（机械制造及其自动化专业论文）数控机床固定结合面切向动态特性参数识别及其应用技术研究.pdf

硕士学位论文 数控机床固定结合面切向动态特性参数识别及其应用技术研究 摘要 i | | l f f l l f f i l f f ! | l l f l | | l i i f f i i 咖 y 2 0 6 0 7 11 建立准确的机床整机动力学模型，是提升高档数控机床数字化设计水平的重要保 证。固定结合面在机床结构中大量存在，研究如何建立准确的固定结合面动力学模型， 对促进高档数控机床的发展具有重要作用。论文在大量实验的基础上，对固定结合面的 切向动态特性进行了深入研究。 对结合面动态特性参数识别的l e v ) ，法进行了改进，运用m a t l a b 编制了相关程序， 提高了参数识别精度。通过在a n s y s 中建立不同数量及分布形式的弹簧、阻尼单元， 对识别得到的动刚度和阻尼值进行了验证，提出了结合面动态特性参数的有效性评价标 准。 在相关实验获取的1 0 0 0 组测试数据基础上，研究了结合面面积、载荷及结构形式 等因素对其切向动刚度的影响，提出了“面积比一动刚度 假设，指出了运用“吉村允 孝法 计算结合面切向动态特性存在的不足。分析了结合面载荷一动刚度曲线及其影响 规律，得出了载荷与切向动刚度的解析关系，并阐述了切向动刚度的产生原因。 运用m a t l a b 对测试数据进行了拟合，得到了结合面切向动刚度关于面积和载荷 的数学模型，结合“影响锥理论说明了结合面动态特性参数的应用方法。最后，将测 试数据应用于机床立柱一床身结构的有限元模型中并进行分析计算，比较了实验结果与 计算结果，说明了测试数据的有效性以及分析方法的准确性。 关键字：固定结合面，参数识别，切向动态特性，参数应用 a b 删硕士学位论文 a b s t r a c t a s 、v ea l lk n o w es t a b l i s hm ea c c u r a t ed 脚i cm o d e lo fm a c m n et o o l si sv e r yi i i l p o r t 2 m t f o rd e s i g i l i n gm 曲铲a d ec n cm a c h i n et o o l s ，a i l d l e r ea r el o t so ff e dj o i n t si i lt l l em a c l l i n e t o o l ，s os t i l d yo nh o wt 0b u i l dt h ep r e c i s ed y n 跚i cm o d e l o ff i x e dj o i n t si sa l s ov e r yi l l l p o n 习m t i i lt l l i sp a p e r ，t h et a i l g e n t i a ld y n 锄i cc h a r a c t e r i s t i c so ff 仅e dj o i m sa r ei n v e s t i g a t e db a s e do n a l o to fe x p e r i m e n t s l e v ym e t h o dw a si m p r o v e d 锄dc r e a t e da 1 1p r o g r 锄b ym a t l a bs ot h a tt h ed y i l a m i c c h a r a c t e r i s t i c s p a r a m e t e r s o ff i x e d j o i n t sc 锄b eo b t a i n e dp r e c i s e l y - s t u d i e d o nt 1 1 e a u t h e m i c a t i o nm e t h o do ft l l ep a r a m e t e r s ，s h o w e dt l l a tw em u s tr e a s o n a b l ec h o o s et h en u m b e r o fs t i f b l e s s d 锄p i n ge l e m e n t sa l l dd i 矧b u t e dt h ee l e m e m si n 此f i x e dj o i n t sb ya v e r a g e w h e na u t h e m i c a t i o nt h ep a r 锄e t e r s ，o 协e r 、i s ei tm a yc a u 8 e dal 鹕e re 1 1 r o rr e s u l t w i t l las e to ft e s t i n gd a t 量l et a l l g e m i a ld y n 锄i cc h a r a c t e r i s t i c so ff i x e dj o i n t sb a s eo n a r e a sa i l ds 钿j c t u r ea n dl o a dw 舔s t u d i e d ，p o i n t e