基于能量平衡原理的机床动态性能研究

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基于SAMCEF平台的机床整机动态特性分析

基于SAMCEF平台的机床整机动态特性分析机床的动态性能决定了机床的加工能力。

为分析优化机床的动态特性，研发人员在SAMCEF平台下，建立了机床的动力学模型，对该模型进行模态分析，同时采用LMS设备对该机床进行模态测试。

对比发现有限元计算振型与实验基本一致，计算得到的固有频率与实验得到的频率误差在16%之内，验证了该模型的可靠性。

利用该有限元模型，把所有部件作为柔性体建立动力学模型，进行多体动力学分析，研究载荷作用下导向部件及结构部件的动态应力变化情况，分析结果为机床优化设计提供方向。

机床作为生产的重要工具和设备，也被称为工作母机，其动态性能与其加工性能紧密相关，并直接影响所加工零件的精度。

随着现代设计方法的广泛运用，对机床进行动态特性分析，用动态设计取代静态设计已成为机床设计发展的必然趋势。

在设计中，仅对机床部件进行动态分析无法全面反映机床的整体性能。

因此，要对机床性能进行准确的预测，必须对机床整机进行动力学分析。

伴随着计算机计算速度的飞速提升，有限元分析成为分析计算复杂结构的一种极为有效的数值计算方法，为机床整机的振动模态理论分析提供了有力的工具。

本文利用SAMCEF动力学仿真平台和模态实验相结合的方式，对机床进行有限元计算和模态实验分析，为新产品研发设计提供了参考。

一、模态分析的基本理论振动现象是机械结构经常需要面对的问题之一。

由于振动会造成结构的共振或疲劳，从而破坏结构，所以必须通过模态分析了解模型的各阶固有频率和振型，避免在实际工况中因共振因素造成结构的损坏。

模态分析可以用来确定模型或结构的振动特性，对复杂结构进行精确的模态分析，将为评价现有结构的动态特性，诊断及预报结构系统的故障，新产品动态性能的预估及优化设计提供科学的依据。

三、机床模态实验本次试验是与LMS公司中国区技术支持工程师共同合作完成，针对VMC0540d立式加工中心进行模态实验，确定该机床的结构动力学参数，如图4所示。

同时，此次试验采用了LMS提供的测试设备及相应的分析软件：LMS SC310前端、PCB 333B30单向加速度计、激振器及功率放大器（3台）以及LMS Test Lab 9B模态测试分析软件等。

基于能量平衡原理的机床结构动态优化

縉密an工廉检测技术I 2024年第3期Precision Machining and Testing Technology■基于能量平衡原理的机床结构动态优化刘江①王兆涛①阮业康②（①北京科技大学机械工程学院，北京100083；②中船重工武汉船用机械有限责任公司，湖北武汉430084）摘要:提出了一种基于能量平衡原理的机床结构动态优化的方法，通过提高机床部件能量分布的均匀性来提高机床动态性能。

以数控雕铳机龙门架的动态性能优化设计为例，对这一方法做了具体的阐述。

首先，利用有限元软件模态分析确定出部件危险模态的固有频率及振型;然后,根据能量分布确定出动能和势能集中的区域，再根据能量平衡原理对零件结构进行优化;最后，使用标准差对能量分布的均匀性进行评价,最终达到提高机床部件动态特性的目的。

关键词:动态特性;能量平衡;动能;势能;标准差中图分类号:TG502.31文献标识码:EDOI:10.19287/ki.1005-2402.2021.03.004Dynamic optimization of machine tool structure based on energy balanee principleLIU Jiang®,WANG Zhaotao①，RUAN Yekang®((DSchool of Mechanical Engineering,University o£Science and Technology Beijing,Beijing100083,CHN；②Wuhan Maring Machinery Plant Co.,Ltd.,Wuhan430084,CHN)Abstract:This paper presents a method of dynamic optimization of machine tool structure based on energy balance principle.The dynamic performance o£machine tool is improved by improving the uniformity of energydistribution of machine tool parts.Taking the dynamic perfonnance optimization design of gantry of CNCengraving and milling machine as an example,this method is expounded in detail.The paper firstly usesmodal analysis in finite element analysis software to find the dangerous modal,secondly identifies theconcentrated area of the kinetic energy and potential energy distribution,then optimizes the part structureon the principle of energy balance,finally evaluates the uniformity of energy distribution by standard deviation.The results prove that the dynamic performance of machine tool is improved by the better uniformity of energy distribution.Keywords:dynamic performance；energy balance；kinetic energy；potential energy；standard deviation高速加工机床作为现代车间柔性化生产的基本单元,不仅具有较高的生产效率和加工精度，还具备快速响应、快速移动的特点，因此,为其设计轻质量、低惯量及高刚性的部件就显得十分重要⑷。

