自激振动的水平.2 数控机床整机可视化设计数控机床是典型的机电一体化产品,采用传统的动力学设计方法,可概括为图1所示的设计流程.从图中可以看出,传统机床动力学设计方法以设计者为中心,设计者的水平影响机床的质量,设计过程出现的设计周期长、效率低、人力物力成本大、在反复加工装配过程中所产生无法预测误差等缺陷,已无法适应激烈的市场竞争,取而代之的是周期短、效率高、成本低以及获得高精度产品的设计方法.2第1期关锡友,等:数控机床整机动力学性能可视化分析与仿真图1 传统动力学设计方法流程图F i g .1 F lo w of trad iti onal dyna m ical design m et hod可视化设计方法以/可视0为手段,可以使设计者在产品加工出来之前看到产品各方面性能,进而对产品的缺陷进行修改、优化,大大缩短了设计周期,提高了生产效率.可视化设计的具体内容包括加工过程可视化、装配过程可视化、运动学可视化、动力学可视化、工作过程可视化和控制过程可视化六个方面.由于动态性能是数控机床在设计过程中所要考虑的重要指标,因此对数控机床整机进行动力学可视化分析,以获得振动系统的强度、固有频率、主振型和响应情况等指标,为提高数控机床的抗振能力提供依据.数控机床整机动力学可视化设计的内容首先是确定载荷分布并对整机强度进行验证,保证设计的模型在强度和刚度方面是满足设计要求的;其次是对数控机床整机模型进行模态分析,获得固有动态特性,这是优化机床动态性能的关键;最后在给定激励条件下确定系统的响应情况,流程如图2所示.图2 动力学可视化设计方法流程图F i g .2 Flo w of dyna m ical visual desi gn m et hod3 数控机床整机动态性能优化仿真研究要对数控机床整机动态性能进行研究,根据图2所示的动力学可视化流程,可以分成三大部分,创建数控机床整机动力学模型,对所创建的模型进行动力学可视化仿真,最后进行结果评价.3.1 创建数控机床整机动力学模型数控机床是集电子、机械、计算机、控制、传感器以及液压气动于一体的复杂的设备,对数控机床建模首先要对其进行适当的简化.本文建立的某数控加工中心模型包括床身、立柱、横梁、导轨、主轴箱以及传动轴等6部分,简化了螺栓和圆角,省略了电机.利用Pr o /E 软件完成实体建模,将模型导入到ANSYS W o r kbench(AW B ),A W B 会自动识别其几何特征、尺寸大小以及装配关系.对于数控加工中心这种复杂的模型结构且零部件较多的装配体,自动识别会发生错误,需要手动修正.对修正后的动力学模型进行前处理,包括定义材料属性、划分网格、对机床结合部的处理(定义接触类型)、添加边界条件和约束.模型中采用灰铸铁和结构钢两种材料,并且所有零部件的硬度属性都设置为柔性.模型的网格数量为79810,节点数为175858.由于本文着重对机床整机进行研究,因此所有的结合部接触类型都设定为固定接触.边界条件为机床底座的全约束,在机床主轴端面上加载一个集中力,同时添加惯性力.3.2 数控机床整机动力学可视化仿真3.2.1 强度校核从AWB 求解器得到的结果可以看出,机床整机大部分区域等效应力分布较为均匀,应力值低于5MPa .但是在机床导轨结合部位有应力集中的现象,最大应力值也出现在该部位,如图3所示.应力集中的原因主要是模型导轨过短,与支架接触面积过小,从实际角度出发,由于机床导轨制造误差,导轨表面微观不平度导致实际接触面积变小出现应力集中现象.通过对数控机床整机模型全变形云图的观察,如图4所示,整机在主轴箱位于最高处时,主轴处变形较大,变形量在0.03158~0.04734mm 之间,横梁部分次之,变形量在0.021053~0.031580mm 之间,底座与立柱的变形量最小,3中 国 工 程 机 械 学 报第8卷 基本在0.021mm 以下.机床变形的规律是从底座到主轴端处,变形量逐渐增大.机床底座受到全约束,主轴为自由端并且受载荷,这与悬臂梁结构受力变形情况相似.图3 数控机床模型应力最大处放大云图F ig .3 Extended figure of m axi mum 图4 机床模型静力分析全变形云图F ig .4 De f or m a tion of sta tic通过对模型的强度分析,得到关于机床强度和刚度的信息.机床整机等效强度均匀,但是在导轨结合处有应力集中现象,应改善导轨与其支架的连接结构,消解应力集中现象.3.2.2 模态分析本文研究的数控机床属于高速加工中心,最高工作转速可达到12000r #m i n -1,为了包含这一转速下的频率,所求解的固有频率阶数要比一般数控机床多,因此本文设置求解前10阶固有频率.将10阶固有频率及振型描述列于表1,并绘制10阶固有频率柱状图如图5所示.表1 模型10阶固有频率及振型描述Tab .1 Na tura l frequencies and v ibra tion m odes described of ten orders阶数固有频率/H z 振型描述145.41整机沿x 轴摆动256.54整机由上到下向前倾摆动396.94主轴部分与其他部分向前摆动,但振动方向相反4105.89机床整体绕y 轴扭转5167.10机床立柱部分沿着x 轴相对摆动,主轴部分左右摆动,顶端摆动幅度大于刀具端6170.25与第5阶振型接近7193.93立柱同向摆动8200.87立柱同向摆动,主轴部分左右摆动,其摆动幅度由中部向两端扩大9224.99主轴部分的摆动,摆动幅度很大,由中部向两端扩大10243.03立柱部分的相对摆动,摆动幅度很大从前10阶固有频率的结果来看,除了第4阶和第5阶固有频率有超过50H z 的频率差值,其他临阶图5 机床前10阶固有频率柱状图F i g .5 H istogra m of ten orders nat ural f requ e n cies固有频率值相差较小,而且5,6阶固有频率值还很接近.从固有频率柱状图中可以看出,机床前10阶固有频率基本上呈均匀上升趋势,这就使机床确定工作转速时很难避开共振区域.从振型图上看,第1阶振动位移较小,第2阶和第3阶位移接近并且较大,第4阶振动位移小,第5)9阶振动位移都很大,并且第5阶振动位移是最大的,第10阶振动位移不大,但是机床机身发生变形的面积大.