do u tm e ”a r e ar a t i o d y n 锄i cs t i f m e s s ” h y p o t h e s i sa n d 恤s h o r t c o m i n g so fy 0 s h i m u mm o d e l a n a l y s i so f 血ed y n 锄i cs t i 腼e s s c i l a r a c 矧s t i c sc u r v e 锄di t se a e c tl a wb yl o a da r l dd y n 锄i cs t i f b l e s s ，a n dt h er e a s o n sf o r p r o d u c i n gm et a l l g e n t i a ld y n 锄i cs t i 丘h e s sw e r ed i s c u s s e d d e 2 l l 、v i t ht h et e s td a t ab ym a t l a b ，am a t h e m a t i c a lm o d e lo ft a n g e n t i a ld y n a i n i c s t i 丘h e s so na r e a sa l l dl o a dw a sp r e s e n t e d ，s h o w e dt h ea p p l i c a t i o nm e t h o do ft l l ed y n 枷c c h a r a c t e r i s t i c sp a 眦l e t e r sb y ”n g x i a n g z h u im e o 旷f i n a l l y ，p u tt h et e s td a t ai n t 0t 1 1 ef i i l i t e e l e m e n tc a j c u l a t i o nb ya n s y s ，a n dc o m b i n e dw i t hm ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ，s h o w e dm e e f r e c t i v e n e s so ft h et e s td a t aa n dt h ea c c u r a c yo f a n a l y s i sm e t h o d k e y w o r d s ：f i x e dj o i i l _ t s ，p a r a m e t e r si d e n t i f i c a t i o n ，t m g e n t i a ld y n 锄i cc h a r a c t e r i s t i c s ， p 龇黝e t e r sa p p l i c a t i o n l i 1 绪论 1 1 选题背景和意义 1 1 1 课题背景与来源 我国自1 9 5 8 年成功研制出第一台数控机床以来，经过5 0 多年的生产实践，已经形 成了一套具有中国特色的研发、生产、销售和经营管理模式，机床制造业获得了巨大发 展。如上海机床厂生产的超重型精密数控轧辊磨床，齐重数控下线的重型数控镗车床以 及齐二机床研发的超重型双立柱数控落地镗铣床等产品均达到了国际先进水平。 但从总体来看，我国自行设计生产的机床大都为低端产品。据2 0 1 1 年1 7 月的统 计数据表明，我国进口机床比同期增长了1 7 1 ，其中数控机床的进口同比提高5 0 以 上，且7 月进口机床单价同比增长了1 7 ，这说明我国对高档数控机床在很大程度上依 靠进口。与国外相比，国产机床主要表现为主轴转速低，快速进给速度慢，定位精度及 重复定位精度低等不足，直接导致了国内企业在高档数控机床的生产难以满足市场需 求，从而使得我国对国外高档数控机床的依赖程度较高。 2 0 0 8 年1 2 月2 4 日，温家宝总理主持召开了国务院常务会议，审议并原则通过了“高 档数控机床与基础制造装备”科技重大专项实施方案。按照专项规划，截至2 0 2 0 年， 航空航天、汽车、船舶、发电设备制造所需要的7 0 8 0 高档数控机床与基础制造装备 将立足国内。 本课题源于“高档数控机床与基础制造装备”国家科技重大专项“机床结合面 特性数据库及整机精度数字化设计系统( 课题编号2 0 0 9 z x 0 4 0 1 4 0 3 6 ) ”，其目的是对各 类机床结合面进行动态特性测试，建立有效的结合面动态特性参数数据库，提出考虑结 合面特性的机床整机动力学建模方法，开发考虑结合面特性的整机精度预测、装配和精 度设计软件系统和知识库，从而为机床整机动态特性分析及预测提供技术支持，并为提 高数控机床的数字化设计水平提供保障。 1 1 2 论文研究目的与意义 通常将部件、组件、零件之间相互接触的表面称为结合面，在机床产品中结合面大 量存在。研究表明，6 0 以上的机床刚度来源于结合面刚度，结合面阻尼对机床总阻尼 的贡献超过9 0 【1 】【2 1 。因此，建立准确的结合面动力学模型对机床整机动态特性分析和 预测具有重要作用，同时也是提升高档数控机床研发和制造水平的关键技术之一。 