50型装载机液压系统动态特性与热平衡研究

50型装载机液压系统动态特性与热平衡研究一、本文概述本研究论文针对50型装载机的液压系统进行了深入细致的动力学特性和热平衡分析。

随着现代工程机械向大型化、高效化发展，50型装载机作为广泛应用在各类土方作业中的关键设备，其液压系统的性能表现和稳定性直接影响着整体工作效率与使用寿命。

本文旨在揭示50型装载机液压系统在不同工况下的动态响应机制，以及在长时间连续工作时如何保持良好的热平衡状态，防止过热导致的系统性能下降乃至故障。

通过理论建模与实验验证相结合的方法，我们首先剖析了液压系统的流体动力学特性，包括压力波动、流量分配及执行元件动态响应等核心要素。

进一步，在全面考虑系统内部各组件间的能量转换过程基础上，构建了精确反映液压系统热力学行为的数学模型，并模拟分析了系统在典型负载循环下的热量产生与散发情况。

在研究过程中，本文特别关注了散热设计对液压系统热平衡的影响，并提出了一系列改进措施以优化系统热管理策略，力求实现50型装载机液压系统在高强度连续作业条件下的高效稳定运行和延长其使用寿命。

最终，研究成果不仅有助于提升该类型装载机的设计水平与使用效率，也为同类型工程机械的液压系统设计提供了有价值的参考依据。

二、50型装载机液压系统概述50型装载机作为一种常见的土方工程机械，其液压系统在整机性能中扮演着至关重要的角色。

本节将重点概述50型装载机液压系统的基本构成、工作原理及其在整机功能中的作用。

b. 液压泵：通常为变量柱塞泵，负责提供系统所需的高压油。

c. 控制阀：包括方向控制阀、压力控制阀和流量控制阀等，用于控制液压油的流向、压力和流量。

d. 执行元件：主要包括液压缸和液压马达，直接驱动装载机的动臂、铲斗等作业装置。

e. 辅助元件：包括油管、接头、油冷却器、滤清器等，用于支持系统的正常运作。

在50型装载机中，液压系统的工作原理基于帕斯卡定律。

液压泵将低压油转化为高压油，通过控制阀的调节，高压油被送至执行元件，从而驱动动臂、铲斗等装置的运动。

精密机床床身的动态特性分析与优化

ｈｍｃｉｂｄｔｎｔｅａｈｅｅ，ａｉｈｅｖｒｃｍｃｉｅｅ７０ｆｒｘｍｌＦｒ，ｅＥｎｋｇｔｅｉｔａａｈｅｃｎｒ５ｏｅａＰｅｉｔｔＦＭｌｎｔ．ｓｈｍｄｌｆｈｍｈｎｂｄｉｓｔＰｗｔｔｄｎｍｃｎｙｉｔｉｄｔｅｅＰｉｓｏｅｏｔａｉｅｅｓｅｅｃｕｉｓｙａｉａａｓｏｆｈｗａｏ．ｈｉｌｓｎｋｔｎ
ｑｌａｄｃｔｇｅｃｎｙＭａｈｅｍｈｉａａｉｔｓｓａｙａｓｓｄｂａｔｕｉｎｕｉｆｉｃｙｔｎｉｅ．ｃｉ，ａｉｎｐｂｌｙｉｕｕｌｓｓｙｎｓｃｎｇｃｉｌｅｅｈＰＰＰｅｓｎａｄｓｒｉｏｇｓａａｅｒｈｄｏｈｉｔ１０ｒｉｏｎｕｅｃｒｕｈｅｈｃｂｅｃｅｆｔｅｇｅｔｔｃｉＰｆａｉｌｎｓｔｎｔａｅｂｎｐｃｓｄａ．ｈｃｉｅｃｎｙｉｕｕｌｓｓｄｂｈｍｓｌｉｖｌｏｒｅｓＰｒＴｅｕｎｆｉｃｓｓａｙａｓｓｙｔｅｏｉｔａｅｆｏｅｔｔｇｉｅｌｅｅｔｍｕ
和汇编本学位论文。本学位论文属于
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２、不保密曰。
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（请在以上相应方框内打 “ 了勺作者签名：
亘疼库
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硕士学位论文
第１章
１１．课题的研究背景及意义
绪论

