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5.3 精密机床


5.3.1 精密机床隔振设计时,应根据环境振动测试结果优选工作场地。
5.3.2 精密机床的隔振计算应包括下列内容:
    1 隔振体系固有频率;
    2 隔振体系在外部干扰振动作用下的振动响应;
    3 当机床本身有内部较大扰力时,验算机床因内部扰力产生的振动响应;
    4 本条第2款和第3款计算结果的叠加值,满足精密机床的振动容许值的要求。
5.3.3 用于精密机床的隔振器各向阻尼比不应小于0.10。当机床内有加速度较大的回转部件或快速往复运动部件时,隔振器各向阻尼比不宜小于0.15。
5.3.4 当机床有内部扰力时,台座的一阶弯曲固有频率不宜小于机床最高干扰频率的1.25倍。台座结构的一阶弯曲固有频率,可按下式计算:
式中:fb1——台座结构的一阶弯曲固有频率(Hz);
           E——台座材料的弹性模量(N/m2);
            I——台座结构的截面惯性矩(m4);
            l1——台座结构的长度(m);
            m——台座结构与机床的质量(kg)。
5.3.5 当机床具有慢速往复运动部件时,机床质量中心变化产生的倾斜度不应大于机床倾斜度的容许值,机床倾斜度容许值宜由设备制造厂提供,机床的倾斜度宜按下式计算:
式中:θ——机床倾斜度;
          mj——机床往复运动部件的质量(kg);
          uv——移动部分质心相对于初始状态的移动距离(m);
          Kgi——各支承点的竖向刚度(N/m);
          xgi——各支承点距刚度中心的坐标(m)。
5.3.6 当机床台座为大块式台座时,在下列情况下,可不计算机床内部扰力产生的振动响应:
    1 当内部仅有不平衡质量产生的内部扰力,且最大转动质量小于机床和台座总质量的1/100时;
    2 当内部最大扰力小于机床和台座总重量的1/1000时。
5.3.7 下列情况下,机床应设置台座结构:
    1 机床由若干个分离部分组成,需要将各部分连成整体时;
    2 机床直接采用弹性支承,需要设置台座结构满足机床的刚度要求时;
    3 机床内部扰力产生的振动值大于机床的容许振动值,需要增加机床的刚度和配重时;
    4 机床有慢速往复运动部件使机床产生较大倾斜,需要增加配重时。
5.3.8 精密机床隔振应采用高度可调节的隔振器。
条文说明
5.3.1、5.3.2 这两条列出了精密机床被动隔振设计时需要考虑的因素:
    (1)精密机床对环境振动要求较高,不同场地的环境振动相差可达10倍以上,选择好的场地可以减少被动隔振的难度,以最低的成本达到事半功倍的效果。设计机床前需要对候选场地进行环境振动测试,并根据测试结果优选场地。
    (2)隔振体系在外部干扰力作用下的振动响应的计算见本标准第5.1节计算规定,主要计算隔振体系质心处或参考点处的振动位移或速度。
    (3)机床在外部扰力作用下振动与自身扰力产生的振动叠加后,需要满足机床的容许振动值,不满足时可降低隔振体系固有频率或加大台座质量,仍不满足时需要考虑其他辅助措施,如对振源采取主动隔振措施。
5.3.3 阻尼的作用是当机床受到振动干扰时吸收振动能量、抑制系统振幅,使机床迅速恢复平稳,但阻尼太大会降低隔振效率。一般情况下,精密机床的扰力不大,隔振系统的阻尼比取0.10已足够。当机床有加速度较大的回转或快速移动部件时,如精密加工中心,需要适当加大阻尼比,以保证机床的稳定性,此时阻尼比要求大于0.15。
5.3.4 计算机床内部干扰力产生的振动响应时,按框架式台座计算要比按大块式台座复杂得多,现行国家标准《动力机器基础设计规范》GB50040做了相关规定。多数情况下机床和台座的刚度及质量相对于内部干扰力较大,按大块式台座计算已足够准确,亦即将台座结构视作刚体。为了既能简化计算又不失原则性,本条借鉴德国工业标准DIN4024,推荐了频率控制方法和相应算式,按此方法可以较快地确定台座结构的尺寸,并避免台座与内部干扰源产生共振,使满足该条件的台座可按大块式台座计算。
    如果台座结构的一阶弯曲固有频率不能满足不小于机床最高干扰频率的1.25倍时,可加大台座结构的厚度使之满足,仍不满足时,需要按框架式台座计算台座的振动响应。
5.3.5 当机床采用固定基础时,机床上慢速往复运动的部件不会使机床产生明显的倾斜。但在弹性基础的情况下,移动部件如轧辊磨床的移动砂轮工作台会使机床质量重心变化而使机床稍微倾斜,这是采用弹性基础无法避免的特点,但大多数情况下并不影响机床的功能和精度。只有倾斜度过大,或某些机床对重力较敏感时,才有必要控制。采用式(5.3.5)可快速方便地计算机床的倾斜度。
    式(5.3.5)既适用于绝对倾斜度的计算(相对于机床为水平时的初始状态),也适用于移动质量质心任意两位置之间的相对倾斜度变化的计算。
5.3.6 当精密设备台座为大块式台座,且自身振动产生的振动响应也很小时,可不必计算其内部扰力引起的振动响应。本条借鉴德国工业标准DIN4024给出的量化判断依据。
5.3.7 本条列出了需设台座结构的情况及用途。设置台座结构可增加隔振体系的质量和刚度以减少机床内部扰力产生的振动;对于有慢速往复运动部件的机床,设置台座结构增加隔振体系的质量,以降低机床的倾斜度。
5.3.8 高度调节元件能方便设备安装调平,并可以在基础发生沉降后重新调平。
 
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工程隔振设计标准 GB50463-2019
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