機床固定結合部動力學特性與整機動力學建模研究.pdf

1、現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，傳統的物理原型機制造、測試、修改、優(yōu)化的設計方法逐漸不能滿足現代機床設計需求。運用虛擬機床技術建立機床結構的數學模型，在設計階段預測機床靜動態(tài)性能，并根據預測結果修正設計方案，最終達到設計要求是實現高效高水平機床設計的一種新途徑。建立能準確模擬機床結構靜動態(tài)特性的數學模型是虛擬機床技術的基礎，而機床結合部的建模則是機床結構建模中的難點和關鍵。
　　本文以數

2、控機床結合部為研究對象，運用有限單元法、實驗模態(tài)分析法和現代優(yōu)化設計方法，對機床結構動力學建模中的結合部建模、模型參數獲取、影響因素分析和應用技術四個關鍵技術展開深入研究。主要工作有如下幾點：
　　第一，提出主軸-刀柄錐面配合固定結合部的帶錐度的有限單元模型及參數識別方法。該模型用帶錐度的有限單元剛度矩陣和阻尼比系數來模擬主軸-刀柄錐面配合固定結合部的動態(tài)固有特性?；诮Y構頻響函數矩陣與動剛度矩陣互逆關系，利用模態(tài)實驗法測試得到的

3、頻響函數識別帶錐度的有限單元參數。通過不同數學模型計算結果與實驗值的比較，驗證了該有限單元模型能夠準確模擬錐面配合固定結合部的動力學特性。
　　第二，分析結構材料對機床螺栓固定結合部動力學特性的影響。分別基于Hertz接觸理論和實驗模態(tài)分析法，推導了不同材料配對螺栓固定結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計模型。通過機床常見的螺栓連接部件建模應用，驗證該統計模型的正確性。該正比關系定量的揭示了材料參數對螺栓固

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

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

6、>　　最后，以XCM1600機床為例，分析結合部對機床結構柔度分布影響機制。建立該機床結構的內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機床整機結構有限元模型計算結果，結合機床結構在內力傳遞路徑等效彈簧模型，分析機床結合部對整機靜態(tài)柔度影響系數的影響，結果顯示機床結合部對整機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合部動力學建模及應用展開研究。建立機床錐面配

7、合固定結合部的帶錐度的有限單元模型，確定螺栓固定結合部動力學特性與材料屬性參數之間的統計模型。在基于剛度影響因子法的螺栓固定結合部動力學模型及與單元尺寸、預緊力及材料屬性參數之間的定量關系的基礎上，對機床多單元螺栓固定結合部參數進行優(yōu)化設計?；谒岢龅墓潭ńY合部動力學模型，并綜合可動結合部經典彈簧單元模型，提出機床整機結構動力學建模思路，通過機床結構動力學建模示例驗證該建模思路的有效性和正確性。并在此基礎上，分析結合部對機床整機結構靜