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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:蔡建安
研究生(外文):Chien-An Tsai
論文名稱:工具機之動態特性研究
論文名稱(外文):Dynamic characteristics of machine tools
指導教授:鄔詩賢
學位類別:碩士
校院名稱:國立中興大學
系所名稱:機械工程學系所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2008
畢業學年度:96
語文別:中文
論文頁數:90
中文關鍵詞:綜合加工機有限元素法模態自然頻率頻譜分析儀動態分析
外文關鍵詞:Integrated Processing MachinesFinite Element MethodModalNatural FrequencySpectrum AnalyzerDynamic Analysis
相關次數:
  • 被引用被引用:8
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近年來高速化、高精密已是工具機發展的重點。在高速化、高精度的訴求下,工具機結構必須符合高剛性及高穩定性等特性。深化技術中,加工精度及精度壽命是最關鍵的指標,也是一台工具機核心的價值所在,而振動就是影響工具機精度的主要原因。本文主要研究國產與歐產綜合加工機五大鑄件結構的動態特性,首先建立兩部結構及邊界條件不同的綜合加工機模型,以有限元素法分析整部機台的自然頻率及模態,再依分析的模態圖,使用振動噪音頻譜分析儀量測自然頻率。研究顯示有限元素分析與實驗量測結果,有相當高的吻合度。因此可藉由此模式,發展出工具機動態特性及實驗驗證方法,進而建立工具機的結構動態特性分析程序與相關技術。透過此方法將可以精確的瞭解工具機結構的動態特性,以確定設計之可行性或擬定可能改善之方案,以提升加工精度及工具機的壽命,達到 工具機技術之水準。
High speed and high precision features have become focal points in the development of machine tools in recent years. The appeals in high speed and high precision features have greatly contributed to the demand for high rigidity and stability characters of the machine tool mechanism. The precision and lifetime of machine tools are not only the key but also the core in the in-depth technology. Vibration is the main factor in the determination of precision of machine tools. This study works on the dynamic characters of major five casting objects on machine tools made in Taiwan and Europe respectively. Firstly, we make two integrated processing machines under different structure and bound. The next step is to analyze the natural frequency and modal shapes of the machine tools by the finite element analysis. Measuring the natural frequency by spectrum analyzer based on the analysis modal chart in the third step. Study shows that finite element analysis has high correspondence with experimental results. Accordingly, by the modal test, we can understand dynamic characters of machine tools and experimental way to build up dynamic analysis process of machine tools and related technology. It can help to precisely understand the dynamic character of machine tools mechanism to ensure the feasibility of the design and try another improved schemes to improve precision and lifetime of machine tools.
目錄
誌謝-----------------------------------------------------------------------------------II
中文摘要--------------------------------------------------------------------------- III
英文摘要--------------------------------------------------------------------------- IV
目錄-----------------------------------------------------------------------------------V
圖目錄-----------------------------------------------------------------------------VIII
表目錄-----------------------------------------------------------------------------XIII
符號說明------------------------------------------------------------------------- XIV
第一章 緒論-------------------------------------------------------------------------1
1.1 研究背景------------------------------------------------------------------1
1.2研究問題-------------------------------------------------------------------2
1.3文獻回顧-------------------------------------------------------------------2
1.4研究目的-------------------------------------------------------------------5
1.5研究方法及流程----------------------------------------------------------6
1.6論文結構-------------------------------------------------------------------8
第二章 振動的影響及理論基礎-------------------------------------------------9
2.1 振動的影響---------------------------------------------------------------9
2.1.1 振動名詞介紹-------------------------------------------------------9
2.1.2 振動之現象與原因-----------------------------------------------12
2.1.3 振動之危害--------------------------------------------------------16
