切削载荷下机床主轴的振动响应分析_万海波

浅析机床的振动及防治内容摘要：摘要机床振动的原因及类型，振动对加工零件的精度及粗糙度的影响，以及消除机床振动的各种方法。

关键词自激振动；受迫振动；系统刚性；颤振机床工作时产生的振动，不仅会影响机床的动态精度和被加工零件的质量，而且还要降低生产效率和刀具的耐用度，振动剧烈时甚至会降低机床的使用性能，伴随振动所发出的噪音会影响机床工人的健康。

随着我国机床工业的飞速发展，机床的振动问题也就更加引起人们的重视。

一般的说，机床工作时所产生的振动基本上有两大类：1）受迫振动；2）自激振动。

例如在车床、铣床和磨床上，经常见到回转主轴系统的受迫振动，其频率取决于回转主轴系统的转速（在铣削时还与铣刀的齿数有关）。

在机床上发生的自激振动类型较多，例如有回转主轴（或与工件、或与刀具联系）系统的扭转或弯曲自激振动；机床床身、立柱、横梁等支撑件的弯曲或扭摆自激振动；还有工作台等移动部件在低速运行时所发生的张弛摩擦自激振动（通称爬行）等等。

通常把金属切削过程中表现为刀具与工件之间强烈的相对振动的这种自激振动称为“颤振”。

机床工作时发生振动是常见的。

机床振动不仅歪曲了工件的几何形状和尺寸，而且还将在已加工表面上留下振纹，降低了精度和表面光洁度，加剧了金属表面层的冷硬情况，振动时刀具的耐用度也将急剧下降，甚至导致刀刃的崩坏，这个问题对于性质较脆的硬质合金刀具和陶瓷刀具来说尤为严重。

机床发生振动后，往往迫使操作工人降低切削用量，因而限制了机床的生产率。

此外，在机床自动线中，只要有一台机床发生振动而被迫暂停运转，就会破坏生产的节律，引起生产过程的混乱。

可见机床振动是必须引起注意的一个重要问题。

随着科学技术的飞跃发展，对机床零件的制造精度和表面质量提出了更高的要求，从而使机床振动问题的研究成为研制、生产和使用机床等部门必须面对的重大课题，研究机床振动的目的在于探究机床振动的原因，谋求防止和消除机床振动的方法，以研制抗振性更佳的机床。

第35卷第1期2020年2月北京信息科技大学学报Journal of Beijing Information Science ＆Technology UniversityVol．35No．1Feb．2020文章编号:1674－6864(2020)01－0078－04DOI :10.16508/j．cnki．11－5866/n．2020.01.015基于Qt 和Matlab 的数控机床主轴振动监测系统设计范文超(北京信息科技大学机电工程学院，北京100192)摘要:针对数控机床主轴振动信号，在Windows 平台下运用Qt 和Matlab 设计了信号监测系统。

采用JM5842无线振动传感器在不干扰机床工作的条件下实现振动信号采集，使用连续小波变换方法分析选取的振动信号数据，最后进行了实验验证。

结果表明，系统能够在主轴振动信号中解调出不同工况下的主轴信息，完成主轴振动信号的时频分析，从而实现了机床关键部件主轴的振动信号监测，为进一步实现数控机床健康状态的监测提供技术支持，具有一定的工程应用价值。

关键词:Qt ;Matlab ;连续小波变换;数控机床主轴中图分类号:TB 53/TH 86文献标志码:A Vibration monitoring system design of CNC machine tool spindlebased on the Qt and MatlabFAN Wenchao(Mechanical Electrical Engineering School ，Beijing Information Science ＆Technology University ，Beijing 100192，China )Abstract :In this paper ，the vibration signals of computer numerical control machine tool spindle are monitored by designing with the Qt and Matlab on the Windows platform．The JM5842wireless vibration sensor is used to realize vibration signal acquisition without interfering with the machine tool．The method of continuous wavelet transform is adopted to analyze the selected vibration signal data．Finally ，the experimental verification is carried out．The results indicate that the system can demodulate the spindle information in the spindle vibration signal under different working conditions ，analyze the time-frequency of the spindle vibration signals ，and realize the monitoring of the vibration signals of the key components of machine tool ，which provides technical support for the monitoring of computer numerical control machine ，and has a certain engineering application value．Keywords :Qt ;Matlab ;continuous wavelet transform ;CNC machine tool spindle收稿日期:2019-09-10第一作者简介:范文超，男，硕士研究生。