MKQ8312数控凸轮轴磨床动态性能分析及结构改进研究

MKQ8312数控凸轮轴磨床动态性能分析及结构改进研究作者：刘海晶来源：《科技创新导报》 2011年第17期刘海晶(广东省机械高级技工学校广东广州 510450)摘要:数控凸轮轴磨床作为汽车、摩托车等零部件的工作母机,要求具有合理的结构和动态性能。

MKQ8312数控凸轮轴磨床是专为汽车、摩托车、内燃机、发动机、油泵等生产厂家设计制造的专用设备,MKQ8312数控凸轮轴磨床动态性能分析及改进,对于新机床结构动态性能的改善、加工精度的提高、开发周期的缩短和开发成本的降低无疑是十分重要的。

关键词:数控凸轮轴磨床动态特性结构改进中图分类号:TG659 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)06(b)-0102-021 国内外数控凸轮轴磨床研制现状在各种金属切削机床中,磨床的NC、CNC化进展最慢,80年代初欧美及日本先后开发CNC控制的无靠模凸轮轴磨床,90年代初开始形成商品化。

国外较典型的机型有:德国Schaudt公司CF5型CNC磨床,Fortuna、Werke公司FN3CNC磨床,英国Butler Newall公司Camtronic型CNC 磨床,日本日平3LCNC磨床等等。

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如:西班牙的M.Zatarain用有限元方法对立柱移动式铣床进行模态分析;韩国科学技术高级学院JungDoSuh和DaiHilLee用有限元方法分析高速机;M.A.Elbestawi分析了高速铣削和磨削相结合的加工方法;Chi-Wei Lin等利用有限元模型与动态试验相结合的方法等。

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。

相比之下,国内数控凸轮轴磨床起步较晚,投入不足,因而发展较慢,但也取得了一些可喜的成绩。

如湖南大学国家高效磨削技术工程研究中心经过几十年艰苦努力,研制了一代比一代先进的凸轮轴磨床。

机床动态性能测试方法的研究

机床动态性能测试方法的研究孙孟琴;王洪臣【摘要】从工程的实际需要出发,对数控机床的振动测试的流程进行了探索,并以杭州机床某数控铣床为例,围绕机床整机振动测试实验,进行了详细的阐述与说明,并对实验数据进行了分析.【期刊名称】《长春工程学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(016)004【总页数】5页(P19-22,31)【关键词】数控机床;模态测试;数据分析;应用【作者】孙孟琴;王洪臣【作者单位】长春工程学院机电工程学院,长春130012;长春工程学院工程训练中心,长春130012【正文语种】中文【中图分类】TH113随着21世纪的到来，机床向着高转速、高切削效率、高精度与高生产质量发展，缩短生产周期，提高生产稳定性，以提高市场竞争力。

数控机床整机动态性能测试是机床抗振性及加工性能稳定性研究的基础，也是衡量机床性能好坏的重要标准。

本文从工程的实际需要出发，对杭州机床某数控铣床为例，围绕机床整机振动测试实验，对实验的内容、方法、数据分析研究等方面进行了探索[1-4]。

1)外界因素。

有产生振动源的外在设备等因素，使机床产生受迫振动。

2) 机床自身因素。

设计的薄弱环节，机床的自激振动、受迫振动和自由振动，使机床各接触面(工作台、底座、主轴箱、床鞍等)产生振动。

3) 加工工艺因素。

加工中切削三要素(切削速度、进给量与切削深度)选择不当、工件装夹不当、刀具选择不当等。

4)工件材料因素。

工作材质(材质不同材料的属性则会不同，如局部缺陷或硬度的变化等)所用加工工艺不适合。

动态性能测试主要解决两大类问题，一是对机床建立合理有效的模型，进行动态特性分析，达到优化设计的目的。

二是以模型为基础，如实反应机床的真实工况，分析机床加工的稳定性，对生产实践具有指导意义，并提高经济效益。

2.1 机床的动力学模型根据振动理论，对线性不变系统，系统的响应可表示为各阶模态响应的线组合，傅立叶变换后的动力学模型[5]可表示为，当系统只存在一点激励时，L点处的响应可表示为，则测量点L与激励点P间的频响函数可表示为，2.2 机床的加工稳定性模型，。

