機(jī)床必須滿足多方面的要求刚操。從用戶角度上看蜀细，諸如生產(chǎn)效率高和設(shè)備可靠性強(qiáng)等因素是至關(guān)重要的谤逼，對(duì)于機(jī)床制造廠商來(lái)說(shuō)贵扰，這就意味著要達(dá)到最具經(jīng)濟(jì)性的工藝參數(shù)，例如在穩(wěn)定生產(chǎn)狀態(tài)下達(dá)到較大的切深和較高的進(jìn)給量流部。生產(chǎn)狀態(tài)不穩(wěn)戚绕，即可表現(xiàn)為設(shè)備發(fā)生振動(dòng)，尤其在機(jī)床結(jié)構(gòu)和部件剛性不足的時(shí)候枝冀。

出于這種原因舞丛，機(jī)床整體就需要達(dá)到很高的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)剛性。如果生產(chǎn)狀態(tài)不穩(wěn)定果漾，則機(jī)床的理論功效就無(wú)法被充分利用球切。

RWTH Aachen大學(xué)WZL學(xué)院可以為設(shè)備和生產(chǎn)流程提供測(cè)量技術(shù)方面的幫助谷誓，以對(duì)設(shè)備振動(dòng)問(wèn)題作出客觀的評(píng)估，并對(duì)設(shè)備特征作出描述晃烟。對(duì)此蕾崔，可以揭示出靜態(tài)特性曲線、動(dòng)態(tài)柔度頻率特性翠柄、生產(chǎn)過(guò)程中的振蕩形式與振顫特征等現(xiàn)象氧蔼。通過(guò)此類探索，不穩(wěn)定的生產(chǎn)流程可以得到識(shí)別皿完，機(jī)械結(jié)構(gòu)上的原因即可得到確定夫蚜。

為了對(duì)機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)性能作出詳細(xì)分析和優(yōu)化，WZL學(xué)院可以采用有限元(FEM)方法狈馏，對(duì)機(jī)床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬功刽，通過(guò)FE建模和測(cè)量數(shù)值補(bǔ)償，對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的分析和虛擬優(yōu)化咸耍，所獲得的優(yōu)化結(jié)構(gòu)可以被納入到下一步設(shè)計(jì)工作中去淘巩。最后，對(duì)在設(shè)計(jì)中所做的修改通過(guò)后續(xù)新的工藝探索活動(dòng)加以測(cè)評(píng)努儒。下文以Wema Voltland Technology公司的一臺(tái)特種機(jī)床為例遇穷，對(duì)整個(gè)過(guò)程作出描述。

位于Plauen/Vogtland地區(qū)的Wema Vogtland公司是一家在各類機(jī)床改造和大修領(lǐng)域的主導(dǎo)供應(yīng)廠商申屹，同時(shí)也是一家機(jī)床制造廠商(尤其是特種機(jī)床)绘证。可被納入到擁有全自動(dòng)工件轉(zhuǎn)載功能的生產(chǎn)線上的此類特種機(jī)床能夠用于對(duì)諸如用戶專用工件的銑削加工哗讥。設(shè)備構(gòu)造如圖2(左側(cè))所示嚷那，該設(shè)備基本上由一個(gè)可分成兩半(即側(cè)面單元和中間單元)的床身、銑削單元和工件夾持單元構(gòu)成(圖中未顯示出來(lái))杆煞，帶有加工主軸和刀座的銑削單元可以在X和Z軸方向上移動(dòng)魏宽，中間單元擁有一個(gè)可安裝工件支架的連接板。

圖1  通往動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的機(jī)床之路

測(cè)量涉及各種不同的工藝參數(shù)和多種生產(chǎn)流程

在該機(jī)床樣機(jī)的使用過(guò)程中决乎，某些生產(chǎn)流程出現(xiàn)了性能不穩(wěn)定的現(xiàn)象队询。為了能夠更好地對(duì)生產(chǎn)流程作出評(píng)判，在加工過(guò)程中WZL學(xué)院對(duì)振動(dòng)狀況進(jìn)行了測(cè)量构诚。測(cè)量涉及多種生產(chǎn)流程和各種不同的參數(shù)蚌斩，所測(cè)定的不僅僅是不穩(wěn)定的生產(chǎn)流程，同時(shí)也包含了穩(wěn)定的生產(chǎn)流程范嘱，以便為分析和評(píng)判獲得可比對(duì)的測(cè)量結(jié)果送膳。