金属切削中的刀具动态负荷分析与振动控制随着制造业的发展和技术的进步，金属切削已成为现代加工工艺中不可或缺的环节。

金属材料的切削加工过程中，刀具承受着巨大的动态负荷，而这些负荷会导致刀具的振动，进而影响加工的精度和表面质量。

因此，对金属切削中刀具的动态负荷进行分析和振动控制具有重要意义。

刀具动态负荷分析主要通过建立数学模型来描述切削过程中的力学性能。

一般来说，刀具动态负荷分析需要考虑以下几个方面的因素：首先是切削力的分析。

切削力是指在切削过程中刀具受到的力的大小和方向。

切削力主要由切削阻力和切削热导致的材料变形引起的应力引起。

通过分析切削力的分布和变化规律，可以评估刀具的负荷程度，从而为刀具的设计和选择提供科学依据。

其次是动态特性的分析。

刀具的动态特性是指刀具在受力作用下振动的频率和振幅。

刀具的振动对加工过程和加工结果具有重要影响，因此需要进行动态特性的分析。

常用的分析方法包括有限元分析和模态分析等。

通过这些分析方法，可以得到刀具的振动模态及其频率等关键参数，为后续的振动控制提供依据。

最后是振动控制的方法。

根据刀具的动态特性分析结果，可以采取一系列的振动控制措施来减小刀具的振动。

常见的振动控制方法包括动平衡、刚性支撑和减振器等。

动平衡是指通过增加或减少刀具上的质量分布，使刀具的振动幅值减小。

刚性支撑是指在切削过程中给予刀具充分的支撑，使其振动减小。

减振器是一种通过阻尼材料或装置来减小振动幅值的方法。

通过采取这些振动控制方法，可以有效地降低刀具的振动，提高加工质量和效率。

在金属切削中的刀具动态负荷分析与振动控制中，还需要考虑到刀具和材料之间的磨损和热变形等因素。

刀具的磨损会导致切削力的变化，进而影响刀具的动态负荷和振动。

而材料的热变形会引起刀具的振动，甚至导致刀具的断裂。

因此，在分析和控制刀具的动态负荷时，还需要考虑到这些因素的影响，并采取相应的措施进行修正和优化。

总之，金属切削中的刀具动态负荷分析与振动控制是一项重要的技术研究领域。

金属切削过程中的振动与共振现象分析摘要：金属切削过程中的振动与共振现象对切削效果和加工精度有着重要影响。

本文通过分析金属切削中的振动与共振现象，探讨了造成振动和共振的原因，以及采取的一些控制措施。

通过合理的切削参数选择、工具结构设计和切削工艺优化等措施，可以降低振动和共振现象，提高金属切削加工的质量和效率。

1. 引言金属切削作为现代制造业中常用的一种加工方法，广泛应用于机械、汽车、航空等领域。

然而，在金属切削过程中经常会遇到振动和共振现象，导致切削效果和加工精度下降，甚至带来安全隐患。

因此，研究金属切削中的振动与共振现象是提高切削质量和效率的重要问题。

2. 振动与共振现象的原因2.1 切削力激振金属切削过程中，切削力是主要的激振源。

当切削力在切削过程中频繁变化时，容易引起工件和刀具系统的振动。

切削力的大小和方向都会对振动引起的频率、振幅和相位角等产生影响。

2.2 切削系统的刚度和阻尼切削系统的刚度和阻尼是影响振动和共振现象的重要因素。

刚度过低会导致切削系统产生过大的挠度和变形，从而引起振动和共振。

而刚度过高会导致共振频率过高，难以找到合适的激振频率，也容易引起振动和共振。

阻尼过低则不利于振动的消除，阻尼过高则会降低系统的灵敏度。

3. 振动与共振的影响3.1 切削质量与效率下降金属切削中的振动和共振现象会导致加工表面粗糙度增加、刀具寿命缩短、加工精度降低等问题，从而影响切削质量和工件的功能性能。