在大量实验的基础上，论文旨在通过对结合面切向动态特性参数识别及验证方法的 硕士学位论文数控机床固定结合面切向动态特性参数识别及其应用技术研究 研究，获得精确的固定结合面切向动态特性参数，从而为建立有效的机床结合面基础特 性数据库提供支持；并通过分析结合面面积、结构及载荷等因素对其切向动态特性的影 响，从而将小面积结合面上测试得到的动态特性参数应用于大面积结合面，以扩大测试 数据的通用性，并为准确分析和预测机床整机动态特性提供技术保障。 1 2 结合面动态特性研究概况 结合面在机床产品中大量存在，其动态特性对机床整机动态特性的预测与分析具有 重要影响。因此，自上世纪5 0 年代以来，已有许多学者对结合面的动态特性进行了研 究，出现了众多识别方法并获得了大量特性参数。 1 2 1 结合面接触特性研究 结合面动态特性是指当结合面受到动载荷作用时，会产生相对微小的线位移或角位 移，使得结合面问既储存能量又消耗能量，表现出弹簧和阻尼的特性，即存在接触刚度 和接触阻尼【3 l 。因此，结合面的动态特性本质上是由结合面的接触特性造成的。如果结 合面间完全接触，即结合面间为刚性连接，则被连接的两个部分只存在简单的装配关系， 那么就不存在结合面的动态特性影响。但在工程实际中，任何表面都不是绝对光滑的， 两个粗糙表面接触形成的结合面不能实现完全接触，而且结合面间实际接触状况具有较 强的非线性行为，因此对结合面接触特性的研究，一直受到许多学者的重视【4 j 。 g r e e n w o o d 和w i l l i 锄s o n 【5 】提出了计算结合面间真实接触面积的g w 模型，该模型 假设粗糙表面的微凸体均匀分布，微凸体的半径可以用平均曲率半径表示，并给出了当 粗糙表面与光滑表面接触时的真实接触面积计算公式。 贺林和朱均【6 】对粗糙表面接触分形模型进行了研究，说明了用m b 模型可以导出结 合面真实接触面积与载荷的关系，指出了影响结合面变形的因素和规律。并通过与g w 模型比较，说明了运用m b 模型计算结合面真实接触面积的合理性。 宋森熠【7 】等进一步研究了分形理论在描述具有统计自相似的机械加工表面时的优越 性，说明了运用分形理论在描述结合面的微观形貌时可以避免传统方法受到多参数性、 采样长度及仪器分辨率的影响，并认为结合面微观形貌分析理论将从当前的二维发展到 更加精确的三维分形理论。 尤晋闽和陈天宁【8 】在基于粗糙表面形貌统计分析的基础上，建立了结合面接触面积、 载荷以及刚度的统计模型，揭示了结合面接触特性的复杂非线性关系。研究表明，结合 面的真实接触面积不超过名义接触面积的l o ，且接触刚度随着塑性指数的增大而增 加。 l p e i 和s h v u n 【9 】【1 0 1 等人运用有限元仿真的方法，从弹性和弹塑性接触两个方面研 l 绪论 硕士学位论文 究了结合面载荷、表面粗糙度、屈服应力、应力分布以及塑性指数等因素对结合面接触 特性的影响。研究表明，结合面的真实接触面积与载荷呈线性关系，给出了结合面真实 接触面积关于载荷的计算公式；并说明了在不同的接触模型下，结合面间的真实接触区 域及应力分布是不同的。s 啪u l j 等人的研究还指出了波纹度对结合面应力分布的影 响。 从上述研究中可以得出，对结合面接触特性研究的主要工作是获得结合面的真实接 触面积、应力分布以及微凸体的弹塑性接触状况等。当前，可以根据g w 模型以及m b 模型在一定程度上得知结合面的真实接触面积，也可通过有限元分析的方法了解结合面 间的应力分布以及微凸体的弹塑性变形等。因此，虽然结合面的接触特性较复杂，但随 着更多研究工作的开展，一定会获得更符合实际的结合面接触特性计算模型，对结合面 接触问题的了解也将更加深入。 1 2 2 结合面动态特性参数识别方法研究 对结合面动态特性的研究，最基础的工作是要获得结合面的动态特性参数，即结合 面动刚度和阻尼值。当前，对结合面动态特性参数识别的方法主要有理论解析法和实验 法两种。 ( 1 ) 理论解析法 理论解析法是指运用相关动力学知识以及结合面接触模型，并通过建立运动微分方 程进行求解以获得结合面动刚度和阻尼值的方法。 张杰和童忠钫【l2 j 提出了结合面元与理想结合面的概念，说明了应用结合面元的动态 特性建模方法，该方法可以将结合面的动力学问题转化为有限元分析模型，并通过建立 包含结合面的动力学方程对结合面的参数进行识别，最后通过实验证明了建模方法的准 确性。 尤晋闽、陈天宁1 1 3 j 以及温淑花、张学良【1 4 】等人根据接触分形模型分别建立了结合面 的法向和切向动态特性分形模型，应用理论解析的方法获得了结合面的动刚度和阻尼 值。但由于结合面表面形貌的随机性和复杂性，因而接触分形模型不能完全准确地对结 合面的表面接触状态进行描述，只能定性地对结合面的动态特性做出比较。 赵宏林、丁庆新【l5 】等通过对结合部进行理论解析，推导出了结合面刚度和阻尼的表 达式，通过该表达式可以计算得到机床结合面的等效刚度和阻尼值，并给出了结合面刚 性和柔性结合的协调方程。运用该方法对x k 7 1 2 b 立式镗铣床进行建模和计算，并与实 验结果对比表明，两者固有频率相对误差小于9 ，说明了该方法的准确性。 