光机结构动态刚度设计

精密机床的静态与动态刚度分析引言：精密机床是现代制造业中不可或缺的重要设备。

为了确保精密机床的高精度加工能力，静态和动态刚度的分析是十分重要的。

本文将深入探讨精密机床的静态与动态刚度分析，旨在帮助读者更好地理解该领域的知识。

一、静态刚度分析静态刚度是机械系统在受到外力作用时不发生形变的能力。

它是保证精密机床加工精度的关键因素之一。

在进行静态刚度分析时，需要考虑以下几个方面：1. 结构设计：精密机床的结构设计对其静态刚度具有重要影响。

合理的结构设计可以有效地提高机床的刚度，减少振动和形变。

例如，在起重部分采用合适的材料、减小悬臂长度、增加副压面等都可以提高机床的静态刚度。

2. 机床基座的刚度：机床基座是机床的支撑平台，其刚度直接影响机床的运行稳定性。

通过加固机床基座，可以提高机床整体的静态刚度。

例如，在机床基座上铺设高刚度的材料，增加基座的厚度等都是提高机床静态刚度的有效方法。

3. 主要构件的刚度：机床的主要构件如床身、滑架等的刚度也是影响静态刚度的重要因素。

合理选择和加工这些构件的材料、采用适当的固定方法等都可以提高机床的刚度。

二、动态刚度分析动态刚度是机床在运动状态下的刚度特性，主要用于分析机床加工过程中的振动特性。

在进行动态刚度分析时，需要考虑以下几个方面：1. 特征频率分析：机床的结构和构件都有一定的频率响应。

找出机床的特征频率并进行分析，可以帮助识别和解决振动问题。

例如，采用频谱分析方法可以确定机床加工时的共振频率，从而避免加工过程中的振动影响。

2. 振动模态分析：振动模态分析是确定机床在特定频率下的振动模态形式和振动模态参数的方法。

通过分析机床的振动模态，可以了解机床振动的特点和影响机床刚度的因素。

例如，可以通过振型分析确定机床的关键模态，并进行针对性的刚度改进。

3. 结构阻尼分析：结构阻尼是机床动态刚度的重要组成部分。

合理的结构阻尼设计可以降低机床振动的幅度和频率，提高机床的动态刚度。

机械结构设计中的刚度计算与控制在机械设计过程中，刚度的计算与控制是非常重要的一个环节。

刚度是指某个物体在受到外力作用时变形的抗拒能力，也可以理解为材料抗挠度的程度。

如果机械结构的刚度不足，容易导致机械失衡，从而影响机械的正常使用。

因此，对于机械设计人员来说，刚度的计算与控制是必须掌握的技能之一。

第一部分：刚度计算1.1 按材料种类划分首先，在计算刚度时，需要根据材料种类进行分类。

常用的材料有金属、塑料、纤维等。

金属结构常用的材料有铁、钢、铝等。

塑料结构常用的材料有聚氨酯、ABS等。

纤维结构常用的材料有碳纤维、玻璃纤维等。

不同材料的刚度计算方法是不同的。

对于金属结构来说，刚度的计算一般采用杨氏模量进行计算。

对于塑料和纤维结构来说，由于其材料本身具有较高的弹性模量，所以在计算刚度时需要考虑其瞬时变形和渐进变形。

1.2 基本计算公式接下来是刚度的具体计算过程。

刚度的计算需要考虑多个因素，如外拉力大小、结构形状、材料等。

总的来说，刚度计算公式可以分为如下几类：拉伸刚度公式：K=FL/ δ，其中K为刚度，F为拉力，L为拉伸长度，δ为拉伸变形。

弹性变形公式：δ=F*L/EA，其中E为弹性模量，A为横截面积。

弯曲刚度公式：K=FL3/3EI，其中E为弹性模量，F为弯矩，L为跨度，I为惯性矩。

1.3 刚度的影响因素刚度的大小不仅取决于材料的性质，还与结构形状有关。

在机械结构设计中，为了提高刚度，常常采用以下方法：增加结构截面积：由于刚度与结构截面积的平方成正比，因此可以通过增加截面积来提高刚度。

加大连接部件的尺寸：通过加大连接部件的尺寸来提高刚度。