针对本文研究的数控加工中心,要获得更好的动态性能,机床的稳定加工工作频率最好确定在第4阶固有频率和第5阶固有频率之间.3.2.3 谐响应分析任何持续的周期载荷将在结构系统中产生持续的周期响应(谐响应).数控机床在实际加工过程中,切削力及其他激励力以动载荷的形式周期性作用于结构.模态分析可以得到4第1期关锡友,等:数控机床整机动力学性能可视化分析与仿真 整机振型和固有频率,但这仅表示机床各部位的相对振动情况,而外力激励下各阶振型对机床振动大小的作用是不同的,因此对整机进行谐响应分析就能更清楚地看出在动态干扰激励下机床结构的抗振性能.谐响应分析能预测系统结构的持续动力特性,能够验证设计能否成功克服共振、疲劳及其他受迫振动引起的有害效果.在A W B 中选择谐响应分析模块,设定模型的工作转速为6000~12000r #m in -1,机床的工作频率为100~200H z .设定扫频范围为67~233H z ,频率点步长为80.在机床主轴外圆柱表面,分别插入100,133,167,200H z 时机床主轴全变型以及x,y,z 三个方向上的变形结果.数控机床模型在x,y ,z 方向的位移响应幅频曲线分别如图6所示.图6 数控机床在x,y,z 方向位移响应幅频曲线Fig .6 Cu rve of d isplace m en t a m p litude -frequ e n cy response a l ong x,y and z d irection s on NC m achine通过观察整机位移响应曲线,综合机床主轴在主要工作频率的位移响应数据(如表2所示),可以看出,在133H z ,即机床主轴工作转速在8000r #m i n -1时,主轴最大最小全变形量差值只有0.012742mm,说明机床在该频率工作下,主轴振动最小,适宜工作,这与模态分析的结论相一致.表2 主轴工作频率下位移谐响应Tab .2 D is p lace m ent ha r m onic response of spind le at w ork i ng frequency频率/H z极值全位移/mm 方向位移/mm x y z 100最小值0.291042.4237-0.40292-0.38904最大值0.546424.5264@10-2-0.28196-5.8834@10-2133最小值 2.1682@10-2-1.0688@10-2-2.9206@10-2-1.9615@10-2最大值 3.4424@10-24.9704@10-3-2.0186@10-2-3.2276@10-5167最小值 3.8425@10-3-0.13447-3.2456@10-2-3.175@10-2最大值0.137376.9857@10-2 3.2656@10-25.2029@10-2200最小值1.8544@10-25.3694@10-3-2.0106@10-2-5.0366@10-2最大值0.145370.141882.2195@10-23.6097@10-24 结论数控机床整机动态性能分析是机床抗振性和稳定性研究的基础,将可视化设计方法引入机床的动态性能研究对提高机床抗振性以及加工稳定性有重要意义.本文从理论分析出发,针对数控机床整机动力学5中国工程机械学报第8卷6可视化展开研究,主要工作包括:(1)分析并归纳了数控机床整机抗振性能的影响因素,明确了固有特性是影响机床受迫振动的关键因素;在均衡各阶模态中的能量分布和阻尼分配的情况下,降低各阶模态柔度,增大各阶模态阻尼比,可以提高机床抵抗自激振动的能力.(2)将可视化设计方法与机床整机动态性能分析相结合,提出了机床整机动力学可视化设计流程图,包括目标,内容以及方法.(3)以沈阳机床集团的某数控加工中心为例,按照本文提出的动力学可视化设计流程,对整机进行了强度、模态及谐响应仿真研究,得出了整机应力集中位置和适宜的工作转速为8000r#m i n-1.证明了可视化设计方法和流程的有效性,为机床的整机设计提供依据.参考文献:[1]夏伯雄.数控机床的产生、发展及其趋势[J].精密制造与自动化,2008(1):6-7.X I A B oxi ong.Th e devel opm ent trend and generati on ofNC m ach i ne tool[J].Preci s i on M anu f act u ri ng and Auto m ation,2008(1):6-7.[2]孙伟,任朝晖,于涛,等.现代机械可视优化设计方法研究[J].东北大学学报:自然科学版,2007,28(3):385-388.SUN W e,i REN Zhaohu,i YU Tao,et a.l The opti m i zati on m et hod ofm odern m ach i n ery v i sual des i gn[J].Jou rnal ofNortheastern Un i versity:Na-t u ral Science,2007,28(3):385-388.[3]GAR I TAONANDI A I,FERNANDES M H,ALBIZ URI J.Dyna m icm odel of a centerl ess grindi ng m ach i n e based on an updated FE m odel[J].In-tern ati on al Journa l ofM ach i ne Tool s&M anu fact u re,2008,48(7):832-840.#下期部分文章摘要预报#遥操作机器人位置反馈型H]双向伺服控制系统研究赵丁选,韩成浩针对目前遥操作机器人双向伺服控制策略中存在的主、从手间位置跟随性差,以及抓取刚性物体时主手所受反馈力冲击过大等问题,提出了一种位置反馈型H]双向伺服控制算法.同时,采用状态观测器消除操纵杆液压系统动态特性差异及系统的阻尼、摩擦力、惯性阻力等干扰因素.搭建二自由度同构型主从摇操作系统试验台,并进行了现场试验.结果表明,所提出的位置反馈型H]双向伺服控制策略能有效地改善高刚性操纵杆力觉临场感和主从位置跟随性,并能很好地解决反馈力瞬间冲击问题,为力觉临场感遥操作机器人走向实用化提供了宝贵经验和关键技术.。