2.1.4 如何簡易判斷工具機振源--------------------------------------18
2.1.5 振動之特性與其運用--------------------------------------------19
2.2 有限元素法-------------------------------------------------------------24
2.3 結構動態平衡方程式-------------------------------------------------24
第三章 綜合加工機有限元素模型建立--------------------------------------27
3.1 有限元素模型建立----------------------------------------------------27
3.1.1 模型建構-----------------------------------------------------------27
3.1.2 元素設定及材料定義--------------------------------------------30
3.1.3 模型網格化--------------------------------------------------------31
3.2 邊界條件設定----------------------------------------------------------34
第四章 綜合加工機結構動態特性分析--------------------------------------36
4.1 結構自然振動頻率----------------------------------------------------36
4.2 結構模態分析----------------------------------------------------------37
4.3 模態分析結果討論----------------------------------------------------45
第五章 實驗架設與模態頻率量測--------------------------------------------47
5.1 實驗目的----------------------------------------------------------------47
5.2 實驗設備介紹----------------------------------------------------------47
5.2.1 衝擊錘--------------------------------------------------------------47
5.2.2 頻譜分析儀--------------------------------------------------------49
5.2.3 單軸加速規--------------------------------------------------------50
5.3 實驗流程----------------------------------------------------------------52
5.4 模態頻率量測----------------------------------------------------------54
5.4.1 實驗細節說明-----------------------------------------------------54
5.4.2 模態頻率量測-----------------------------------------------------56
第六章 模態頻率量測結果與討論--------------------------------------------81
6.1 模態頻率量測結果----------------------------------------------------81
6.2模態頻率量測結果之討論--------------------------------------------82
第七章 結論與建議--------------------------------------------------------------84
7.1 結論----------------------------------------------------------------------84
7.2 建議----------------------------------------------------------------------86
參考文獻---------------------------------------------------------------------------88
附錄1-------------------------------------------------------------------------------91

圖目錄
圖1.1 研究流程圖------------------------------------------------------------------7
圖2.1 週期、頻率及位移振幅----------------------------------------------------9
圖2.2 鐘擺自然頻率-------------------------------------------------------------10
圖2.3 質塊彈簧系統的自然頻率----------------------------------------------10
圖2.4 質量彈簧系統之振動現象----------------------------------------------13
圖2.5 三種可能造成機器損壞的振動波形----------------------------------16
圖2.6 以簡化的機械系統來模擬人體的振動行為-------------------------17
圖2.7 工具機振源簡易判斷流程圖-------------------------------------------19
圖2.8 音叉受敲擊時以固定的頻率振動及發音----------------------------20
圖2.9 單自由度系統振動位移、速度、加速度之關係-------------------21
圖2.10 兩組質量彈簧系統有90度的相位差-------------------------------21
圖2.11 不同的振動頻率對應於不同的故障原因---------------------------22
圖3.1 Model(A)五大鑄件結構及配置-----------------------------------------28
圖3.2 Model(A)結構剖面圖-----------------------------------------------------28
圖3.3 Model(B)五大鑄件結構及配置-----------------------------------------29
圖3.4 Model(B)結構剖面圖-----------------------------------------------------30
圖3.5 六面體八點元素的應用例子-------------------------------------------31
圖3.6 Model(A)網格化模型(一)------------------------------------------------32
圖3.7 Model(A)網格化模型(二) -----------------------------------------------32
圖3.8 Model(B)網格化模型(一) -----------------------------------------------33
圖3.9 Model(B)網格化模型(二) -----------------------------------------------33
圖3.10 Model(A)邊界條件------------------------------------------------------34
圖3.11 Model(B)邊界條件-------------------------------------------------------35
圖4.1 Model(A)第一模態及第二模態-----------------------------------------37
圖4.2 Model(A)第三模態及第四模態-----------------------------------------38
