第11期 2016年11月
组合机床与自动化加工技术
Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing Technique
文章编号：10012265(2016)11003503
D0I:10.13462/j. cnki. mmtamt.2016.11.010
No.11 Nov.2016
大行程机床动态特性灵敏度分析及实验研究
刘海涛，王建华
（西安工业大学机电工程学院，西安710021）
摘要：为大行程机床动态特性随加工区间、姿态的不同将发生很大的改变，基于单一状态下的动力学模型/方程不能描述其全加工空间内动态特性的变化规律。文章以动梁式龙门机床为例，采用集总参数法建立了机床的动力学模型，并推导了其变系数线性动力学方程。采用灵敏度分析法研究了机床第1阶固有频率对于位置参数的敏感程度及变化规律。结果表明：系统第1阶特征值对于位置参数2的灵敏度大于对于位置参数x的灵敏度，系统第1阶固有频率主要由位置参数2决定，且变化幅
度可达40%以上。最后通过实验测试验证了模型的准确性。关键词：大行程机床；动态特性；灵敏度分析
中图分类号：TH166；TG659
文献标识码：A
Dynamic Characteristics Sensitivity Analysis and Experimental Research of
Large Stroke Machine Tools LIU Hai-tao, WANG Jian-hua
(School of Mechatronic Engineering, Xian Technological University, Xian 710021, China)
Abstract : The dynamic characteristics of large stroke machine tools will highly change when its machining space and cutting pose vary. So that the dynamic model/equation based on single state cannot describe the
machine tool as an example to demonstrate the method of lumped parameter dynamic model of machine tool, and the coefficient-varying linear dynamic equation is derived. The sensitivity analyzing method is used to studied the sensitivity and variation rules of the first natural frequencies with respect to position parameters. The results show that the sensitivities of the first natural frequencies with respect to position parameter z is greater than that with respect to position parameter x . The first natural frequencies are dominated by position parameter z , and the variation magnitude can be up to above 40% . At last the model accuracy is validated by experimental measurement.
Key words: large stroke machine tool; dynamic characteristics; sensitivity analysis
引言 0
机床的动态特性（模态、频响等）对于机床的加工精度和加工零件的表面质量有着很大的影响[1-2]。大行程机床（行程大于1500mm）在加工空间内其状态是在不断变化的，因此，其各种特性，例如静态刚度、固有频率、振型和频响等，也是不断变化的。要想在设计阶段进行优化设计，在加工阶段进行合理的具路径选择，就必须获得机床在整个加工空间内的动态特性。
国内外许多学者采用理论建模[3-5]和实验研究[6 等方法，建立了各自的刚度场模型来描述这一问题，然而当机床在加工过程申状态发生改变时，各轴相对位置的变化将改变系统质量、阻尼和刚度的分布。因此，高速机床在加工空间内状态改变的本质是，反映系统
收稿日期：2015-12-08；修回日期：2016-01-19
质量、阻尼和刚度大小和分布的质量、阻尼和刚度矩阵将不再是常系数矩阵，所以，要想弄清高速机床动态特性的变化，就必须研究其质量、阻尼和刚度矩阵在不同状态下的变化规律，基于单一状态下建立的机床动力学模型无法描述和分析这一变化规律，因此有必要针对机床状态的变化建立一个动态模型来反映这一变化。
机床动态动力学建模 1
1.1龙门机床集总参数模型
本文以典型的动梁式龙门机床为例来研究不同状态下机床的变动特性问题，如图1所示。由于立柱和床身刚性较大，横梁沿Y轴运动时机床动态特性变化很小，因此，本文忽略机床沿Y方向的振动，只考虑横梁-滑板-主轴箱-主轴系统在XOZ平面内的平动及转
作者简介：刘海涛(1981一），男，山东青岛人，西安工业大学讲师，博士，研究方向为机床性能伤真、精密测量、产品流程自动化，（E－mail）
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