基于机床机械结构与性能优化的探析摘要数控机床是一种高精度、高效率的自动化机床，随着数控技术的发展，结合到它的控制方式、使用特点、机床的生产率、加工精度和寿命，对机床结构就有了更高的要求。

本文对机床机械结构与性能的优化进行了探析和研究。

关键词数控机床；加工精度；生产率；寿命中图分类号tg659 文献标识码a 文章编号1674-6708（2012）58-0034-02在数控机床发展的最初阶段，其机械结构与通用机床相比没有多大的变化，只是在自动变速、刀架和工作台自动转位及手柄操作等方面做些改变。

随着数控技术的发展，考虑到它的控制方式和使用特点，才对机床的生产率、加工精度和使用寿命提出了更高的要求。

1 提高机床静动刚度数控机床是按照数控编程或手动输入数据方式提供的指令自动进行加工的。

由于机械结构的几何精度与变形产生的定位误差在加工过程中不能人为地调整与补偿，所以，必须把各处机械结构部件产生的弹性变形控制在最小限度内，以保证所要求的加工精度与表面质量。

为了提高数控机床主轴的刚度，不但经常采用三支撑结构，而且选用钢性很好的双列短圆柱滚子轴承和角接触向心推力轴承铰接出相信忒力轴承，以减小主轴的径向和轴向变形。

为了提高机床大件的刚度，采用封闭界面的床身，并采用液力平衡减少移动部件因位置变动造成的机床变形。

为了提高机床各部件的接触刚度，增加机床的承载能力，采用刮研的方法增加单位面积上的接触点，并在结合面之间施加足够大的预加载荷，以增加接触面积。

这些措施都能有效地提高接触刚度。

为了充分发挥数控机床的高效加工能力，并能进行稳定切削，在保证静态刚度的前提下，还必须提高动态刚度。

常用的措施主要有提高系统的刚度、增加阻尼以及调整构件的自振频率等。

试验表明，提高阻尼系数是改善抗振性的有效方法。

钢板的焊接结构既可以增加静刚度、减轻结构重量，又可以增加构件本身的阻尼。

因此，近年来在数控机床上采用了钢板焊接结构的床身、立柱、横梁和工作台。

数控机床的仿真模拟技术研究数控机床的仿真模拟技术是现代制造业中的一项重要技术手段，它能够在实际加工之前通过计算机建模和仿真来模拟加工过程，对数控机床的设计优化、工艺预测、异常故障诊断等方面提供有效支持。