圖4.3 Model(A)第五模態及第六模態-----------------------------------------39
圖4.4 Model(A)第七模態及第八模態-----------------------------------------39
圖4.5 Model(A)第九模態及第十模態-----------------------------------------40
圖4.6 Model(B)第一模態及第二模態-----------------------------------------41
圖4.7 Model(B)第三模態及第四模態-----------------------------------------42
圖4.8 Model(B)第五模態及第六模態-----------------------------------------43
圖4.9 Model(B)第七模態及第八模態-----------------------------------------43
圖4.10 Model(B)第九模態及第十模態---------------------------------------44
圖5.1 衝擊錘(一) ----------------------------------------------------------------48
圖5.2 衝擊錘(二) ----------------------------------------------------------------48
圖5.3 AD3551頻譜分析儀------------------------------------------------------49
圖5.4 PW700全方位振動噪音頻譜分析儀----------------------------------50
圖5.5 AD3551頻譜分析儀的單軸加速規--------------------------------- --51
圖5.6 PW700振動噪音頻譜分析儀的三個單軸加速規-------------------51
圖5.7 加速規安裝方式----------------------------------------------------------52
圖5.8 實驗流程圖----------------------------------------------------------------53
圖5.9 Model(A)量測點-----------------------------------------------------------55
圖5.10 Model(B)量測點---------------------------------------------------------56
圖5.11 Model(A)的整體外型---------------------------------------------------56
圖5.12 Model(A)無外殼的內部結構------------------------------------------57
圖5.13 Model(A)量測點1加速規固定位置---------------------------------58
圖5.14 Model(A)點1的量測值------------------------------------------------58
圖5.15 MATLAB繪出的頻譜圖與量測時頻譜儀的對照圖---------------59
圖5.16 Model(A)量測點2的加速規固定位置------------------------------60
圖5.17 Model(A)點2的量測值-------------------------------------------------60
圖5.18 MATLAB繪出的頻譜圖與量測時頻譜儀的對照圖---------------61
圖5.19 Model(A)量測點3的加速規固定位置------------------------------ 62
圖5.20 Model(A)點3的量測值-------------------------------------------------62
圖5.21 MATLAB繪出的頻譜圖與量測時頻譜儀的對照圖---------------63
圖5.22 Model(A)量測點4的加速規固定位置-------------------------------64
圖5.23 Model(A)點4的量測值-------------------------------------------------64
圖5.24 MATLAB繪出的頻譜圖與量測時頻譜儀的對照圖---------------65
圖5.25 Model(A)量測點5的加速規固定位置------------------------------ 66
圖5.26 Model(A)點5的量測值-------------------------------------------------66
圖5.27 MATLAB繪出的頻譜圖與量測時頻譜儀的對照圖---------------67
圖5.28 Model(A)量測點6的加速規固定位置-------------------------------68
圖5.29 Model(A)點6的量測值-------------------------------------------------68
圖5.30 MATLAB繪出的頻譜圖與量測時頻譜儀的對照圖---------------69
圖5.31 Model(A)量測點7的加速規固定位置-------------------------------70
圖5.32 Model(A)點7的量測值-------------------------------------------------70
圖5.33 MATLAB繪出的頻譜圖與量測時頻譜儀的對照圖---------------71
圖5.34 Model(B)的整體外型---------------------------------------------------71
圖5.35 Model(B)量測點1的加速規固定位置------------------------------ 72
圖5.36 Model(B)點1的量測值------------------------------------------------73
圖5.37 MATLAB繪出的頻譜圖與頻譜儀輸出的Excel對照圖----------73
圖5.38 Model(B)量測點2的加速規固定位置------------------------------ 74
圖5.39 Model(B)點2的量測值-------------------------------------------------75
圖5.40 MATLAB繪出的頻譜圖與頻譜儀輸出的Excel對照圖----------75
圖5.41 Model(B)量測點3的加速規固定位置-------------------------------76
圖5.42 Model(B)點3的量測值-------------------------------------------------77
圖5.43 MATLAB繪出的頻譜圖與頻譜儀輸出的Excel對照圖----------77
圖5.44 Model(B)量測點4的加速規固定位置-------------------------------78
圖5.45Model(B)點4的量測值--------------------------------------------------79
圖5.46 MATLAB繪出的頻譜圖與頻譜儀輸出的Excel對照圖----------79
圖5.47 Model(B)量測點5的加速規固定位置-------------------------------80












表目錄
表3.1 Model(A)及Model(B)的材料性質表----------------------------------31
表4.1 Model(A)及Model(B)的自然振動頻率表-----------------------------36
表6.1 Model(A)的FEM分析值與實驗量測值對照表----------------------81
表6.2 Model(B)的FEM分析值與實驗量測值對照表--------------------- 82
參考文獻
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