機(jī)床動(dòng)態(tài)特性的研究包括了動(dòng)力分析和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)兩個(gè)主要部分的內(nèi)容[7]: 動(dòng)力分析就是在己知系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型、外部激振和系統(tǒng)工作條件的基礎(chǔ)上 分析研究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。對(duì)機(jī)床而言，其動(dòng)力分析主要指機(jī)床抵抗振動(dòng)的能力。 和其他的機(jī)械結(jié)構(gòu)一樣，機(jī)床振動(dòng)也是結(jié)構(gòu)彈性體振動(dòng)問題，研究?jī)?nèi)容包括機(jī)床 結(jié)構(gòu)的自由振動(dòng)頻率（固有頻率)及其相應(yīng)的振型和強(qiáng)迫振動(dòng)時(shí)的響應(yīng)等靜、動(dòng)態(tài) 特性的計(jì)算。動(dòng)力分析問題進(jìn)行了多年的研究，己經(jīng)形成了比較完整的理論，山 現(xiàn)了能適用于不同情況的各種分析計(jì)算方法，即使是比較復(fù)雜的系統(tǒng)，其動(dòng)力分 析也可以得到比較準(zhǔn)確的結(jié)果。
確定試驗(yàn)分析頻段前先進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)機(jī)床結(jié)構(gòu)的主要模態(tài)主要集中在 1000Hz以內(nèi)，高階模態(tài)對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性影響很小，幾乎可以忽略。通過經(jīng) 驗(yàn)可以判斷不同重量的機(jī)床前幾階段模態(tài)的模態(tài)頻率范圍，也這能指導(dǎo)我們進(jìn)行 中心頻率和采樣頻率的選擇[501。大量工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明機(jī)床自重和其共振頻率有 相對(duì)關(guān)系，在查得VMC1060立式加工中心重約5噸后我們也就知道了前幾階模 態(tài)應(yīng)該在250Hz以內(nèi)，最后我們選擇1024Hz作為中心頻率，這樣既可減少數(shù)據(jù) 采集和分析的工作量，又可提高模態(tài)參數(shù)辨識(shí)的精度。為了避免發(fā)生頻率混疊， 按照采樣定理，信號(hào)的采集頻率不得低于欲分析最高頻率的2倍。對(duì)于響應(yīng)信號(hào)， 按照不發(fā)生頻率混疊的要求，以2048Hz的采樣頻率進(jìn)行采集；對(duì)于錘擊產(chǎn)生的 脈沖力，同樣采用2048Hz的高采樣頻率。同時(shí)，力信號(hào)加力窗，加速度信號(hào)加 Exponentia丨窗，以減少泄漏誤差。同時(shí)對(duì)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行多次采集，并進(jìn)行平均處 理，以減少噪音的干擾。本次試驗(yàn)采取3次平均。
加工中心盤式刀庫(kù)換刀系統(tǒng)的故障率較高，但故障模式較為單一。通過實(shí)驗(yàn)室連 續(xù)試驗(yàn)激發(fā)故障，對(duì)所采集的故障前后信號(hào)特征進(jìn)行處理分析，獲取故障特征值，從 而實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警，即在故障信號(hào)出現(xiàn)而故障未發(fā)生時(shí)發(fā)出報(bào)警提示。本文旨在提出一 種有效的故障預(yù)警方法，并在實(shí)驗(yàn)室條件下驗(yàn)證其可行性。
該系列盤式刀庫(kù)采用減速電機(jī)帶動(dòng)分度機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)刀盤的運(yùn)轉(zhuǎn)，選刀動(dòng)作快速、平 穩(wěn)。分度機(jī)構(gòu)由圓柱凸輪與凸輪軸承組合而成，分度精度高，噪音??；刀庫(kù)刀套采用 工程塑料ABS制作，具有重量輕、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、沖擊小等優(yōu)點(diǎn)，因此在進(jìn)行信號(hào)采集時(shí) 能將干擾降到最低，有效地降低了故障誤報(bào)率。上述減速電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)副鏈輪、 副鏈條運(yùn)轉(zhuǎn)，通過副鏈條帶動(dòng)刀庫(kù)外部帶有接近傳感器的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)刀盤運(yùn)動(dòng)的 精確控制。機(jī)械手的換刀動(dòng)作由減速電機(jī)帶動(dòng)鏈條、鏈條帶動(dòng)滾子式蝸型弧面復(fù)合凸 輪來(lái)完成。
故障預(yù)警系統(tǒng)主要包括電氣控制環(huán)節(jié)、數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)和PLC控制環(huán)節(jié)，只有三個(gè) 環(huán)節(jié)協(xié)同工作才能完成盤式刀庫(kù)換刀系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)警功能。本章設(shè)計(jì)任務(wù) 為設(shè)計(jì)電氣控制環(huán)節(jié)控制刀庫(kù)的正常動(dòng)作、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)采集刀庫(kù)工作時(shí)的狀態(tài) 信號(hào)和設(shè)計(jì)PLC控制環(huán)節(jié)控制故障預(yù)警機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。