精密数控机床主轴系统热动态特性分析与研究

ＡｂｔａｔＴｈｒｉｌａｏｖｄｔｅｐｏｌｍｈｔｔｅｔｅｍａｅｏｍａｉｎｏｈｐｎｌｙｔｍｆｅｔｃｕａｙｏｓｒｃ：ｅａｔｅｈｓｓｌｅｈｒｂｅｔａｈｈｒｌｄｆｒｔｏｆｔｅｓｉｄｅｓｓｅａｆｃｓａｃｒｃｆｃ
振型叠加法利用结构的振型缩减和解耦运动方
程，对各个模态响应进行叠加，到一定外载荷时间得
较为明确，更便于利用系统较低的若干阶固有频率
・
９・２
《技术新工艺》・加工工艺技术与材料研究２１新热０１年第７期
Ｋ。选择时间步长 △ 和参数０形成系统有效的系，数矩阵：
一
＋Ｋ
ＣＮＣ，ｄｅｍｉｄｒｌｔｏｎｈｉｂｔｅｎｃｎｇｏｅｐｅａｕｒｎｄｈｅｔｒａｄｆｍａｉｎｆｔｓｉｅｓｔｍ，ｅｔｂｅｔｒｎｅｅａｉｓｐｅｗｅｈａｅｆｔｍｒｔｅａｔｈｅｍｌｅｏｒｔｏｏｈｅｐｎｄｌｙｓｅｓａ
精密数控机床主轴系统热动态特性分析与研究
汪红波，王建强
（浙江师范大学机电技术研究中心，江金华３１１）浙２０９
摘要：解决了因主轴热变形引起的数控机床加工精度下降的问题，立了精密数控机床主轴径向建和轴向动态热变形的计算机精细数值计算模型和主轴热误差动态预报理论模型，以期揭示温度变化对精密数控机床加工精度的影响机理，为精密数控机床综合误差补偿提供理论依据和技术支撑。本文采用理

机械优化设计论文

浅谈机械结构动态优化设计及其相关技术笑嘻嘻论文摘要:阐述了机械系统动态优化设计的概念、内容,介绍了机械系统动态优化设计相关技术。

分析说明了机械系统动态优化设计是一项涉及现代动态分析,计算机技术,产品结构动力学理论,设计方法学等众多科学领域的高新技术,能把问题解决在设计阶段、代价小、周期短,能满足机械设备动态特性要求,能够适应当前激烈的市场竞争的需要。

论文关键词:动态设计；动力学模型；有限元法；ANSYS软件前言随着高速切削技术的发展推动了各种数控机床的出现及迅速发展。

新颖的机械结构系统使现代数控机床比传统的数控机床的运动速度提高了5-10倍，与此相应它对动态性能的要求比传统机床提高了很多倍。

这就使得我国数控机床的水平与国际先进水平的差距更大。

主要表现在:可靠性差、应变能力差、产品开发周期长、设计手段落后等，并且业内人士意识到我国数控机床的薄弱环节已从数控系统转移到机械系统。

但传统的机床设计主要是经验设计和实验相结合，其步骤是:经验设计-样机试制--样机测试-改进设。

这种方法耗费大量的人力和财力，且周期长，效果差。

因此长期沿用的以经验设计为主的落后设计方法必须改变。

1 机械结构动态设计的发展传统的设计方法越来越难以满足市场的迅速变化，同时，很难综合考虑各方面的约束条件，得到的往往只是复杂问题的可行方案，而非最优方案，也难以很好的满足机械设备动态特性要求。