改变结构形状：根据结构的自然形状进行优化，使得结构更加刚固。

第二部分：刚度控制2.1 刚度控制的必要性在机械结构设计中，刚度控制是非常重要的一环。

刚度不足容易导致机械失衡，甚至可能造成机器的瘫痪。

因此，在设计机械结构时，需要进行严格的刚度控制，确保结构的刚度达到所需标准。

第7卷　第6期光学　精密工程V o l.7,N o.6 1999年12月O PT I CS AND PR EC IS I ON EN G I N EER I N G D ecem ber,1999文章编号　10042924X(1999)0620023207CAE技术在空间相机光机结构设计中的应用牛晓明(中国科学院长春光学精密机械研究所 长春130022)摘　要　CA E技术在空间相机光机结构设计中发挥着不可替代的作用,主要表现为在光学元件的轻量化设计、形状的优化设计、材料的优化选择,进行光学元件支撑结构的灵敏度分析、优化设计、轻量化设计,整机结构形式的优化选择及结构强度、刚度分析等方面对设计起着决定性的指导作用,是现代设计方法中最重要的手段之一。

关键词　CA E　空间相机　结构刚度中图分类号　T P391.7,TB852.1 文献标识码　A1　引 言 空间光学仪器作为一种高科技的精密仪器,从光机结构设计来说,不同于其它仪器的地方在于对结构的比刚度要求很高,即要求结构具有较高的刚度,同时重量要轻,这对设计者来说是一个严峻的课题,要完成这一任务,靠设计者的经验进行设计无法办到,采用实验的方法必然大大增加研制成本、延长研制周期,在日益激烈的市场竞争中是不可取的。

利用计算机辅助工程分析技术(CA E),以构造相机的虚拟样机为基础,进行全方位深层次的仿真分析,使传统的设计手段发生了一场革命[1],在产品的研制设计中显示了巨大的优越性。

随着计算机硬件软件技术的飞速发展,进行大规模和超大规模有限元分析计算已经成为可能,这使得利用CA E 技术对复杂结构的分析更加快速、准确,而且随着CA E技术的不断发展和工程需要,它的应用已经不仅仅局限于产品设计后期的简单校核,而是从一开始就渗透到设计中去并且贯穿于设计过程的始终,指导设计[2],尤其对于空间光学仪器来说,为了确保相机不仅在空间环境状态下能正常工作,保持足够准确度,而且在发射运载过程中不破坏,不产生残余变形,要求相机结构具有足够的刚度和强度[3];同时,相机在空间恶劣环境下应具有良好的尺寸稳定性[4],以保证视轴(LO S)及镜面的变化(W FE)在许用范围之内。

第35卷，增到V b l．35S uppl c m ent红外与激光工程I n疔a陀d柚d Las er E n gi n∞r i n g20016年l O月O ct．2006空间光学遥感器光机系统热稳定性模糊优化设计吴清彬，查健，赵强(中国航天科工集团第三研究院，北京100074)摘要：针对空问光学遥感器光机系统结构优化设计的传统方法的缺陷，提出了遥感器光机系统结构热稳定性优化设计的理论，该理论以提高结构的热稳定性和轻量化程度作为优化目标，以结构的强度、动态刚度以及系统总成像质量损失作为约束条件，对光机系统结构布局、形状与具体尺寸参数以及光机系统的公差分配进行优化设计；研究了光机系统热稳定性的评价方法，提出以光学元件的热致面形误差比例系数和系统整体的热致位置误差比例系数作为评价参数，通过这两个参数，将光机系统对各类热载荷的承受能力与热稳定性概念直观的联系起来，有利于结构设计与热设计的交流；给出了光机系统热稳定性优化设计的经典数学模型，并提出了应用模糊优化的理论与方法来解决该经典数学模型中存在的多目标性和约束条件的不确定性，最后给出了光机系统热稳定，}生没计的模糊数学模型及尜解方法。