同时，振动和共振还会降低切削效率，增加切削成本。

3.2 安全隐患振动和共振现象引起的高频振动会对切削系统和机械结构产生巨大的冲击和振动载荷，不仅会导致设备破坏，还可能造成安全事故。

因此，控制振动和共振现象也是确保切削操作安全的重要措施。

4. 振动与共振的控制策略4.1 合理选择切削参数合理选择切削参数是控制金属切削过程中振动和共振现象的关键。

通过调整进给速度、切削深度和切削速度等参数，可以控制切削力的大小和方向，从而减小振动和共振的产生。

《考虑主轴-刀柄结合面特性的机器人铣削系统刀尖频响预测研究》篇一一、引言随着工业自动化和智能制造的快速发展，机器人铣削系统在机械加工领域扮演着越来越重要的角色。

精确地预测铣削过程中的刀尖频响特性对于优化加工效率、提升产品质量和确保加工过程的安全稳定至关重要。

尤其是在考虑主轴-刀柄结合面特性的情况下，刀尖频响的预测变得尤为重要。

本文将深入研究机器人铣削系统中主轴-刀柄结合面特性的影响，并探讨如何通过有效的方法预测刀尖频响。

二、主轴-刀柄结合面特性的重要性主轴与刀柄的结合是机器人铣削系统中的关键环节。

结合面的特性直接影响到铣削过程中的动力学性能，包括刀尖的振动、切削力等。

主轴和刀柄的结合稳定性决定了切削过程中的动力传递效率及系统动态响应。

因此，考虑主轴-刀柄结合面特性的因素在机器人铣削系统的设计与优化中具有重要意义。

三、机器人铣削系统的工作原理及影响因素机器人铣削系统的工作原理主要是通过机器人臂部的精确控制，实现刀具对工件的铣削加工。

在加工过程中，主轴的旋转速度、刀具的种类及几何形状、切削参数等都会对铣削过程产生影响。

同时，主轴-刀柄结合面的特性也会对铣削过程中的动力学行为产生重要影响。

四、刀尖频响预测的方法与步骤为了准确预测机器人铣削系统中刀尖的频响特性，本文提出以下方法和步骤：1. 建立机器人铣削系统的动力学模型：通过建立包括主轴、刀柄、刀具和工件在内的多体动力学模型，描述系统的运动学和动力学特性。