在對(duì)生產(chǎn)流程進(jìn)行評(píng)判時(shí)，也對(duì)加速度信號(hào)的頻率范圍進(jìn)行了分析和評(píng)判斤间。當(dāng)加工作業(yè)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)穆烹，主要顯現(xiàn)齒合頻率及其諧波;當(dāng)加工作業(yè)因設(shè)備自發(fā)振動(dòng)而處于不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)乌换，則主要顯現(xiàn)諧振頻率。諧振頻率在振幅上要明顯超過(guò)齒合頻率极求。對(duì)于所試驗(yàn)的設(shè)備不穩(wěn)定生產(chǎn)流程祖销，可以識(shí)別出30?Hz、35?Hz和55?Hz的顫振頻率惹你，如圖2(右側(cè))所示。

為了查明不穩(wěn)定生產(chǎn)流程的原因哈滥，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行了測(cè)量糊扑。為了能夠?qū)υO(shè)備靜態(tài)性能特征作出描述，首先對(duì)靜態(tài)特性曲線進(jìn)行了記錄喷总。有了靜態(tài)特性曲線樟闽，即可識(shí)別出機(jī)床靜態(tài)剛性和以間隙方式出現(xiàn)的實(shí)際非線性(例如導(dǎo)向裝置和軸承)狀況。該機(jī)床顯現(xiàn)出一種幾乎直線的靜態(tài)變形特征柳卒，并因在加載和卸載之間的滯后程度低而可被視為是無(wú)間隙和無(wú)摩擦狀態(tài)笨扁。由此，為動(dòng)態(tài)柔度特性和模態(tài)分析在測(cè)量技術(shù)上的可評(píng)判性提供了一種前提條件列疗。

針對(duì)機(jī)床動(dòng)態(tài)特性的研究和評(píng)定滑蚯，利用了設(shè)備的柔度頻率特性。通過(guò)頻率范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)偏移及其動(dòng)態(tài)力的商抵栈，可以計(jì)算出作為觸發(fā)頻率之上復(fù)雜數(shù)字的柔度頻率特性數(shù)值告材。圖3所示為各不同頻率特性的相應(yīng)振幅。依據(jù)柔度頻率特性上的諧振峰值古劲，可以得出設(shè)備固有頻率斥赋。很容易看出，前三個(gè)固有頻率與加工試驗(yàn)中所測(cè)得的顫振頻率相一致产艾。

圖2  Wema Vogtland公司特種設(shè)備的構(gòu)造（左）和加工試驗(yàn)的評(píng)估（右）

借助于模態(tài)分析可以求得機(jī)床的本質(zhì)形式并使之可視化

通過(guò)模態(tài)試驗(yàn)分析疤剑，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床固有頻率內(nèi)本質(zhì)形式的可視化。對(duì)此闷堡，可以確定出設(shè)備幾何外形和網(wǎng)狀模型隘膘，其節(jié)點(diǎn)可以成為測(cè)量點(diǎn)。在每個(gè)測(cè)量點(diǎn)上缚窿，可以測(cè)得柔性頻率特性棘幸，然后再獲得設(shè)備所出現(xiàn)的本質(zhì)形式并實(shí)現(xiàn)可視化。由此可以更好地理解設(shè)備在不同頻率條件下的振動(dòng)特性和設(shè)備結(jié)構(gòu)上仍具改進(jìn)潛力部位的第一個(gè)固有頻率妨舟。