关键词：光学遥感器；热稳定性；模糊优化中图分类号：V423．42文献标识码：A文章编号：1007．2276(2006)增B．O001．07T her m al st abi l i t y f uzz y opt i m i zat i on des i gn of opt o-m ec hani c als ys t em of s pac e r em ot e opt i c al s e n s orW U Q i ng-bi n，Z H A J i a n，Z H A O Q i al l g(Th c3r dA cad咖e，C hi naA盯osp8ce Sci ence and l ndus仃yC orpom t i o n，B e西i ngl∞们3，chi尬)A bs t r act：A如zzy opt i戚zat ion des i gn m e t hod f or t hen nal st abi l匆of0pt o-m echani cal s ys t em of t he s pac e r em o t e opt i ca l sensor(SR O S)i s i n哆oduced i n t hi s papeLB y a na l yz i ng t he pr o cedu r e and cou pl i ng of st r uct ur al and m e m al des咖，a0pt i m i z at i on m odel is es t a bl i s he d as f ol l ow s：t he obj ect f unc t i on of t he opti I l lal desi gl l i s def i ned as t he s ur f．ace er r or r at i o coef!Ei ci ent of opt i ca l pa r t s and t he posi t i on er r or m t i o coe伍ci ent of t he w hol e s ys t em deduced by t hennal l oads r e spe ct i V e l y；t he des i gn V a ri abl e s i nc l uded t he s hape and di m en s i on par am et ers and t ol e ra nc e di s t订but i o n of t he opt m ec ha ni ca l s yst e m；c onst ra i nt c ondi t i on coV er ed t he s t m ct ure s仃engt h，t he dynam i c st i f m es s and t he10s s of m e i m ag i ng qual i哆of t he s ys t em．B ecaus e of t he m ul t i pl e obj e ct i V e s and tl l e unc er t a i nt y of t he cons打ai nt condi t i ons，t heC ons仃a i nt1eVel sol ut i on m e t hod of t11e f hzzy opt i m al pr obl em w er e em p l oy ed t o s01ve‘、abo V e opt i m al pr obl em．K ey w or d s：Space r om ot c opt i cal s ens or；The册a1st abi l时；Fuzzy0pnm i zat i on收稿日期；2006．08．24作者简介；吴清彬(1974．)，男，山东临沂人，高级工程师，主要从事航天器结构设计研究工作．2红外与激光工程：工程光学系统设计与制造技术第35卷0引言空间光学遥感器作为一种精密航天光学仪器，是多种学科领域尖端技术的结晶，其结构设计工作复杂，指标要求高，仅依靠传统结构设计理论和方法不但很难实现设计结果的最优化，而且设计周期长，成本巨大。