本文将对数控机床的仿真模拟技术进行研究和探讨。

一、数控机床仿真模拟技术的发展历程数控机床的仿真模拟技术起源于20世纪50年代，经过几十年的发展，已经取得了显著的进展。

最初的数控机床仿真模拟技术只能进行简单的几何仿真，随着计算机性能的不断提升和仿真软件的发展，数控机床的仿真模拟技术逐渐能够进行多物理场仿真和复杂的实时仿真，为数控机床的设计和加工提供了强有力的工具。

二、数控机床仿真模拟技术的应用领域1. 数控机床设计优化：通过仿真模拟技术，可以对数控机床的结构和机构进行优化设计，提高加工精度和效率。

2. 工艺预测与优化：通过仿真模拟技术，可以预测工艺中可能出现的问题，以便提前采取措施进行优化，减少加工中的误差和损失。

3. 刀具路径规划：通过仿真模拟技术，可以对刀具路径进行仿真，优化路径规划，避免切削冲击和振动，提高加工效果。

4. 异常故障诊断与维修：通过仿真模拟技术，可以对数控机床的运行状态进行实时监测和模拟，及时发现问题并进行诊断与维修，提高设备的可靠性和稳定性。

三、数控机床仿真模拟技术的关键技术1. 数控机床建模：通过建立数控机床的几何和物理模型，以便进行仿真分析和优化设计。

2. 运动仿真：通过仿真模拟技术，可以对数控机床的运动轨迹和动力学特性进行仿真，确保机床能够按照预期要求进行工作。

3. 材料仿真：通过仿真模拟技术，可以对材料的切削性能、热力学特性等进行仿真，以便预测加工过程中可能发生的问题。

4. 控制系统仿真：通过仿真模拟技术，可以对数控机床的控制系统进行仿真，以便预测和优化控制算法，确保控制系统能够稳定工作。

四、数控机床仿真模拟技术的挑战和发展趋势数控机床的仿真模拟技术虽然已经取得了一定的成果，但仍然面临着一些挑战。

数控机床可靠性技术的分析与研究一、概述随着制造业的快速发展，数控机床作为现代制造技术的核心设备，其可靠性对于保证生产过程的稳定性和产品质量具有至关重要的作用。

数控机床可靠性技术是指研究数控机床在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。

这一技术的提升不仅关乎到企业的生产效率，更是决定产品竞争力的关键因素。

近年来，随着新材料、新工艺和新技术的不断涌现，数控机床的复杂性和精度要求越来越高，其可靠性问题也日益凸显。

对数控机床可靠性技术的研究和分析变得尤为重要。

通过对数控机床可靠性技术的研究，可以深入了解机床的失效模式和机理，为机床的设计、制造、使用和维护提供科学依据，进而提升机床的可靠性水平，确保生产过程的顺利进行。

同时，数控机床可靠性技术的研究也是制造业持续创新和发展的必然要求。

在全球经济一体化和市场竞争日益激烈的背景下，提高数控机床的可靠性水平，不仅可以提升企业的核心竞争力，还可以推动整个制造业的转型升级，实现可持续发展。

数控机床可靠性技术的研究与分析具有重要的理论意义和实践价值。

本文将从数控机床的可靠性定义出发，探讨其可靠性分析的方法和技术，分析影响可靠性的主要因素，并提出提高数控机床可靠性的措施和建议，以期为我国制造业的发展提供有益的参考。

1. 数控机床在现代制造业中的重要性在现代制造业中，数控机床的重要性不言而喻。

作为制造业的核心设备之一，数控机床的精度、效率、稳定性以及可靠性等性能直接影响到产品的质量和生产效率。

随着全球制造业的快速发展，特别是在中国这样的制造业大国，数控机床的需求量与日俱增。

对于数控机床可靠性技术的深入分析和研究，不仅有助于提升我国制造业的整体竞争力，更对保障国家经济安全具有重要意义。

数控机床的高精度和高效率是现代制造业追求的核心目标。

在许多高精度、高复杂度的零部件制造过程中，如航空航天、汽车制造、模具制造等领域，数控机床的作用无可替代。

其高精度加工能力能够确保零部件的尺寸精度和表面质量，满足产品性能和使用寿命的要求。