主軸系統(tǒng)熱特性及切削振動(dòng)辨識(shí)研究.pdf

1、機(jī)床日益朝著精度更高、速度更高的方向發(fā)展，提出了更高的機(jī)床設(shè)計(jì)要求。決定機(jī)床精度特性的重要組件是主軸系統(tǒng)，是機(jī)床發(fā)展路線的主要方面。主軸系統(tǒng)作為機(jī)床中最重要的組件之一，在整機(jī)系統(tǒng)中提供動(dòng)力給刀具或加工件，其性能對(duì)機(jī)床的制造精度、工件的表面粗糙度和加工效率有著很大的影響。研究影響主軸系統(tǒng)精度的熱特性、動(dòng)力特性等方面，具有很大的現(xiàn)實(shí)意義和理論意義。
　　主軸系統(tǒng)的摩擦熱顯著影響著主軸系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性,是影響加工精度和效率的主要因素，而

2、主軸系統(tǒng)所產(chǎn)生的摩擦熱則主要來(lái)自軸承滾動(dòng)體與內(nèi)外圈的摩擦力，故本文首先詳細(xì)分析了主軸軸承的動(dòng)力及熱特性，利用Hertz接觸理論，推導(dǎo)出了其簡(jiǎn)化計(jì)算方法，計(jì)算了主軸軸承內(nèi)外圈溝道的接觸區(qū)域參數(shù)和接觸載荷，詳細(xì)分析計(jì)算了軸承在旋轉(zhuǎn)中所受的各種作用力，建立了考慮熱特性的主軸軸承計(jì)算模型和剛度矩陣。針對(duì)主軸軸承的熱特性，利用有限元模型進(jìn)行了計(jì)算，較為準(zhǔn)確地顯示了軸承膨脹力和溫度分布。由于有限元網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的適應(yīng)性，其可隨軸承接觸角的變化而改變，也即

3、可隨主軸轉(zhuǎn)速、預(yù)緊力的不同，而適應(yīng)不同的有限元網(wǎng)格，從而得到較為準(zhǔn)確的軸承熱膨脹力，計(jì)入到軸承接觸載荷中。同時(shí)，詳細(xì)考慮了軸承所受的各種摩擦力矩，計(jì)算了軸承的熱流量，并推導(dǎo)出了軸承內(nèi)外圈與滾動(dòng)體的表面接觸熱阻，為主軸系統(tǒng)的熱特性分析，建立了理論依據(jù)。
　　本文使用了Timoshenko梁理論推導(dǎo)出了主軸的梁?jiǎn)卧\(yùn)動(dòng)方程，建立起考慮熱特性的主軸系統(tǒng)通用有限元模型。在此模型中考慮了主軸內(nèi)部的阻尼作用，建立起主軸的通用有限元模型，公式化

4、為與主軸質(zhì)量和剛度矩陣相關(guān)聯(lián)的線性函數(shù)。結(jié)合所建立的考慮熱特性的軸承有限元模型，與主軸有限元模型一起，聯(lián)合建立起了考慮熱特性的主軸系統(tǒng)通用有限元模型。建立的模型把熱影響引入到了主軸系統(tǒng)中，方便地分析了主軸系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速和預(yù)緊力情況下的動(dòng)力學(xué)特性，使主軸系統(tǒng)有限元模型更加符合實(shí)際情況，可以為主軸設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，以保證主軸的最大動(dòng)態(tài)剛度和功率利用的最大化。
　　主軸系統(tǒng)的熱特性所產(chǎn)生的影響，會(huì)對(duì)精度產(chǎn)生很大的影響。本文使用基于數(shù)據(jù)變

5、換方法的ANFIS模型，構(gòu)建了基于ANFIS的主軸熱位移預(yù)測(cè)模型。首先通過(guò)小波變換和低頻信號(hào)重構(gòu)對(duì)主軸的溫度和熱位移數(shù)據(jù)等緩慢變化量進(jìn)行了信息提取，有效地避免了外界高頻信號(hào)的干擾，再使用提出的數(shù)據(jù)空間變換方法，近似變換數(shù)據(jù)到ANFIS模型的輸入空間，再通過(guò)ANFIS模型進(jìn)行準(zhǔn)確地映射，保證了映射結(jié)果的有效性，其模型的正確性通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。同時(shí)，對(duì)ANFIS模型使用遺傳算法對(duì)原有算法進(jìn)行了改進(jìn)，改用遺傳算法后，克服了原有算法陷入局部最

6、優(yōu)的缺點(diǎn)。對(duì)加工精度有較大影響的另一個(gè)因素是切削加工中主軸系統(tǒng)所產(chǎn)生的振動(dòng)。本文基于小波包能量熵和高階累計(jì)量譜理論提出了一種識(shí)別切削振動(dòng)狀態(tài)的特征識(shí)別矢量?；谛〔ò芰啃畔㈧氐奶卣髯R(shí)別量利用小波包理論對(duì)切削振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了三層小波分解，并對(duì)每個(gè)子空間的信號(hào)進(jìn)行了重構(gòu)，使用信息熵來(lái)量化其能量分布情況，并研究了其小波包能量的分布狀況?；诟唠A累積量譜的特征識(shí)別量利用高階累積量譜理論統(tǒng)計(jì)了雙譜對(duì)角線切片極大值分布情況，采用概率中的離散系數(shù)來(lái)量