轴间耦合下多轴联动机床的位置维动态特性分析-论文.pdf

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1、第50卷第15期机械工程学报VO1．5ON0．152014年8月JOURNALOFMECHANICALENGINEERINGAug．20l4DoI：l0．3901／JME．2014．15．089轴间耦合下多轴联动机床的位置维动态特性分析冰王磊刘海涛杨啸张俊赵万华(西安交通大学机械制造系统工程国家重点试验室西安710049)摘要：多轴联动机床刀尖点在空间运动过程中由于机床结构构形改变和轴间耦合作用，会造成动结合部刚度的非线性变化，进而改变系统惯性矩阵、刚度矩阵元素的量值，从而导致系统动态特性的改变。以一台典型的三轴联动龙门机床为研究对象

2、，采用集中参数法建立轴间耦合下三轴联动机床系统的动力学模型，并推导系统的动力学方程，其系数矩阵是系统运动状态的函数。利用所建模型，对系统频率和频率响应函数相对于位置参数的变化进行分析。仿真和试验结果表明：轴间耦合作用对多轴联动机床的动态特性影响较大，系统的固有频率及对应幅值与刀尖点在x轴、Y轴、z轴运动位置的变化有很大关系，极端位置的固有频率相差10％左右，响应的幅值变化量可达2倍左右。关键词：轴间耦合；多轴联动机床；变动态特性；位置维中图分类号：TG502Position—dependentDynamicAnalysisofMult

3、i-axisMachineToolConsideringAxialCouplingWANGLeiLIUHaitaoYANGXiaoZHANGJunZHAOWanhua(StateKeyLaboratoryforManufacturingSystemsEngineering，Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an710049)Abstract：Becauseofthechangingofthemachinetoolconfigurationandtheaxiscouplingforcesinmulti—axismac

4、hinetoolsmotion，thestiffnessofthekinematicjointswillchangenonlinearly，thereforetheamountoftheinertiamatrix，stiffnessmatrixofthesystemwillvary，resultinginthevariationofthedynamiccharacteristicsofthesystem．Atypicalthreeaxisgantry—typemachinetoolistakenasanobjectofinvestig

5、ation，usingthelumped—parametermethodtosetupthedynamicmodelofmachinetoolandderivethedynamicequation．Thesystemmatriceswithrespecttopositionareestablished．Basedonthedynamicmodel，thevariationsofthefrequenciesandfrequencyresponsefunctionswithrespecttopositionparametersarecal

6、culated．Modaltestingiscardedouttovalidatetheaccuracyofthemode1．Thesimulationandexperimentalresultsshowthat：thedynamiccharacteristicsofthemachinetoolaregreatlyaffectedbyaxialcoupling，thenaturalfrequenciesandthereacceptanceofthetoolcuttingpoint(TCP)aregreatlychangedwhenth

7、eTCPismovingalong—axis，Y—axisorz—axis．Comparingtwoextremepositions，themaximumchangingofnaturalfrequenciesisupto10％andresponsemagnitudeupto2times．Keywords：axiscouplingeffects：multi-axismachinetool；variationofthedynamiccharacteristics；position—-dependent实际机床结构比较复杂，如何建立多轴联

8、动机0前言床合适规模自由度的动力学模型，并要求动力学模型能充分反映机床运行过程中的动态特性，成为数多轴联动机床在整个加工空间运动过程中，由控机床动态特性设计的关键。SIMNOFSKEt4J等利用于机床结构构形的改变和惯性