毛宽民l l6 j 等人得出了结合面参数与螺栓预紧力间的数学模型，通过该模型，可求出 任意给定预紧力下的结合面动态特性参数，并通过实验验证了模型的有效性。 硕士学位论文数控机床固定结合面切向动态特性参数识别及其应用技术研究 h o n g l i a n gt i 觚【17 】【1 8 】等人提出了一种基于固定结合面动态特性的虚拟材料假设分析 方法，该方法可以根据h e n z 接触理论和分形理论推导出虚拟材料的弹性模量、剪切模 量、泊松比以及密度，并在有限元中建立虚拟材料组件的动力学模型，从而计算得到整 个结构的动态特性。通过该方法计算得到的固有频率与实验误差小于9 ，说明了该方 法的有效性。 杨红平【1 9 】等对结合面接触刚度的影响因素进行了定量化描述和特征分析，建立了改 进的粒子群算法与b p 神经网络算法相结合的计算模型。通过计算表明，该模型对结合 面刚度预测的准确度达到9 2 ，显示了计算方法的准确性。 与实验法相比，理论解析法避免了参数识别时测试装置的设计和搭建，从而节省了 大量人力、物力。但由于结合面动态特性的影响因素较多，理论解析法不可能将所有影 响因素都考虑在内，尤其是在结合面阻尼的理论成因尚未完全明了的情况下【2 ，希望运 用理论解析法获得结合面的动态特性参数存在很大局限性，因此其计算得到的参数的可 靠性需要被进一步验证。 ( 2 ) 实验法 实验法指通过搭建实验平台，测试系统的频响函数，从而获得结合面动刚度和阻尼 值的方法。在通常情况下，实验法中也会包含有限元的分析和计算。 y 对烈和c f b e a r d s 【2 1 】通过实验获得的频响函数，对结合面的动态特性参数进行 识别后指出，即使测试获得的频响函数误差在5 以下，对结合面参数的识别也有重要 影响。为了获得精确的结合面动态特性参数，必须尽可能多地利用有效的数据。尽管如 此，他们仍没有对结合面阻尼进行精确识别。 g u oq i l l t a o 【2 2 】等提出将结合面的动刚度和阻尼看作随机分布参数，运用基于响应面 法的模型修正法与分布代数法，对结合面的动态特性参数进行识别，结果表明该识别方 法有效。此外，研究了在现有的线性有限元模型基础上，结合具有正态分布的动刚度和 阻尼的模型，将其与实验进行对比，说明了该模型可以较好地反映真实结构的动态特性。 l e ig u o 、h u iz h a n g 【2 3 】等通过将有限单元法、集中参数法和模态测试法相结合的方 法识别结合面的动刚度，并在卧式加工中心进行了测试，计算值与测试值误差在1 0 以 内，说明了识别方法的有效性。该方法最大的优点是不需要搭建实验平台，而只需对机 床整机进行模态实验即可获得结合面动刚度，但不能对结合面阻尼进行识别。 张学玲【2 4 】等通过考虑微观结构特征建立了包含结合面特性的有限元模型，提出了一 种包含理论与测试模态分析的动态特性参数识别方法，并将计算与实验结果对比表明， 该方法简单有效。其缺点是参数的搜索过程较慢，需要经验指导才能提高计算效率。 k l l a n m i nm a 0 【2 5 】等将整个结构包括结合面在内测试得到的数据用于参数识别，该方 法可以对结合面的参数进行精确识别；同时基于不同自由度之间的耦合情况，建立了一 种考虑结合面子结构间相对运动的有限元模型，并通过实验验证了模型的有效性。 4 1 绪论 硕士学位论文 张华【z 6 j 等建立了滚动导轨结合面的动态特性参数识别模型，并研制了滚动导轨结合 面动态特性的测试装置，识别了施耐博格m r c 4 5 导轨的法向和切向动刚度。说明了载 荷对滚动导轨结合面的法向动刚度影响较小，对切向动刚度的改变量在1 0 左右。 刘晓平【27 j 等提出了将模糊优化和传递函数相结合的结合面动态特性参数识别方法， 通过该方法计算得到的参数值与用最小二乘法的计算结果进行比较，说明了该方法可以 避免传统识别方法的不足，提高了参数识别精度。 与理论分析法相比，用实验法对结合面动态特性参数进行识别，可以考虑到参数的 多种影响因素，测试得到的数据真实可靠。但从实验中获得的结合面动态特性参数大都 只针对某一特定的结合面结构，从而导致获得的数据通用性较差，不能很好地应用于工 程实际。此外，运用实验法进行结合面动态特性研究时，大多需要设计和制造专用的测 试装置，从而使得实验成本较高。 1 2 3 结合面动态特性影响因素研究 在获得结合面动态特性参数数据的基础上，许多学者对结合面动态特性的影响因素 进行了研究，获得了大量重要结论，并提出了改善机床结合面动态特性的措施。 李辉光【2 8 】等的研究表明，法向刚度随着压力增加先增大后减小，随着结合面表面粗 糙度增加而降低；切向刚度随着摩擦系数和法向载荷的增加而增大，随着切向载荷的增 加而减小，当切向载荷达到某一临界值后，接触面由微观滑移变为宏观滑动。 尤晋闽和陈天宁【2 9 】通过对悬臂梁结合面动刚度和阻尼的研究表明，法向面压使得油 脂润滑和无介质摩擦结合面动态特性呈现非线性变化，并且无介质结合面的特性参数值 要小于油脂润滑的特性参数值。 w pf u l 3 0 j 等分析了结合面材质、介质、法向面压以及粗糙度等因素对结合面动态 特性的影响。研究表明，结合面的材质对动刚度有较大影响，材料的弹性模量越大其动 刚度越大；不同粗糙度和加工方法组成的结合面其动刚度是不同的，无介质结合面阻尼 随着法向面压的增加而增大，对于结合面间有油的情况，油膜厚度能优化结合面的阻尼 特性。 