机械结构动态刚度与稳定性分析随着科技的发展，机械结构在各个领域中扮演着重要的角色。

机械结构的动态刚度和稳定性是评估其性能和可靠性的重要指标。

本文将讨论机械结构动态刚度与稳定性的分析方法和影响因素。

动态刚度是指在动态载荷下机械结构的刚度特性。

与静态刚度不同，动态刚度涉及结构在频率范围内的响应。

在机械系统中，动态载荷可以是周期性的或随机的，例如机器振动、冲击载荷等。

动态刚度的分析通常需要进行有限元分析或频率响应分析。

通过模拟和分析，可以了解结构在动态载荷下的振动方式和响应特性。

一种常用的动态刚度分析方法是有限元法。

有限元法将结构划分为有限个子结构单元，并通过求解线性方程组来获得结构的响应。

该方法可以准确地预测结构的振动频率、模态形状和动态刚度。

此外，有限元法还可以通过改变结构的几何形状或材料参数来优化结构的动态刚度。

除了有限元法外，还存在其他动态刚度分析方法，如振动试验法和模态分析法。

振动试验法通过在实验室中施加控制的振动载荷，并通过测量结构的响应来确定其动态刚度。

模态分析法则通过求解结构的固有频率和振型来估计其动态刚度。

这些方法在不同的应用领域中都有其独特的优势和适用性。

稳定性是指结构在受到外部扰动后保持平衡的能力。

机械结构在受到动态载荷时，可能出现振荡、共振或失稳等问题。

稳定性的分析可以通过线性稳定性分析或非线性稳定性分析进行。

线性稳定性分析是一种简化的方法，它假设结构的响应是线性的。

通过计算结构的临界载荷或临界速度，可以确定结构的稳定性。

然而，在实际应用中，往往需要考虑非线性效应，例如结构的非线性材料特性或几何非线性。

这时，需要采用非线性稳定性分析方法。

非线性稳定性分析通常采用数值求解或试验方法。

数值求解方法如有限元法可以模拟结构的非线性特性，例如张量应力、多重边界条件等。

试验方法则通过在实验室中施加不同的载荷，并观察结构的响应来评估结构的稳定性。

机械结构的刚度和稳定性受到多种因素的影响。

例如，结构的几何形状、材料特性、支撑条件和载荷类型都会对结构的刚度和稳定性产生影响。

机械结构的静态与动态刚度分析机械结构是由各种零部件组成的复杂系统，它承受着各种载荷和运动引起的力和变形。

在设计和优化机械结构时，静态和动态刚度分析是非常重要的工作。

本文将探讨机械结构的静态与动态刚度分析的基本概念和方法。

静态刚度分析是指在结构在静止状态下受到外力作用时的应力和变形的分析。

在实际工程中，我们通常关注结构的极限静态刚度，即结构在极限载荷下的最大应力和变形。

静态刚度分析可以通过有限元分析、解析方法以及试验等手段来进行。

有限元分析是一种常用的静态刚度分析方法。

它将结构离散成许多小单元，通过数值计算的方式求解结构的应力和变形。

有限元分析方法具有较高的精度和计算效率，可以用于复杂结构的分析和优化设计。

在有限元分析中，我们需要根据结构的几何形状和边界条件建立有限元模型，然后利用数学方程和力平衡定律求解结构的应力和变形。

解析方法是另一种常用的静态刚度分析方法。

它通过解析求解结构的应力和变形，适用于简单结构和简单载荷情况下的分析。

解析方法可以用于结构的初步设计和快速评估，但在复杂结构和非线性问题的分析中效果不佳。

试验是验证和验证静态刚度分析结果的关键手段。

在试验中，我们可以通过加载装置施加外力，并利用传感器测量结构的应力和变形。

试验可以考虑结构的材料非线性和几何非线性等因素，提供准确的静态刚度分析结果。

动态刚度分析是指结构在运动状态下受到外力时的应力和变形的分析。

在实际工程中，我们通常关注结构的共振频率和振型。

动态刚度分析可以通过模态分析和频响函数法等方法来进行。

模态分析是一种常用的动态刚度分析方法。

它通过求解结构的振动方程，得到结构的共振频率和振型。

在模态分析中，我们需要建立结构的数学模型，并求解特征值问题来获得结构的振动特性。

频响函数法是另一种常用的动态刚度分析方法。

它通过对结构施加调谐频率外力，并测量结构的响应，得到结构的频响函数。

频响函数可以用于评估结构在不同频率下的应力和变形。

总而言之，静态与动态刚度分析是机械结构设计与优化的重要环节。

机械结构动态刚度计算与分析机械结构是现代制造业中最为重要的组成部分之一，其中刚度是关键因素之一。

因此，了解机械结构的动态刚度计算和分析对于机械工程师来说非常重要。

在本文中，我们将阐述什么是机械结构动态刚度以及如何计算和分析它。

什么是机械结构动态刚度？机械结构的刚度是指结构在受到外部力的作用下发生形变的能力。

同样重要的是，刚度也涉及到结构在发生形变的情况下如何消耗受到的力。

机械结构动态刚度则是指在结构承受周期性负载或振动时结构的刚度。

这通常会影响结构在使用中的性能和寿命。

计算机械结构动态刚度的方法计算机械结构动态刚度的方法不同于计算其静态刚度。

这是因为当结构受到动态载荷时，力和位移响应也会发生周期性变化。

因此，计算动态刚度需要考虑这些变化。

首先，我们需要计算结构的刚度矩阵。

这可以通过使用有限元分析（FEA）来完成。

FEA计算机械结构的刚度所使用的方法与计算其静态刚度时所用的方法相同，只是需要用动态载荷替换静态载荷。

一旦我们计算出结构的刚度矩阵，我们就可以使用其位移响应计算结构的动态刚度。

在动态载荷存在的情况下，结构会振动，而位移响应会发生变化。

通过观察最大位移响应和载荷的比例，我们可以计算结构的动态刚度。

这些变化可以使用动态刚度变量来衡量。