2. 分析主轴-刀柄结合面的特性：通过实验和理论分析，研究主轴-刀柄结合面的刚度、阻尼等特性对系统动力学性能的影响。

3. 引入频响预测算法：利用动力学模型和频响预测算法，对铣削过程中的刀尖频响进行预测。

预测算法应考虑到切削力、切削速度、切削深度等参数的影响。

4. 实验验证：通过实验对比预测结果与实际结果，验证预测方法的准确性和可靠性。

五、实验结果与分析通过实验验证，本文提出的刀尖频响预测方法能够有效地预测机器人铣削系统中的刀尖频响特性。

床身铣床的切削振动响应特性研究摘要：床身铣床是一种常用的金属加工设备，其切削振动是影响加工质量和工件表面粗糙度的重要因素之一。

本文基于实验方法和数值模拟，研究了床身铣床的切削振动响应特性。

通过实验得出了床身铣床在不同切削条件下的振动响应曲线，同时利用有限元方法建立了床身铣床的数值模型，并对切削过程中的振动响应进行了模拟。

研究结果表明，床身铣床的切削振动与切削力、切削速度和切削深度等因素密切相关，通过调整这些参数可以减小切削振动并提高加工质量。

1. 引言床身铣床是一种常见的金属加工设备，广泛应用于各个工业领域。

在加工过程中，床身铣床的切削振动往往会对加工质量产生较大影响，例如对工件表面粗糙度、切削面质量和工具磨损等方面。

因此，研究床身铣床的切削振动响应特性对于提高加工效率和质量具有重要意义。

2. 实验方法为了研究床身铣床的切削振动响应特性，我们进行了一系列实验。

首先，我们选择不同的切削条件，包括切削力、切削速度和切削深度等参数，然后在相应的切削条件下进行振动实验。

实验中，我们使用了加速度计和振动传感器来测量床身铣床在切削过程中的振动响应，并记录下振动响应曲线。

3. 实验结果通过实验，我们得到了床身铣床在不同切削条件下的振动响应曲线。

实验结果显示，切削力对床身铣床的振动响应有着显著影响。

当切削力较大时，床身铣床的振动响应幅值增加，振动频率变化不明显。

此外，我们还观察到切削速度和切削深度对振动响应也有一定的影响。

4. 数值模拟为了进一步验证实验结果并深入研究床身铣床的切削振动响应特性，我们利用有限元方法建立了床身铣床的数值模型。

数值模型能够更加精确地模拟床身铣床切削过程中的振动行为，并对不同的切削参数进行模拟分析。

通过对模型的求解和分析，我们得到了与实验结果一致的结论，即床身铣床的切削振动与切削力、切削速度和切削深度等因素紧密相关。

5. 结论本文通过实验和数值模拟研究了床身铣床的切削振动响应特性。

实验结果表明，切削力对床身铣床的振动响应具有显著影响，而切削速度和切削深度也对振动响应有一定的影响。

第51卷第10期0引言主轴箱是机床的主要受力部件，其刚度、动态特性直接影响到整机的加工精度和加工平稳性。

主轴箱是重型机床的重要零部件之一，在机床加工中起着非常重要的作用。

以CA6140机床主轴箱为研究对象，应用ANSYS Workbench 对主轴箱进行模态和随机振动分析。

通过对有限元计算结果的分析，得到机床主轴箱前六阶固有额率，得到机床主轴箱的应力和位移随机振动分析结果。

对主轴箱进行分析，了解其动态特性，可指导主轴箱的设计，提高机床的加工精度。

1理论基础1．1模态分析任何变形体都存在固有频率和振动模态，它们是动态载荷作用下结构设计中的重要参数。

固有频率和振型主要由结构的刚度、质量及其分布等参数决定。

模态分析是结构评价的一个重要方面，同时它也是其他动力学分析的基础或前期分析过程，例如，谐响应分析、瞬态分析和谱分析等［1］。

模态分析的最终目标是识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。

1．2随机振动分析随机振动分析也称功率谱密度分析（PSD ），它属于一种定性分析。

随机振动分析是指机构在一些随机激励作用下计算一些物理量，如位移或应力等的概率分布情况。

目前随机振动分析在机载电子设备、声学装载部件、抖动的光学对准设备等的设计上得到了广泛的应用［2］。

功率谱密度谱是一种概率统计方法，是对随机变量均方值的量度，一般用于随机振动分析。

功率谱密度是结构在随机动态载荷激励下响应的统计doi ：10．3969／j．issn．1673－3142．2013．10．014CA6140机床主轴箱模态和随机振动分析韦辽，李健（545006广西壮族自治区柳州市广西科技大学机械工程学院）［摘要］应用UG 软件进行主轴箱建模，以CA6140机床主轴箱为分析对象，应用有限元分析软件ANSYSWorkbench 建立主轴箱模型，并对其进行模态分析和随机振动分析。

通过对有限元计算结果的分析，得到机床主轴箱前六阶固有额率，得到机床主轴箱的应力和位移随机振动分析结果。

切削过程动力参数变化与颤振的关联分析作者：张维兰等来源：《中小企业管理与科技·上旬刊》 2014年第11期张维兰欧江（达州职业技术学院）摘要通过对动态切削力的产生过程进行研究，分析切削厚度、进给速度、切削速度等动力参数变化对切削力的影响，进而分析动态切削力对“机床- 刀具- 工件”组成的振动系统的影响，讨论各参数的影响程度，为机床切削颤振分析与控制方法研究提供理论依据。

关键词动力参数颤振关联分析0 引言机床切削时是否产生自激振动———颤振，取决于切削过程和机床结构的动力性，以及他们之间的相互关系，本文通过对动态切削力产生过程的研究，分析切削参数变化对动态切削力的影响。

1 动态切削过程动态切削过程即产生振动的切削过程，切削力按周期变化，静态（稳态）过程即没有振动的切削过程，切削力是稳定不变的。

我们基于车床中切断加工案例对稳态切削过程与动态切削过程进行区分，构建出图一所示的动力学模型。

在动力学模型中，仅仅关注工件AB 方向上刀具的振动，也就是简化原有的“机床- 刀具- 工件”构成的振动系统，使之形成单自由度系统。

4 切削速度的变化效应要要下降特性在切削塑性金属且切削速度较高时，一方面金属的流动速度大于塑性变形的速度使剪切变形区缩小；另一方面使切削底层与前刀面接触的一层金属处于微熔状态，形成了润滑油膜，降低了摩擦系数。