j a s p r e e ts d h u p i a l 3 l j 等研究了结合面的动刚度及其非线性行为，表明尽管结合面的 非线性行为是微弱的，但对机床固有频率和振幅有很大影响；并通过实验，说明了结合 面的非线性行为对机床主轴转速及机床结构的动态稳定性具有重要影响。 总体来说，对结合面动态特性影响因素的研究，主要体现在以下几个方面【3 2 】： ( 1 ) 结合面的静态影响因素( 如结合面的载荷工况、材质及介质等因素) 对其动 态特性有较大影响； ( 2 ) 结合面上的振动频率、动载荷以及结合面间的动态位移影响； 5 硕士学位论文数控机床固定结合面切向动态特性参数识别及其应用技术研究 ( 3 ) 结合面间不同的结合条件导致对阻尼的影响不同。 1 2 4 结合面动态特性建模及应用研究 在识别得到了结合面动态特性参数后，为了将参数应用于机床整机动态特性分析和 预测，需要建立准确的动力学模型。 董金城【3 3 】等对结合面的建模方法进行了研究，通过将传统的弹簧一阻尼单元改进为 接触单元与弹簧一阻尼单元进行建模。并运用改进前后的方法建立了机床底座与床身结 构的结合面动力学模型，将计算结果与实测数据对比表明，改进后的建模方法更加准确， 为机床动力学建模提供了有效的方法。 刘海涛【3 4 】等利用摄动理论对包含机床结合面特性的机床整机动态特性进行了分析， 说明了在刚度矩阵摄动下机床的动态性能变化情况，得出了改变机床整机固有频率的定 量化方法。并将计算结果与仿真对比，其固有频率误差在5 以内，说明了该方法的有 效性。 赵宏林【3 5 】等分析了结合面特性参数的影响因素，得出了结合面动刚度的表达式，并 提出了将结合面动态特性参数应用于机械结构的融合技术。通过将其应用于某加工中心 的计算和实验，验证了该技术的准确性。 王世军【3 6 】等研究了机床导轨结合面的动态特性建模方法，通过将该方法应用于整机 动态特性解析中，计算结果与实际测试值较接近，为机床结合面的非线性处理及整机动 态特性预测开辟了道路。 王学林【3 7 】等运用有限元建模的方法，分析了底座与立柱结构的结合面刚度对机床动 态特性的影响，表明结合面刚度对机床动态特性有重要影响，并可通过修改有限元模型 快速得出机床的模态特性，为机床结构的改进提供了参考。 张广鹏【3 8 】等在获得结合面动态特性参数基础上，运用结合部单元及子结构合成的思 想建立了运动微分方程，并编制了相关预测软件。用该软件对某加工中心进行理论计算， 得到的固有频率与实测频率的最大误差为1 0 7 l ，该方法不仅可以用于机床的设计改 造，同时对新机床产品的设计开发也具有重要意义。 张乐【3 9 】等人基于结合面的动态特性，建立了x h 6 6 5 0 高速卧式加工中心的机床整机 数字化模型，并对其进行了动力学仿真。通过与实验对比表明，运用该方法建立的机床 整机动力学模型具有较高的精度，为机床整机动态特性预测奠定了基础。 许丹【4 0 】等在研究了结合面动态特性参数与载荷关系的基础上，建立了结合面的动力 学模型，并提出了一种基于多软件开发平台的联合仿真技术，该技术为整机动态特性分 析及预测提供了方法。 总之，对包含结合面特性的机床整机动力学建模已进行了许多尝试，取得了丰硕的 6 l 绪论硕士学位论文 研究成果。但由于结合面动态特性测试装置及参数识别方法各不相同，从而使得到目前 为止，对获得的测试数据没有统一的评价标准且参数通用性差，限制了结合面动态特性 参数在实际工程中的应用。因此，对结合面动态特性参数的有效性评价及通用性研究， 是结合面动态特性研究亟待解决的问题。 1 2 5 当前结合面动态特性研究的不足 尽管众多学者对结合面动态特性参数识别方法、影响因素及应用技术等进行了深入 研究，但由于结合面动态特性的复杂性，当前的研究仍存在以下不足： ( 1 ) 结合面动态特性参数识别精度不高。目前，对结合面动态特性参数的识别既 没有可靠的计算公式，又受到测试仪器分辨率、灵敏度等的影响，因此无论是理论解析 法还是实验法均无法得到精确的参数值。所以需要对参数识别方法进行更深入地研究， 以得到精确的结合面动态特性参数值。 ( 2 ) 不同识别方法得到的结合面动态特性参数缺乏有效的评价标准。至今为止， 虽然获得了大量结合面动态特性参数，但这些参数大都基于不同的计算方法或不同的测 试装置获得，从而使得参数间的数值差别较大，对某个参数的准确性无法判定。因此需 要对识别参数进行验证方法研究，以给出结合面动态特性参数的有效性评价标准。 ( 3 ) 识别得到的结合面动态特性参数通用性较差。由于机床结合面结构各不相同， 当前测试得到的数据只适用于某一个或某一类结合面，如何将识别的参数应用到不同的 机床结构上，尤其是将在小面积结合面上测试得到的参数应用于大面积结合面上，是进 行结合面动态特性建模亟待解决的问题。 1 3 论文结构及主要内容 基于结合面动态特性研究存在的不足，并结合“高档数控机床与基础制造装备”国 家科技重大专项的项目内容和要求，论文着重研究了固定结合面的切向动态特性，并在 大量实验的基础上，分别从参数识别与验证、影响因素及参数应用等方面进行了深入探 讨。