圖3  X軸和Z軸向上的柔度頻率特性（上）和在臨界頻率條件下設(shè)備的自有形式（下）

通過(guò)模態(tài)分析问乌，可以為每個(gè)所識(shí)別的臨界固有頻率提供相應(yīng)的振動(dòng)形式(見圖3)。30?Hz時(shí)的固有形式表現(xiàn)出銑削單元和工件夾持裝置在Z軸方向上的傾覆趨向;而35?Hz時(shí)的銑削單元和工件夾持裝置則在X軸方向上呈現(xiàn)逆相傾覆;當(dāng)頻率為55?Hz時(shí)邦叶，可以看出銑削單元圍繞著Y軸旋轉(zhuǎn)寂齐。在進(jìn)行測(cè)量試驗(yàn)之后绅厘，采用有限元(FEM)方法為機(jī)床建立起一個(gè)模擬模型，以便對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行詳細(xì)的研究肃逐。模擬模型的建立分為三個(gè)步驟：結(jié)構(gòu)部件的提煉缤纽、網(wǎng)絡(luò)化和耦合。在第一個(gè)步驟中袄肩，對(duì)各個(gè)結(jié)構(gòu)性部件進(jìn)行了簡(jiǎn)化讨绝，以免無(wú)謂地增加計(jì)算時(shí)間。

從模態(tài)分析中可以看出再副，所有被觀察的自有模態(tài)均從床身部件(側(cè)面單元或中間單元)中產(chǎn)生脸学。因此，對(duì)側(cè)面單元和中間單元只作輕微地簡(jiǎn)化躬拢。而銑削單元和工件夾持單元?jiǎng)t接受更大的提煉躲履。然后，對(duì)各個(gè)部件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接聊闯，各網(wǎng)絡(luò)單元大小要視相關(guān)結(jié)構(gòu)部件的提煉程度而定工猜。

在下一個(gè)步驟中，把結(jié)構(gòu)部件匯總到總的模擬模型中去菱蔬，其重點(diǎn)在于對(duì)部件之間的連接進(jìn)行展現(xiàn)篷帅。在實(shí)際應(yīng)用中，結(jié)構(gòu)部件往往是通過(guò)各種不同的元件進(jìn)行相互耦合的汗销。在建立完整的模擬模型之后犹褒，可依據(jù)機(jī)械試驗(yàn)結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償之后的模擬和測(cè)量臨界自有形式的對(duì)比情況弛针，見圖4叠骑。

圖4  在臨界頻率條件下的變形分析

制訂改進(jìn)建議書和驗(yàn)證改進(jìn)措施的成果

在經(jīng)過(guò)補(bǔ)償?shù)脑O(shè)備整體模型的模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上，可以對(duì)相關(guān)的臨界固有頻率的自有形式進(jìn)行詳細(xì)的變形分析削茁，分析的目的在于對(duì)設(shè)備相應(yīng)振動(dòng)的原因進(jìn)行識(shí)別宙枷。對(duì)此，可以識(shí)別出造成結(jié)構(gòu)部件發(fā)生極大變形的部位茧跋，變形的原因也構(gòu)成了振動(dòng)現(xiàn)象的原因昏个，這些振動(dòng)現(xiàn)象必須得到排除，以便設(shè)備在這些部位上的剛性得到加強(qiáng)捉肄，同時(shí)把臨界固有頻率推移到一個(gè)較高的頻率范圍乃屈。

通過(guò)采取提高固有頻率的辦法，總體上可以降低原先擁有固有頻率的那些部位的動(dòng)態(tài)柔度常苍。因此可以認(rèn)定兼英，增強(qiáng)床身的剛性可以降低部件動(dòng)態(tài)問(wèn)題的嚴(yán)重程度，并避免產(chǎn)生顫動(dòng)振蕩鸵丸。

圖4所示下部區(qū)域所識(shí)別出的相關(guān)固有頻率相對(duì)應(yīng)的設(shè)備變形狀況喳牌。針對(duì)30?Hz時(shí)銑削單元和工件夾持裝置在Z軸方向上的傾覆問(wèn)題肪禾，振蕩原因首先應(yīng)該從工件夾持裝置與設(shè)備中間單元相互連接的區(qū)域里查找，這是因?yàn)檫@里出現(xiàn)最嚴(yán)重的變形現(xiàn)象玲院。盡管在床身上設(shè)置了大量的橫向筋條袁羔，但是連接板仍會(huì)發(fā)生變形，導(dǎo)致整個(gè)中間單元在Z軸方向上發(fā)生彎曲淡早。由此挠疲，可以造成側(cè)面單元與中間單元相互裂開。