利用丹麥B&K測(cè)試系統(tǒng)，采用單點(diǎn)激勵(lì)多點(diǎn)響應(yīng)，對(duì)KVC800立式加工中心主要部件工作臺(tái)、床 身、立柱和主軸箱開展了模態(tài)測(cè)試，從試驗(yàn)方案、測(cè)試系統(tǒng)、參數(shù)設(shè)置和結(jié)果分析幾方面探討了試驗(yàn)過程的開展，獲取了各主要部件的模態(tài)參數(shù)。2) 利用B&K測(cè)試系統(tǒng)對(duì)加工中心整個(gè)升速過程的振動(dòng)信號(hào)予以記錄，并進(jìn)行了瀑布圖分析，并從中 獲取模態(tài)信息，與試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。3) 通過模態(tài)測(cè)試分析與升速過程瀑布圖分析，獲知50Hz和64Hz為加工中心整機(jī)固有頻率，實(shí)際使 用過程中應(yīng)避開3000r/min和3840r/min的主軸工作轉(zhuǎn)速，為加工中心的優(yōu)化運(yùn)行提供了可靠依據(jù)。
在精工機(jī)床使用過程中，會(huì)遇到一些突發(fā)情況， 例如機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分超過運(yùn)動(dòng)極限位置時(shí)、工人看到主軸 刀具與夾具快要撞到時(shí)，此時(shí)機(jī)床可以立刻進(jìn)入緊急急 停狀態(tài)，切斷所有進(jìn)給電機(jī)和主電機(jī)的動(dòng)力電以保護(hù)機(jī) 床[1];當(dāng)機(jī)床正在自動(dòng)加工時(shí)，如果防護(hù)門被打開了， 所有的進(jìn)給軸應(yīng)該立即鎖住，停止移動(dòng)，以免出現(xiàn)人身 傷害事故；正常加工時(shí)，如果刀庫(kù)不在最左面，嚴(yán)禁Z 軸移動(dòng)，否則會(huì)將刀庫(kù)或主軸撞壞。因此精工機(jī)床的 急停與安全保護(hù)功能的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，本文詳細(xì)介紹 VMC3016L加工中心急停與過行程硬件控制電路設(shè)計(jì)；
該加工中心采用安裝刀具的主軸沿X、Y、Z等3軸移動(dòng)，而 工作臺(tái)沿A軸轉(zhuǎn)動(dòng)（傾斜）并沿C 軸旋轉(zhuǎn)的構(gòu)造。其工作臺(tái)采用接 近懸臂式的耳軸工作臺(tái)，使耳軸 工作臺(tái)繞A軸旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)裝置位 于機(jī)身后側(cè)，而前側(cè)則采用僅有 支撐部件的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)，更加方便 操作人員靠近機(jī)身的加工部位。 其還配備了易用性較高的NC裝置 “MAX5”，增加了可在屏幕上 顯示的功能按鈕，方便進(jìn)行功能 選擇。此外，該NC裝置還采用 了對(duì)話型編程功能。比如，選擇 “開孔”，就會(huì)提示“鉆頭”、 “絲錐”、“鉸刀”等刀具，可 從中選擇所需刀具；選擇“鉆 頭”，就會(huì)詢問打孔的位置、孔 底的位置，以及刀具的轉(zhuǎn)速等， 并可依次輸人數(shù)字。由于采用提 問方式來(lái)編程，因此，該加工中心的操作更為簡(jiǎn)單。
應(yīng)用Simulation有限元分析軟件，對(duì)所設(shè)計(jì)的 高效立式加工中心立柱進(jìn)行了靜、動(dòng)態(tài)特性分析， 獲得了立柱在不同方向上的受力變形，通過對(duì)立柱 的固有頻率及振型的分析，獲得了立柱的動(dòng)態(tài)特性 參數(shù)。綜合運(yùn)用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)、模糊數(shù)學(xué)和有限元 分析理論，對(duì)立柱的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了多目標(biāo)模糊優(yōu) 化。分析表明，通過Soildworks Simulation有限元分析方法對(duì)加工中心立柱進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)特性分析，可以 快速有效地確定立柱結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)方案，縮短產(chǎn) 品的試驗(yàn)周期以及大量的試驗(yàn)和計(jì)算工作，為機(jī)床 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一種新的途徑。
1) 為滿足機(jī)床高速高精的加工要求，設(shè)計(jì)了直線電 機(jī)驅(qū)動(dòng)高速立式加工中心的整體結(jié)構(gòu)，在方案設(shè)計(jì)中，充 分考慮結(jié)構(gòu)布局、電機(jī)選型、功能部件選擇，利用直線電 機(jī)作為立式加工中心進(jìn)給系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)單元可以提高立式加工 中心的切削進(jìn)給速度和控制精度，提高生產(chǎn)效率。2) 對(duì)設(shè)計(jì)的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)高速立式加工中心整機(jī) 基于有限元的靜動(dòng)態(tài)特性分析，結(jié)果顯示：整機(jī)具有良 好的強(qiáng)度、剛度和抗振特性，滿足粗加工及加減速對(duì)機(jī) 床結(jié)構(gòu)的剛性、強(qiáng)度及抗振特性要求，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
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