全文主要内容如下： 第一章：绪论。说明了课题来源，对国内外关于结合面动态特性的研究现状进行了 概述，并阐述了论文的研究内容与意义。 第二章：结合面切向动态特性参数测试系统与识别模型。介绍了结合面切向动态特 性参数的测试装置，并对测试装置进行了力学模型简化，为参数识别奠定基础。 第三章：结合面切向动态特性参数识别及验证。提出了一种结合面动态特性参数的 识别方法，并运用a n s y s 对识别参数进行了有效性验证。 第四章：结合面切向动态特性影响因素实验研究。在大量实验的基础上，研究了结 7 硕士学位论文数控机床固定结合面切向动态特性参数识别及其应用技术研究 合面面积、结构及载荷等因素对其切向动态特性的影响。 第五章：结合面切向动态特性应用技术研究。提出了结合面切向动态特性建模方法， 在此基础上建立了机床立柱一床身结构的动力学模型，并与实验对比说明了建模方法的 准确性。 第六章：结论与展望。对全文的研究工作进行了总结，并对今后结合面动态特性的 研究方向进行了展望。 2 结合面切向动态特性参数测试系统与识别模型硕士学位论文 2 结合面切向动态特性参数测试系统与识别模型 结合面动态特性参数识别的方法主要有理论解析法和实验法。为了深入研究结合面 面积、结构及载荷等因素对切向动态特性的影响，论文采用实验法对结合面的切向动态 特性参数进行识别。本章简要介绍了实验法参数识别所用的测试系统，并对其进行了力 学模型简化，为结合面切向动态特性参数测试与识别奠定基础。 2 1 测试系统 2 1 1 测试装置及仪器 结合面切向动态特性参数测试系统由试验台( 图2 1 ) 、阻抗头( 图2 2 ) 、加速度 传感器( 图2 3 ) 、电动式激振器( 图2 4 ) 、上实验板( 图2 5 ) 、下实验板( 图2 6 ) 、 功率放大器( 图2 7 ) 、数据采集器( 图2 8 ) 、信号调理仪( 图2 。9 ) 、扭矩扳手( 图2 1 0 ) 、 粗糙度仪( 图2 1 1 ) 及计算机等实验设备组成。测试系统连接如图2 1 2 所示，其中测试 数据采集软件采用南京安正软件工程有限责任公司研制的c r a s 振动及动态测试系统 ( 图2 1 3 ) ，主要实验设备参数如表2 1 所示。 刳2 1 测试系统试验台图2 2 阻抗头 图2 3 加速度传感器 ： 一v 蔫 幽2 4 激振器 图2 5 上实验板图2 6 下实验板 9 硕士学位论文 数控机床固定结合面切向动态特性参数识别及其应用技术研究 图2 7 功率放人器 1 0 图2 9 信号调理仪 图2 8 数据采集器 图2 1 0 扭矩扳手图2 1 1 表面粗糙度仪 图2 1 2 测试系统连接 幽2 1 3c r a s 振动及动态测试软中 2 结合面切向动态特性参数测试系统与识别模型硕士学位论文 表2 1 固定结合面动态特性参数测试主要实验设备 2 1 2 测试系统主要功能 测试系统的上、下实验板可以随意更换，且测试中分别制备了多种不同材质( h t 3 0 0 、 q 2 3 5 等) 、粗糙度( r a o 8 、r a l 6 、i 磁2 及l 澌3 ) 的上、下实验板以模拟不同面积和 粗糙度的结合面配合，因此该测试系统具有良好的通用性，可以获得多种结合面动态特 性参数。此外，测试试验台质量约为1 0 1 5 k g ，远大于上、下实验板的质量，所以试验台 刚度远大于所要测试的结合面刚度，可以有效避免试验台刚度对测试结果的影响，能获 得高精度的测试数据。 图2 1 4 l c 0 2 a 冲击力锤 如图2 1 2 所示，在结合面的切向动态特性测试中，为了保持平稳的激振力，得到精 确的频响函数，测试中使用电动式激振器进行激振。但由于激振器激振的工作效率较低， 在不了解结合面共振频率的情况下，用激振器进行测试将耗费较多的时问。因此，为了 获得结合面的共振频率范围，在用激振器测试之前需要对结合面进行力锤( 如图2 1 4 所示) 激励测试。力锤激励测试连接如图2 1 5 所示，测试中通过敲击激振点，在c r a s 测试软件中对力锤激励得到的各阶模态振型进行判断，从而找出结合面共振的频率范 硕士学位论文 数控机床固定结合面切向动态特性参数识别及其应用技术研究 围。最后，在结合面的共振频率范围内用激振器进行激振，以得到高精度的频响函数， 并根据测试模型及相关动力学方程识别得到结合面的动刚度和阻尼系数。 2 c h _ 1 6 e h 加遵度 2 2 测试装置识别模型 2 2 1 测试装置等效力学模型 图2 1 5 力锤激励系统连接框图 图2 1 6 为结合面切向动态特性的测试装置局部图，上、下实验板之间放入4 个相同 材质和粗糙度的垫片，并用螺钉进行连接，通过调节螺钉的扭矩r 可以改变施加到结合 面上的载荷f 。 传感器 试验台 激振器 螺钉 上实验板 垫片 下实验板 幽2 1 6 结合【f 【j 剀向动态特性测试装置 论文中将该装置所研究的结合面分为2 个，其中1 个是所有垫片的上表面与上实验 板的下表面之间的接触面，另外1 个是所有垫片的下表面与下实验板的上表面之间的接 触面，因此共识别得到2 个结合面的切向动刚度值和阻尼值，分别记为k 甬和c 曲；每个 结合面的面积记为爿总的结合面面积记为彳拍= 2 爿；并控制上、下实验板的材质和粗 糙度相同以及垫片上、下表面的粗糙度相同，所以在相同直径的垫片下，这2 个结合面 的切向动态特性是一致的，因此结合面上的单位面积切向动刚度和阻尼值分别为 2 结合面切向动态特性参数测试系统与识别模型硕士学位论文 = 始如、= c 总如，以及平均接触压力p = f 彳。