分析机械结构动态刚度的影响因素了解影响机械结构动态刚度的因素是至关重要的。

理解这些因素可以帮助我们更好地设计和优化机械结构。

载荷频率是影响机械结构动态刚度的重要因素。

如果载荷频率过高，结构就会产生类似弹簧来回振动的效果，导致结构的刚度变得更柔软。

相反，如果载荷频率太低，结构将变得过于僵硬，难以发挥其最佳性能。

另一个影响机械结构动态刚度的因素是结构的材料及其缺陷。

结构材料的不均匀性和缺陷可能会引起结构频率的变化。

温度变化也可能会影响机械结构的动态刚度。

温度变化可能会导致结构尺寸发生变化，从而对结构的动态刚度产生影响。

因此，工程师必须考虑温度变化对结构的影响，并采取相应的措施。

多光谱相机高稳定性光机结构设计技术蔡伟军;范斌;张凤芹;李庆林;魏鑫【摘要】According to the inner orientation elements and imaging quality requirements of mapping application to multi-spectral camera and combined with off-axis TMA system,High opto-mechanical stability design is introduced in this paper. Zerodurglass and Inva steel are widely used in the camera,because their low and tailorable thermal expansion coefficient （CET） can reduce the thermal sensitivity of the mirrors. By using four- point spherical hinge in reflector supporting structure,the stress in reflector assembling is eliminated,which ensures the stability of optical surface.An unloading structure based on the principle of flexible hinge is used for connection between the camera and the satellite. The structure reduce the deformation of camera structure caused by the change of thermal environment. Finally,the stability of the camera was validated by analysis and environment tests.%文章针对测绘应用对多光谱相机设计的技术要求,从影响相机内方位元素和在轨成像品质因素出发,结合三反离轴相机的特点,重点分析多光谱相机高稳定性设计（力学和热）。

12m激光滚珠丝杠(副)动态行程测量仪的研制焦洁;肖正义【摘要】介绍了12 m激光滚珠丝杠副动态行程测量仪的设计方案、关键技术及工艺.【期刊名称】《制造技术与机床》【年(卷),期】2013(000)005【总页数】6页(P72-77)【关键词】大型精密量仪;滚珠丝杠副;行程误差;激光;动态测量;制造技术【作者】焦洁;肖正义【作者单位】北京机床所精密机电有限公司,北京100102;北京工研精机股份有限公司,北京101312【正文语种】中文【中图分类】U212.24+6随着大型、重型、高效、精密及复合的高档数控机床的发展，与其配套的关键功能部件——滚珠丝杠副的需求量逐年上升。

现阶段，大型、重型滚珠丝杠副主要由国外生产厂家垄断，对我国国民经济长期发展非常不利。

国内有规模的丝杠生产厂家都瞄准了大型、重型丝杠的市场，纷纷斥巨资上马8 m以上滚珠丝杠副的加工及配套设备，去争取这一市场中的巨大经济效益。

随着大型滚珠丝杠副的需求量的增加，对其质量要求也越来越高，其中滚珠丝杠（副）的行程误差是衡量其精度的主要指标。

然而，国内8 m以上的大型滚珠丝杠（副）行程测量仪还是空白，国外也没有此类商品出售。

国家在2009年科技重大专项“高档数控机床与基础制造装备”中立项研制高精度大型螺纹加工设备和与之配套的检测设备。

我公司负责的“12 m激光滚珠丝杠（副）行程测量仪研制及测试技术研究”项目是安阳鑫盛机床股份有限公司承担的重大专项“12 m螺纹磨床及9 m旋风铣床”的子课题，是与项目配套的非常关键的检测设备。

在大型测量仪研制的同时，开展测量方法与测量技术研究，制定大型丝杠的精度验收标准，制定丝杠测量仪检定规程。

本文重点介绍“12 m激光滚珠丝杠（副）行程测量仪”的总体方案及其关键技术。

1 主要技术指标与总体方案12 m测量仪的主要技术指标见表1。

表1 主要技术指标被测滚珠丝杠最大长度/mm 12 500单测丝杠时，丝杠的大径范围/mm φ规格参数50～220综合测量时，螺母法兰盘外径范围/mm φ110～305被测滚珠丝杠（副）导程（螺距）范围/mm 5～60实际平均行程偏差 eoa或esa有效行程内行程变动量 Vua 测量项目任意300 mm行程内行程变动量 V300a 任意2π弧度内行程变动量V2πa测量精度被测滚珠丝杠精度（GB/T17587.3－1998） P1－P3级图1为测量仪主机整体布局。