當(dāng)發(fā)生反相傾覆時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大的局部變形

當(dāng)頻率為35?Hz巧鸭，銑削單元和工件夾持裝置在X軸方向上發(fā)生反相傾覆時(shí)瓶您，在工件夾持裝置與設(shè)備中間單元相連接的區(qū)域內(nèi)會(huì)出現(xiàn)較大的局部變形(見圖4的中下部分)。如同30?Hz時(shí)的自有形式一樣纲仍，連接板會(huì)發(fā)生變形，這是因?yàn)橛糜谠囼?yàn)的縱向筋條無(wú)法承受連接板的變形力贸毕。

與以往所觀察到的兩種固有頻率相反郑叠，當(dāng)頻率為55?Hz和銑削單元繞著Y軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，其振蕩的原因在于側(cè)面單元的導(dǎo)向區(qū)域內(nèi)(見圖4明棍，右下部分)乡革，盡管為了穩(wěn)定導(dǎo)向軌道，在側(cè)面單元里加入橫向筋條摊腋，但后導(dǎo)向裝置仍然會(huì)發(fā)生傾覆沸版。

在識(shí)別振蕩原因之后，該公司與制造廠家一起合作兴蒸，制訂出了如何增強(qiáng)機(jī)床床身的結(jié)構(gòu)剛性和如何采用有限元方法來(lái)進(jìn)行模擬檢驗(yàn)和評(píng)判等多種措施视粮。為了使連接板與床身的接合達(dá)到更大的剛性，連接板被做得更加結(jié)實(shí)和尺寸更大间歌，以便使后面兩個(gè)橫向筋條可以發(fā)揮出支撐連接板的作用胃磷。在側(cè)面單元里，也需要采取增加橫向筋條的數(shù)量和厚度的辦法來(lái)解決后部導(dǎo)向裝置的可能折彎的問(wèn)題鹅址。

在設(shè)備模型上采取了這些措施之后裤困，重新進(jìn)行一次模擬。通過(guò)對(duì)初始模型和改進(jìn)型模型之間的自有形式的比對(duì)妨谦，可以對(duì)改進(jìn)措施的效果作出評(píng)定巡雄。由此可以把第一種，即30?Hz頻率模式下的固有頻率提高128%显而，把35?Hz頻率模式下的固有頻率提高138%夹宏，和把55?Hz頻率模式下的固有頻率提高35%。通過(guò)提高此類頻率其摘，可以明顯看出機(jī)床床身結(jié)構(gòu)的剛性得到了提高受二。

依據(jù)正面的評(píng)估結(jié)果烘俱，對(duì)由此做了設(shè)計(jì)更改的設(shè)備床身進(jìn)行制造，也對(duì)設(shè)備進(jìn)行了改造画鉴。為了能夠作出最終的評(píng)估绘辈，再次采用所有相關(guān)的作業(yè)流程參數(shù)對(duì)加工試驗(yàn)進(jìn)行了測(cè)量，并檢驗(yàn)了設(shè)備流程不穩(wěn)定性的問(wèn)題桐愉。試驗(yàn)結(jié)果表明财破，檢驗(yàn)的所有作業(yè)流程整體穩(wěn)定，所要求的工件誤差范圍也得到了保證从诲。

通過(guò)整體作業(yè)流程方式有針對(duì)性地實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的改進(jìn)

借助于一個(gè)包含測(cè)量和模擬試驗(yàn)與模擬結(jié)構(gòu)改進(jìn)內(nèi)容在內(nèi)的整體作業(yè)流程左痢，可以得到一個(gè)有針對(duì)性的特種設(shè)備結(jié)構(gòu)改進(jìn)的結(jié)果，并阻止振蕩現(xiàn)象的再生系洛。

首先從測(cè)量技術(shù)角度對(duì)設(shè)備特征進(jìn)行表述俊性，并對(duì)造成設(shè)備加工流程不穩(wěn)定現(xiàn)象的臨界固有頻率進(jìn)行識(shí)別，然后為設(shè)備建立相應(yīng)的模型并作補(bǔ)償描扯，對(duì)臨界頻率條件下設(shè)備振蕩特征進(jìn)行了詳細(xì)的模擬和分析定页，由此可以制訂出增強(qiáng)設(shè)備結(jié)構(gòu)部件剛性的有針對(duì)性的措施。在制造廠家落實(shí)好改進(jìn)措施之后绽诚，再通過(guò)第二次測(cè)量檢驗(yàn)工作來(lái)驗(yàn)證整改措施的最終成果典徊。

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