此外，通过更换不同直径的 垫片可以改变结合面面积的大小，测试中分别制备了直径为( p l o m m 、q 2 0 m m 、叩3 0 m m 、 ( 一o m m 、q 5 0 m m 和9 6 0 舢1 的垫片( 如图2 1 7 所示) 以模拟不同面积的结合面。 图2 1 7 测试用垫片图 图2 1 8 装置简化力学模型 由上所述，可将结合面切向动态特性测试装置简化为图2 1 8 所示的力学模型。在图 2 1 8 中，挚片的质量远小于上、下实验板的质量，因此可以将垫片的质量忽略不计；同 时根据动力学中弹簧和阻尼单元的等效原理可知，测试装置中的弹簧、阻尼单元均为并 联，所以可将其等效为1 个弹簧单元和1 个阻尼单元。实际测试中，在简谐激振力的作 用下，下实验板并不能完全固定，也会作与上实验板相似的简谐运动。此外，由于上、 下实验板之间的距离较短( 只有5 m m ) 且只有一个简谐激振力作用，因此由简谐激振 引起的上、下实验板之间的振动响应非常迅速，从而忽略上、下实验板间响应的相位滞 后，将下实验板的振动简化为与上实验板同频率、无相位失真的简谐振动，所以结合面 切向动态特性测试装置可以进一步简化为图2 1 9 所示的力学模型。 硕士学位论文 数控机床固定结合面切向动态特性参数识别及其应用技术研究 x y 图2 1 9 结合面切向动态特性测试力学模型 2 2 2 测试系统运动微分方程 对于图2 1 9 所示系统，当质量为m 的上实验板受到简谐激振力厂作用时，其运动微 分方程可以表述为： 聊曼+ c ( 戈一夕) + 七( x y ) = 厂 ( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中，历为上实验板的质量，七和c 分别为结合面的动刚度和阻尼系数，x 和y 分别上、下实验板的位移。在式( 2 1 ) 的两端分别减去，砂项得到： 聊( 碧一j j ) + c ( 量一夕) + 后( x y ) = 厂一，纱 ( 2 2 ) 在简谐激振力作用下，上、下实验板将发生相同频率、无相位差的简谐振动，因此可设 厂o ) ：f ( 缈弦纠，x o ) = x ( 功) p 刎，y ( f ) = 】，( 缈) p 歹刎 ( 2 3 ) 将以上三项代入式( 2 2 ) ，可得： ：!：丛尘二娶塑 ( 2 4 ) 一m 缈2 + ，功c + 后f ( 缈) + ，2 仞2 】，( 国) 令： 磊南划( 仞) ( 2 5 ) 并由式( 2 4 ) 可得： 脚) = 高篇 汜6 ， 令： 、 2 结合面切向动态特性参数测试系统与识别模型硕士学位论文 嘶，= 掣铲，州= 器 将其代入式( 2 6 ) 可得： 脚，2 南2 熹粕 一朋缈+ ，伽+ 后 l + 掰国日y ( 缈) ( 2 7 ) 式( 2 7 ) 中，凰( 缈) 为上、下实验板之间的频响函数矢量差，风( 国) 为下实验板位移频 响函数。此外，由式( 2 5 ) 可知，日( 缈) 为质量所，刚度j 及阻尼c 组成的等效单自由 度系统频响函数，因此结合面的切向动刚度和阻尼值可由下式计算得到： 后= 优研 c = 2 ，2 噱f ( 2 8 ) ( 2 9 ) 其中，为h ( 国) 的峰值频率，而阻尼比孝也可由日( 彩) 识别得到( 对及孝的识别方 ： 法将在第3 章中讨论) 。 2 3 测试系统影响因素分析 ( 1 ) 噪声对测试系统的影响 由于本次测试需要收集测试信号，测试中如果噪声过大则会影响到信号的准确性。 因此，测试过程中控制外界噪声的大小，将测试系统安装在安静无振动的位置，并避免 电磁波等信号的干扰。此外，测试采用单点激励多点拾振的方法，对测试数据进行取平 均的处理方法，减小了单个信号偶然误差的影响，以提高测试数据的准确性。 ( 2 ) 测试仪器对测试系统的影响 测试系统所用仪器均由专业厂家提供，并在出厂前进行了校正( 具体参数如表2 1 所示) ，以保证测试仪器均能正常工作并获得准确数据。 ( 3 ) 实验材料对测试系统的影响 测试使用的实验材料由同一厂家提供，测试时对材料的表面粗糙度进行重新检验， 并用金相砂纸打磨以去除材料表面铁锈、油渍等，以消除实验材料对测试系统的影响。 ( 4 ) 螺钉对测试系统的影响 虽然上、下实验板之间通过螺钉进行联接，但文献 4 1 的实验证明了螺钉对结合面 切向动刚度的影响可以忽略不计，因此测试中不考虑螺钉对测试系统的影响。 通过大量实验表明，测试系统可以获得准确的测试信号且测试结果具有良好的重复 性。 硕士学位论文 数控机床固定结合面切向动态特性参数识别及其应用技术研究 2 4 本章小结 本章简要介绍了结合面切向动态特性测试系统，说明了测试系统中主要测试设备、 影响因素及其性能；对测试装置进行了力学模型简化，推导了结合面切向动态特性参数 的运动微分方程，并将其简化为等效单自由度系统，为结合面切向动态特性参数测试和 识别奠定基础。 