切削力随切削速度的提高而减小，振动方向偏离切削速度方向。

5 引起颤振的其它原因刀具前刀面与切屑之间的摩擦，由于切屑形成的周期性，使切削力周期变化，导致颤振产生；刀具后刀面与工件之间的摩擦也会引起摩擦型颤振。

6 结论由于材料的硬点或缺陷，使刀具- 工件之间产生相对振动，形成动态切削力，动态切削力对“机床- 刀具- 工件”构成的振动系统产生反作用力，使之颤振。

并且相关动力参数的调整（如切削厚度、进给速度、切削速度等）会直接影响颤振的效果。

- 15 -高 新 技 术０　前言机床主轴是机床设备中极为关键的部分，其能够稳定工作，直接影响着机床的加工精度和加工的可靠性。

通过对机床主轴做好机械测试用以记录分析机床主轴运行过程中所产生的振动，振动内涵丰富其蕴含着丰富的故障信息。

在机床主轴运行的过程中如存在问题将会直接或是间接的通过机床主轴振动所显现出来。

为确保机床主轴的制造质量需要积极做好机床主轴的机械测试。

本文在分析机床主轴振动特点的基础上对如何做好机床主轴的机械振动测试进行分析阐述。

１　数控机床主轴所产生的振动机床主轴在工作中需要进行高速回转，而在这一高速回转过程中所产生的振动信号将会表现出许多的信息。

机床主轴在高速回转过程中如机床主轴的主轴轴承或是齿轮发生轻微的跳动或是故障都会对机床主轴的回转精度产生极大的影响，机床主轴精度出现误差将会导致所加工出来的零部件误差进一步加大。

为确保机床主轴回转精度需要积极做好对于机床主轴振动的机械测试。

通过对机床主轴的振动的运动特性进行分析用以判断机床主轴运动是否正常。

影响机床主轴运动特性的主要零部件有：机床主轴轴承、齿轮、滚珠丝杠以及导轨等。

各零部件之间相互作用相互配合共同保障机床主轴安全、高效的运行。

根据机床主轴运动时所产生的振动可以对机床主轴的运行情况进行判断。

以机床主轴轴承为例，机床主轴轴承所出现的故障主要为磨损、润滑不良、轴承超载和锈蚀等所引起的机床主轴轴承工作面的疲劳剥落、压痕、锈蚀、胶合和断裂等的机床主轴轴承表面损伤。

机床主轴运行时电机转子不平衡、不对中、轴弯曲和松动等都会产生较为明显的机械振动图线。

机床主轴如存在问题同机械检测所检测出的机床主轴运动振动曲线将会有较为明显的显示。

此外，由于机床主轴振动所显示振动频率主要集中在几个频段内，而不同的故障区域将会显示出不同的振动频谱线。

机床主轴由于需要高速回转，由于机床主轴故障所导致的振动属于高频振动，一般振动频率范围要大于1kHz，而机床主轴转子类故障所引起的振动谱线则属于低频振动，其振动频率集中在工频5倍以内。

1996年吉　林　工　业　大　学　学　报V o l .26第4期JOU RNAL O F J I L I N UN I V ER S IT Y O F T ECHNOLO GY 总第84期收稿日期:1996-04-283国家自然科学基金和国家教委博士点基金资助项目变速切削系统的振动响应特征3王文才　于骏一　周晓勤　傅连宇(机械工程系)摘　要　研究了变速切削系统的振动响应特征,理论分析和实验结果均表明,在发生再生型颤振时,变速切削系统的振动响应和动态切削力的频率随时间的变化规律和机床主轴转速随时间的变化规律相同;动态切削力为一宽频的激励信号,振动响应为一窄带的响应信号;动态切削力和振动响应的包络变动周期与机床主轴的变动周期相同。

关键词　变速切削系统　振动响应　稳定性众多的实验已经证明〔1～3〕,变速切削方法具有优良的减振效果和显著提高系统稳定性的能力,是改善切削系统稳定性的有效方法。

但迄今为止,对于变速切削的研究大都集中在变速切削的减振效果和减振机理范围内,专门研究变速切削系统的稳定性问题迄今尚未见报道。

本文在深入分析变速切削系统的闭环动力学模型的基础上阐明了变速切削系统的振动响应特征和稳定解的形式,并通过车床变速切削实验进行了实验验证。

1　变速切削系统的振动响应特征111　变速切削系统的动态切削力特征设机床主轴转速的变动规律为N (t )=N 0〔1+Θn (t )〕(1)式中　N 0——机床主轴的基本转速;Θ——转速的变动幅度;n (t )——幅值为1,频率为f N的周期函数。

由上式,在t 时刻机床主轴一转的时间T t 可通过下式求得∫tt -T t 〔1+Θn (t )〕d t =N 060(2)在式(1)给出的变速条件下,单自由度线性系统在再生效应作用下的振动微分方程可写为M y +C y +K y =f (t )f (t )=-k c 〔y (t )-Λy (t -T t )〕(3)式中　M ,C ,K ——分别为振动系统的质量,阻尼系数和刚度系数;k c ,Λ——分别是切削系统的切削刚度和重叠系数。