機(jī)床固定結(jié)合部動(dòng)力學(xué)特性與整機(jī)動(dòng)力學(xué)建模研究.pdf

1、現(xiàn)代高效高精度加工對(duì)機(jī)床性能要求越來(lái)越高，且有競(jìng)爭(zhēng)力的機(jī)床生命周期不斷縮短，傳統(tǒng)的物理原型機(jī)制造、測(cè)試、修改、優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法逐漸不能滿(mǎn)足現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)需求。運(yùn)用虛擬機(jī)床技術(shù)建立機(jī)床結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，在設(shè)計(jì)階段預(yù)測(cè)機(jī)床靜動(dòng)態(tài)性能，并根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果修正設(shè)計(jì)方案，最終達(dá)到設(shè)計(jì)要求是實(shí)現(xiàn)高效高水平機(jī)床設(shè)計(jì)的一種新途徑。建立能準(zhǔn)確模擬機(jī)床結(jié)構(gòu)靜動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型是虛擬機(jī)床技術(shù)的基礎(chǔ)，而機(jī)床結(jié)合部的建模則是機(jī)床結(jié)構(gòu)建模中的難點(diǎn)和關(guān)鍵。
　　本文以數(shù)

2、控機(jī)床結(jié)合部為研究對(duì)象，運(yùn)用有限單元法、實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析法和現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)動(dòng)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(gè)關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)深入研究。主要工作有如下幾點(diǎn)：
　　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(shí)別方法。該模型用帶錐度的有限單元?jiǎng)偠染仃嚭妥枘岜认禂?shù)來(lái)模擬主軸-刀柄錐面配合固定結(jié)合部的動(dòng)態(tài)固有特性?；诮Y(jié)構(gòu)頻響函數(shù)矩陣與動(dòng)剛度矩陣互逆關(guān)系，利用模態(tài)實(shí)驗(yàn)法測(cè)試得到的

3、頻響函數(shù)識(shí)別帶錐度的有限單元參數(shù)。通過(guò)不同數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值的比較，驗(yàn)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(dòng)力學(xué)特性。
　　第二，分析結(jié)構(gòu)材料對(duì)機(jī)床螺栓固定結(jié)合部動(dòng)力學(xué)特性的影響。分別基于Hertz接觸理論和實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析法，推導(dǎo)了不同材料配對(duì)螺栓固定結(jié)合部單元?jiǎng)偠染仃嚺c螺栓連接部件材料的等效彈性模量之間的統(tǒng)計(jì)模型。通過(guò)機(jī)床常見(jiàn)的螺栓連接部件建模應(yīng)用，驗(yàn)證該統(tǒng)計(jì)模型的正確性。該正比關(guān)系定量的揭示了材料參數(shù)對(duì)螺栓固

4、定結(jié)合部動(dòng)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(jī)床結(jié)構(gòu)動(dòng)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(dòng)結(jié)合部的彈簧單元模型，合成機(jī)床整機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型。將該方法應(yīng)用于CKX5680機(jī)床、YK31320滾齒機(jī)結(jié)構(gòu)和XCM1600機(jī)床整機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)建模，模型計(jì)算的機(jī)床結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)態(tài)特性參數(shù)與實(shí)驗(yàn)值基本一致，說(shuō)明該建模方

5、法能夠準(zhǔn)確建立機(jī)床結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型。
　　第四，以提高結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性為目標(biāo)，采用優(yōu)化方法確定機(jī)床多單元螺栓固定結(jié)合部動(dòng)力學(xué)特性影響因素?；诼菟ü潭ńY(jié)合部動(dòng)力學(xué)特性影響因素分析，確定優(yōu)化設(shè)計(jì)變量為螺栓數(shù)目和公稱(chēng)直徑。通過(guò)約束條件分析，確定螺栓數(shù)目和公稱(chēng)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(chēng)直徑使結(jié)構(gòu)獲得更好的動(dòng)力學(xué)特性。為機(jī)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(jī)床為例，分析結(jié)合部對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)柔度分布影響機(jī)制。建立該機(jī)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(jī)床整機(jī)結(jié)構(gòu)有限元模型計(jì)算結(jié)果，結(jié)合機(jī)床結(jié)構(gòu)在內(nèi)力傳遞路徑等效彈簧模型，分析機(jī)床結(jié)合部對(duì)整機(jī)靜態(tài)柔度影響系數(shù)的影響，結(jié)果顯示機(jī)床結(jié)合部對(duì)整機(jī)X、Z方向靜態(tài)柔度的貢獻(xiàn)度分別為18.1532％和27.3615%。
　　本文圍繞機(jī)床固定結(jié)合部動(dòng)力學(xué)建模及應(yīng)用展開(kāi)研究。建立機(jī)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(dòng)力學(xué)特性與材料屬性參數(shù)之間的統(tǒng)計(jì)模型。在基于剛度影響因子法的螺栓固定結(jié)合部動(dòng)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(duì)機(jī)床多單元螺栓固定結(jié)合部參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。基于所提出的固定結(jié)合部動(dòng)力學(xué)模型，并綜合可動(dòng)結(jié)合部經(jīng)典彈簧單元模型，提出機(jī)床整機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)建模思路，通過(guò)機(jī)床結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)建模示例驗(yàn)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(duì)機(jī)床整機(jī)結(jié)構(gòu)靜