機床固定結(jié)合部動力學(xué)特性與整機動力學(xué)建模研究.pdf

1、現(xiàn)代高效高精度加工對機床性能要求越來越高，且有競爭力的機床生命周期不斷縮短，傳統(tǒng)的物理原型機制造、測試、修改、優(yōu)化的設(shè)計方法逐漸不能滿足現(xiàn)代機床設(shè)計需求。運用虛擬機床技術(shù)建立機床結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，在設(shè)計階段預(yù)測機床靜動態(tài)性能，并根據(jù)預(yù)測結(jié)果修正設(shè)計方案，最終達到設(shè)計要求是實現(xiàn)高效高水平機床設(shè)計的一種新途徑。建立能準(zhǔn)確模擬機床結(jié)構(gòu)靜動態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型是虛擬機床技術(shù)的基礎(chǔ)，而機床結(jié)合部的建模則是機床結(jié)構(gòu)建模中的難點和關(guān)鍵。
　　本文以數(shù)

2、控機床結(jié)合部為研究對象，運用有限單元法、實驗?zāi)B(tài)分析法和現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計方法，對機床結(jié)構(gòu)動力學(xué)建模中的結(jié)合部建模、模型參數(shù)獲取、影響因素分析和應(yīng)用技術(shù)四個關(guān)鍵技術(shù)展開深入研究。主要工作有如下幾點：
　　第一，提出主軸-刀柄錐面配合固定結(jié)合部的帶錐度的有限單元模型及參數(shù)識別方法。該模型用帶錐度的有限單元剛度矩陣和阻尼比系數(shù)來模擬主軸-刀柄錐面配合固定結(jié)合部的動態(tài)固有特性。基于結(jié)構(gòu)頻響函數(shù)矩陣與動剛度矩陣互逆關(guān)系，利用模態(tài)實驗法測試得到的

3、頻響函數(shù)識別帶錐度的有限單元參數(shù)。通過不同數(shù)學(xué)模型計算結(jié)果與實驗值的比較，驗證了該有限單元模型能夠準(zhǔn)確模擬錐面配合固定結(jié)合部的動力學(xué)特性。
　　第二，分析結(jié)構(gòu)材料對機床螺栓固定結(jié)合部動力學(xué)特性的影響。分別基于Hertz接觸理論和實驗?zāi)B(tài)分析法，推導(dǎo)了不同材料配對螺栓固定結(jié)合部單元剛度矩陣與螺栓連接部件材料的等效彈性模量之間的統(tǒng)計模型。通過機床常見的螺栓連接部件建模應(yīng)用，驗證該統(tǒng)計模型的正確性。該正比關(guān)系定量的揭示了材料參數(shù)對螺栓固

4、定結(jié)合部動力學(xué)特性的影響，為螺栓固定結(jié)合部單元模型的廣泛應(yīng)用提供了便利。
　　第三，基于結(jié)合部精確模型的機床結(jié)構(gòu)動力學(xué)建模。將螺栓固定結(jié)合部和錐面配合固定結(jié)合部的有限單元模型集成到有限元軟件中，與結(jié)構(gòu)組件的有限元模型、可動結(jié)合部的彈簧單元模型，合成機床整機結(jié)構(gòu)動力學(xué)模型。將該方法應(yīng)用于CKX5680機床、YK31320滾齒機結(jié)構(gòu)和XCM1600機床整機結(jié)構(gòu)動力學(xué)建模，模型計算的機床結(jié)構(gòu)靜、動態(tài)特性參數(shù)與實驗值基本一致，說明該建模方

5、法能夠準(zhǔn)確建立機床結(jié)構(gòu)動力學(xué)模型。
　　第四，以提高結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特性為目標(biāo)，采用優(yōu)化方法確定機床多單元螺栓固定結(jié)合部動力學(xué)特性影響因素?；诼菟ü潭ńY(jié)合部動力學(xué)特性影響因素分析，確定優(yōu)化設(shè)計變量為螺栓數(shù)目和公稱直徑。通過約束條件分析，確定螺栓數(shù)目和公稱直徑的可行解范圍。根據(jù)許可的頻率損耗因子，在可行解范圍內(nèi)，選取最優(yōu)的螺栓數(shù)目和公稱直徑使結(jié)構(gòu)獲得更好的動力學(xué)特性。為機床多單元螺栓固定結(jié)合部結(jié)合面參數(shù)確定提供了一種有效的方法。

6、>　　最后，以XCM1600機床為例，分析結(jié)合部對機床結(jié)構(gòu)柔度分布影響機制。建立該機床結(jié)構(gòu)的內(nèi)力傳遞路徑等效彈簧模型和柔度分布表征。利用所建立的XCM1600機床整機結(jié)構(gòu)有限元模型計算結(jié)果，結(jié)合機床結(jié)構(gòu)在內(nèi)力傳遞路徑等效彈簧模型，分析機床結(jié)合部對整機靜態(tài)柔度影響系數(shù)的影響，結(jié)果顯示機床結(jié)合部對整機X、Z方向靜態(tài)柔度的貢獻度分別為18.1532％和27.3615%。
　　本文圍繞機床固定結(jié)合部動力學(xué)建模及應(yīng)用展開研究。建立機床錐面配

7、合固定結(jié)合部的帶錐度的有限單元模型，確定螺栓固定結(jié)合部動力學(xué)特性與材料屬性參數(shù)之間的統(tǒng)計模型。在基于剛度影響因子法的螺栓固定結(jié)合部動力學(xué)模型及與單元尺寸、預(yù)緊力及材料屬性參數(shù)之間的定量關(guān)系的基礎(chǔ)上，對機床多單元螺栓固定結(jié)合部參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。基于所提出的固定結(jié)合部動力學(xué)模型，并綜合可動結(jié)合部經(jīng)典彈簧單元模型，提出機床整機結(jié)構(gòu)動力學(xué)建模思路，通過機床結(jié)構(gòu)動力學(xué)建模示例驗證該建模思路的有效性和正確性。并在此基礎(chǔ)上，分析結(jié)合部對機床整機結(jié)構(gòu)靜