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本论文以提升数控机床切削加工性能为目的，以实验模态分析(EMA)技术为基础，系统研究了数控机床的动态性能测试、动力学建模方法及应用技术。首先研究了针对数控机床的模态测试技术，并将该技术应用于三种不同类型的数控机床的结构测试。结合实验模态分析技术，建立了机床的集中参数模型，并快速预测出被动阻尼器对机床结构进行修改后的动态特性的变化。针对数控机床中普遍存在的密集模态现象，解决了实验模态分析中参数辨识的难点题目。以抑制数控机床切削加工中的再生颤振为目的，采用阻尼器对机床结构进行修改，并通过数值方法研究阻尼器的优化设计题目。研究了数控机床的模态测试及动力学建模技术。对模态测试过程中所涉及的技术如传感器灵敏度标定、激振器激励信号选取与加窗、非线性模态测试等进行了研究，并比较了不同模态测试系统、安装方式下的结果。在对数控机床进行模态预览的基础上，确定最佳激励点与激振方向，并应用上述技术于整机的动态特性测试；进行模态分析后，可获得各阶模态参数及可视化振型。进而在实验模态分析的基础上，采用集中参数法对SAJO铣床的动力学特性进行建模；在集中参数模型基础上预测原点频响函数(FRF)并与测试结果进行对比，以验证缩减后集中参数模型的精度。在集中参数模型上预测颤振稳定域与颤振频率，结合实验模态分析结果，揭示机床发生颤振的根源；结合结构动力学修改方法(SDM)，对引入阻尼器后的SAJO铣床动态性能进行快速预测。结果表明，通过引入阻尼器，可达到有效改变结构频响函数的目的。针对数控机床结构复杂导致密集模态普遍存在的情况，研究了密集模态下的频响函数参数辨识。对几乎所有模态参数辨识算法而言，模态阶次的确定都是个难点；以正方形悬臂梁为例，比较了各种模态指示函数(MIF)识别重根的能力。结果表明，稳定图在对输入测试频响函数要求较低的情况下，辨识精度较高。进而，结合稳定图对原有的正交多项式算法进行了改进；对模态参数辨识算法采取两步走策略：首先通过稳定图获取系统极点，其次利用最小二乘法估计出留数。应用该算法于测试频响函数的局部和整体拟合，结果表明，改进后的算法在避免虚假模态或模态遗漏现象发生的同时，拟合结果准确、稳定；同时，该算法还保留了正交多项式算法快速、考虑残余模态影响及可拟合模态数目较多的优点。最后，初步探讨了应用连续小波变换于仅有结构自由响应的模态参数识；对比表明，在密集模态情况下，连续小波变换的精度仍逊色于正交多项式算法。以单重及多重调谐质量阻尼器(Tuned mass damper)为例，研究获取机床最佳切削颤振抑制效果为目标的阻尼器设计及优化方法。首先对再生颤振的机理进行了研究；对车削或单模态铣削而言，无颤振的临界切深仅由刀尖与工件相对频响函数的负实部决定。在推导出阻尼器抑制主结构运动方程并获得目标函数的基础上，分别采用最速下降及minimax方法对单重/多重阻尼器的刚度和阻尼进行优化，并和以往的H∞及H2优化方法进行比较。实验部分，借助有限元仿真，设计出具备单模态特性的车床刀夹及刚度、阻尼可调的阻尼器；将车床刀夹作为目标模态，利用阻尼器进行抑制，并预测颤振稳定域。切削实验表明，采用本文优化算法(等负实部优化方法)的单重阻尼器可在H∞方法的基础上提高稳定切削临界切深37%。进一步，对单重及多重阻尼器的抑振性能进行对比。仿真表明：在保持总质量比不变的条件下，随着阻尼器数目的增加，多重阻尼器提高无颤振稳定切深的能力也相应增加。鲁棒性分析表明，当多重阻尼器数目大于5以后，多重阻尼器系统对阻尼器刚度的调制要求更精确；在满足这个条件后，系统对阻尼及输入参数误差的鲁棒性也相应提高。在数控机床结构测试及分析部分，针对Hardinge数控车床、四轴并联机床实验平台及五轴龙门铣床进行分析。重点以Hardinge车床为例，设计并安装三个尺寸相同的阻尼器于车床刀夹上，以改善机床的切削性能。切削实验表明，经过精确调制后的阻尼器可大幅提升车床的无颤振稳定切削性能，且多重阻尼器的颤振抑振效果优于单重阻尼器。最后，总结全文，并指出下一步的研究方向。
发表于 2024-2-4 14:51:37
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