1 6 3 结合面切向动态特性参数识别及验证 硕士学位论文 3 结合面切向动态特性参数识别及验证 当前通过实验测试的方法，已经获得了大量的结合面动态特性参数，但对这些数据 的有效性仍没有统一的评价标准。尤其对阻尼系数的识别与评价均存在很大不足，限制 了测试数据在实际工程中的应用。因此，结合面动态特性参数识别方法和参数有效性评 价的研究，对建立可靠的结合面动态特性参数数据库及整机动态特性的预测都有重要意 义。在综合比较多种不同参数识别方法的基础上，本章给出了一种改进l e v y 法的参数 识别方法，同时利用a n s y s 对识别的参数进行了有效性验证。 3 1 实验法参数识别方法 由第2 章可知，对测试数据经过处理后得到的频响函数日( ) 是由质量肌，刚度七 以及阻尼c 组成的等效单自由度系统频响函数。对单自由度系统频响函数特征参数的识 别，通常采用的方法有峰值共振法、半功率带宽法以及导纳圆法。 3 1 1 峰值共振法 峰值共振法是指通过寻找特征点的方法识别共振频率，即将频响函数曲线上峰值最 高点对应的频率作为共振频率缈。，再根据式( 2 8 ) 计算得到刚度值。但在实际测试中， 由于外界噪声及测量误差等的影响，会使共振峰值处出现偏差，从而造成峰值共振法识 别到的频率不准确；此外，由于测试得到的频响函数曲线是一系列离散的点，如图3 1 所示，测试得到的是a 和c 点的数据，而如果最高峰值点位于这两个离散点之间( 即图 中b 点) ，那么运用峰值共振法就无法得到准确的共振频率( 只能识别c 点，而不能识 别b 点) ，也会导致识别的频率不准确。 图3 1 峰值共振法识别同有频率 1 7 硕士学位论文 数控机床固定结合面切向动态特性参数识别及其应用技术研究 3 1 2 半功率带宽法 因为频响函数曲线形状受到阻尼值的控制，所以可以从曲线的不同特性求得阻尼 比，再由式( 2 9 ) 计算得到阻尼值。运用将振幅减小到最大峰值1 互处的频率计算阻 尼比的方法，称为半功率带宽法【4 2 】。 已知在动载荷作用下系统的振幅以及最大振幅的表达式可以表示为： p ：华【( 1 一2 ) 2 + ( 2 够) 2 r 1 7 2 七 ， ( 3 1 ) 1国 2 丽2 丽 式( 3 1 ) 中，p 为系统振幅，为最大振幅，胁为载荷幅值，七为刚度，为 载荷频率与系统固有频率之比，孝为阻尼比，彩为无阻尼固有频率，为阻尼系统共 振频率。令p = l j 并整理后得到： 【( 1 卅+ ( 2 翮圳22 击志 j ( 3 2 ) 将式( 3 2 ) 两边平方，并求解2 可得： 2 = l 一2 f 2 2 善l 一手2 同时由于库伦摩擦力产生的阻尼比很小，因此可以将式( 3 3 ) 近似为： 届2 口l f 2 f l 一善2 由岛减去届可得： 历一届= 2 善l 一善2 口2 善 用履加上届可得： ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) 岛+ 届= 2 ( 1 一善2 ) 口2 ( 3 6 ) 将式( 3 5 ) 和式( 3 6 ) 进行联立，得到： 户：必：量五( 3 7 ) 7 岛+ 届五+ 石 式( 3 7 ) 中，石与五是系统振幅为最大振幅1 压处的频率。 根据该方法，阻尼比的计算可以在如图3 2 所示的频响函数曲线最大振幅l 压处作 一条水平线，并根据图中得到的频率石、正代入到式( 3 7 ) 中，即可计算得到阻尼比。 1 8 3 结合面切向动态特性参数识别及验证 硕士学位论文 l 一 八 l 图3 2 半功率带宽法阻尼比谚j 别 由上所述，在运用半功率带宽法识别阻尼比时，需要将频响函数曲线最高峰值1 压 处的频率点作为半功率点。但在实际计算时，2 本身就是一个近似值，同时也会由于 实验数据离散性的原因，使得无法找到精确的半功率点，给阻尼比的识别带来较大误差。 3 1 3 导纳圆法 导纳圆法【4 3 1 是一种曲线拟合的模态参数识别方法，该方法依据实测的频响函数，用 一个理想圆对实测的导纳圆进行拟合，然后按照最小二乘法计算原理使得两者的拟合误 差为最小。一般来说，将频响函数的实部和虚部分别作为横坐标和纵坐标绘制在平面直 角坐标系中形成的图称为n y q u i s t 图，它的形状近似为一个圆，因此也称为导纳圆。导 纳圆法就是根据n y q u i s t 图，并构造如下理想圆： ( 卜兰) 2 + ( y 一争2 - ，2 ( 3 8 ) 式( 3 8 ) 中，碍，鲁) 是圆心的位置坐标，为圆的半径。 对式( 3 8 ) 进行变换，得到： d ，= ( x 一咱) 2 + ( y 一) 2 一r 2 = 工2 + y 2 + 瓜+ 砂+ c ( 3 9 ) 式( 3 9 ) 中，月= 2 嘞，b = t 蜘，c = 而2 + 肋2 一尺2 显然d ，= o ，但将实测频响函数数据代入式( 3 9 ) 得珥： d 丁= 葺2 + 乃2 + a 巧+ 固略+ c o ( 3 1 0 ) 式( 3 9 ) 与式( 3 1 0 ) 的误差为： 弓= 珥一d ，= 研 ( 3 1 1 ) 1 9 硕士学位论文 数控机床固定结合面切向动态特性参数识别及其应用技术研究 所有测点总的误差平方和为： e = 孑= ( 而2 +