加工中心的动态性能及其优化(下)


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 前言:

 3.2.5电液相对激振器同

24所示是种紧凑的电液相对激振器结构,宽度仅80mnu安装测试极其方便。从图中可见,激励柱塞的右端油腔由液压单元保持20MPa以内的静压力相当于7 000N的静态力,而在柱塞中部的左右环形面施加由电液伺服阀控制的动压力,所产生的最大动态力可达1 500N

 

激振器的最大动态力不仅取决于液压系统的压力,还与整个加工中心动态性能测试系统的刚度有关。当加工中心柔度较大时,在同样液压压力下产生的动态激振力较小。此外,由于受到电液伺服阀动态性能的限制,激振力也是激振频率的函数。当频率
超过
150Hz时,动态激振力明显降低。柱塞的运动幅度与激振频率和液压单元的流阻相关,当频率为150Hz时,激振力约为750N,柱塞行程约为±6mm激振头位于激振器柱塞的左端,其外周贴有应变片,用于测量激振力的大小和波形。

 

3.2.6电液绝对激振器同

 

电液绝对激振器是借助一定质量的激振块在加速度变化时所产生的动态力对加工中心部件激励,以类似“地震”的逆原理进行工作,其典型结构如图25所示。从图中可见,电液伺服阀控制进入柱塞左右环形腔的液压油流变化,使柱塞杆及其两端的激振块往复快速移动。这_运动的反作用力通过固定在加工中心工作台上的激振器底板传给加工中心,对加工中心进行动态激励。柱塞杆在受力状态下的变形借助应变片测出,并转化为反映动态激振力的电信号。激振的频率范围为0Hz~500Hz,振幅最大行程±lmm,激振质量块有4种不同规格,可以组合成不同大小的激振质量。

 

3.2.7压电陶瓷激振器

 

压电效应是某些晶体材料能够产生正比于在其表面所承受机械压力的电荷特性,广泛用于力传感器。随着新型逆压电效应陶瓷材料的出现,对元件施加电压也可使其外轮廓产生几何变化,称之为力变换器或压电致动元件。德国物理仪器PhysikInstrument^公司的压电陶瓷激振器的工作原理和外观如图26所示[13]26压电陶瓷激振器的原理从图中可见,逆压电效应的力变换器有纵向叠堆式、横向板式和薄膜式3种。纵向叠堆式力变换器的行程变化Ai是每个单元叠加的总和。最大可达300|xm,最大刚度可达2 100N/|xm,最大承载力3 500N横向板式力变换器的每个单元都可完成全行程变化AL,故行程范围较小,仅为20|xm~45|xm,变换器刚度范围为8N/njn~15N/(im,最大承载力100N,皆与叠堆式力变换器相差甚远。薄膜式力变换器由钢和陶瓷两种材料合成,虽行程范围较大,但刚度和承载力度都较小。

 

叠堆式力变换器所需的激励电源电压高达1 000V,以实现大幅度的行程。板式力变换器的激励电源电压约100V,但所需电流较大。随着功率放大器技术的进展,叠堆式和板式力变换器都可以作为加工中心动态性能测试的相对激振器,但能够达到的最大幅值要比电液激振器小得多。

 

3.2.8不同激振方式的比较[5]

 

不同激振方式和激振器的技术特点比较见表5。
采用电动、电液和压电相对激振时,激振器安装在刀具(主轴
与工件(工作台)之间,加工中心处于静止状态。电动和电液激振技术成熟,应用广泛。压电激振最大静态力很大,而动态力很小,限制了它的应用范围。电磁激振可以在工件或刀具旋转状态下进行,但最高激振频率和最大动态力都较低。电液绝对激振时,激振器通常固定在工作台上,借助惯性力从外部对加工中心激振。必要时,工作台可移动,主轴可旋转,其特点是激振频率较低。力锤激振装置最简单,使用方便,应用非常广泛。其特点是仅能输出脉冲非周期信号。电动、电磁、电液和压电激振方式都可按需要输出简谐信号或随机信号。3.3动态性能试验分析案例M

加工中心动态性能理论模型及其仿真的可信性取决于边界条件&卩阻尼比等)的确定。这些边界条件不仅与加工中心的结构和材料性能有关,还与机构的磨损、预紧力的变化和负载有关,只能通过实验确定。因此,理论建模和测试两者相互补充,不可偏废。

 

3.3.1模态测试分析

 

模态测试分析是用实验方法获得加工中心的振型。韩国昌原大学对一台落地镗铣加工中心的立柱和主轴滑枕部件进行了动态性能分析和测试,包括模态的有限元分析和测试以及加工中心动刚度的评估。现将其作为典型案例加以简要介绍。

首先,将该加工中心部件结构进行了一定程度的简化,忽略_些细节,并将立柱底部四角的节点固定,建立了含有17 976个节点和18 832个单元的有限元模型。借助有限元分析软件求得一阶到四阶的固有频率,分别为 59.51Hz、83.16Hz、92.64Hz 107.06Hz,同时获得对应上述固有频率的模态振型。然后,使用力锤对滑枕端部进行脉冲激励,借助加速度计拾取振动信号,经过数据采集和分析获得频率响应函数和模态振型。其测试方法如图27所示。

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结束语:

加工中心动态性能对加工中心的加工效率和加工精度起到决定性的作用。自20世纪60年代以来,国内外学者进行了大量的理论研究,取得丰硕的成果。随着计算机运算能力的快速提高,各种有限元分析软件的功能日益完善和强大加工中心结构的动、静刚度评估和模态分析等已经不是难题。问题在于边界条件ft卩动态切削力、阻尼比證的合理选择和确定。因此,建模和仿真结果的可信性还需要用实验方法加以验证。两者相互补充和拟合,甚至多次反复拟合,才能对加工中心动态性能有深入的理解,并加以不断改进和提高。

机械结构的动态性能测试方法和仪器设备已经相当成熟。近年来,市场上有些专门用于加工中心动态性能测试的装置和软件,可以将频率响应函数和相幅图直接转化为加工稳定性叶瓣图,或者在线测量加工中心加工过程的动态性能。借助激振力锤测试机床动态性能是一种简单而实用的方法,可在车间条件下应用,值得加以推广。

颤振是加工过程中形成的自激振动,对加工中心的加工效率和精度危害甚大。颤振是加工中心、刀具、工件和切削过程相互耦合而形成。颤振的形成不仅与机床结构、工作条件和受力情况有关,而且与刀具、工件的动柔度和质量以及夹紧方式有关。

切削力是变化的动态力,加工中心出现振动在理论上不能完全避免。关键是如何将振动迅速衰减,不形成自激而导致或加剧颤振。

归纳本章所述,影响加工中心振动形成的主要因素见表7,而抑制加工中心的主要措施见表8。从表中可见,在加工中心上采用被动阻尼器和主动阻尼器是抑制颤振的有效方法。借助稳定性叶瓣图自动调节切削用量是实用而经济的抑振措施。

 

CNC加工中心是机电一体化复合系统。其动态性能取决于机电耦合的综合系统。不断改善和提高CNC系统的动态响应能力是重要的发展方向。例如,对加速度和加加速度的控制,提高位置测量和反馈系统的动态响应能力,都对抑制加工中心振动有很大的影响

 

 

 

 

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