对产品进行动态优化设计，可以在很大程度上解决此类问题，其特点是把问题解决在设计阶段;其优点是代价较小，能够适应当前激烈的市场竞争的需要。

机械结构动态设计是一项涉及现代动态分析，计算机技术，产品结构动力学理论，设计方法学等众多科学领域的高新技术。

其基本思想是对按功能要求设计的结构图纸或要改进的机械结构进行动力学建模，并做动特性分析。

根据对其动特性的要求或预定的动态设计目标，进行结构修改，再设计和结构重分析，直到满足结构动特性的设计要求。

1.1 机械结构动态设计的内容关键机械结构动态设计的基本概念是对满足工作性能要求的产品初步设计图纸，或需要改进的产品结构进行动力学建模，作出动态特性分析。

超精密机床主轴在线动平衡装置研究现状

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超精密机床主轴在线动平衡装置研究现状
极坐标驱动方式，克服了已有的平衡头由于一般采用电机直接驱动两个平衡块转动而导致平衡头体积较大，过于笨重的缺点。实验表明，在 1213r/min 时，其不平衡量减少率均大于 85%。
直接供能型电磁在线动平衡头一般是指通过在线供能，由电磁力直接驱动不平衡质量而使主轴达到动平衡的装置。电磁型平衡头由于精度高，稳定性好等特点，成为了该领域的研究热点。 1999 年，美国学者 Dyer 等研制出的电磁力驱动平衡装置中含有配重质量的动环随转子旋转，工作时由固定在主轴法兰的静环提供电磁力驱动动环上的质量块旋转，从而改变平衡终端的质量分布。 2006 年，韩国亚洲大学的 Moon 等设计的电磁式平衡头主要由线圈、转子、永磁铁和轴承等组成的电磁式平衡头。不通电时，转子在永磁铁的作用下随主轴一起旋转，通以一个脉冲电压时，转子转动一个步距角。通过控制脉冲电压，可使两个偏心转子转动到适当位置，以校正主轴的不平衡量。实验表明，在主轴转速为 13200r/min 时，其不平衡峰峰值由 21.4μm 减小至 1.8μm。当转速增加至 14400r/min 时，其不平衡量峰峰值由 11.4μm 减小至 2μm。 2011 年，梅雪松等提出一种基于压电驱动原理的动平衡装置，通过无线感应变压器驱动压电陶瓷片产生面内驻波振动，进而驱使安装有配重质量块的可动环旋转，以改变主轴转子质心。该方法具有自锁功能，调整精度较高，适合高速高精度转子平衡，但稳定性较差。 2012 年，马石磊等设计了一种基于静磁场的电磁式动平衡装置，经仿真优化后，实现了转子的动平衡，经试验，其振幅下降了 80%左右。 2013 年樊红卫等研制了磁力配重型在线自动平衡头，如图 2 所示。该平衡头由定子和转子两部分组成。工作时，环形线圈通电产生磁场，使磁性盘与永磁体通过“同性相斥、异性相吸”相互作用，进而推动配重盘转动。 2.3.3 间接供能型在线动平衡

机床结构动态性能研究综述-刘康康-2015-4-22

机床结构动态性能研究综述刘康康（北京信息科技大学机电工程学院，北京100192）摘要--阐述了机床结构动态性能的研究现状及范围，从整机动态性能、关键部件动态性能，以及结合部动态性能三个方面进行论述分析给出具体实例，并给出了进一步研究的建议。

关键词:整机动态性能；关键部件动态性能；结合部动态性能Abstract--This paper expounds the present situation of the study on dynamic performance of machine tool structure and the scope, key components from the machine dynamic performance, dynamic performance, dynamic performance and the integration of three aspects discusses analysis of specific examples, and gives Suggestions for further research.Key words The machine dynamic performance The dynamic performance of key parts Integration of dynamic performance0引言社会生产中数控机床的使用范围越来越广，生产对机床的要求也越来越高，除了要求机床重量轻、成本低、使用方便和具有良好的工艺可靠性外，还要求机床具有良好的加工性能。

事实证明，随着机床加工性能的不断提高，对机床结构动态性能的要求也随之增加。

本文在对机床结构动态性能进行研究时，将机床结构动态性能定义为机床整体或者机床某子结构在动态力作用下所表现出的性能，包括模态、阻尼和动刚(柔)度等。

经过大量的文献调研，围绕机床结构动态性能的相关研究，并在分析与总结的基础上进行归纳，同时提出进一步研究的建议。

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