（机械制造及其自动化专业论文）机床滑动导轨结合面动态特性参数识别试验研究.pdf

摘要机床滑动导轨结合面特侣 摘要 1 1 1 1 1 11 1 1 i i i i i 1 1 lrlii y 1919 4 3 9 高档数控机床是一个国家制造业现代化的基础。建立准确的机床整机动力学模型 是提高我国高档数控机床数字化设计水平的一个重要因素。结合面是机床动力学建模 的一个重要组成部分，有研究显示机床结构中结合面的柔度和阻尼占其自身柔度和阻 尼的5 0 以上。本文针对滑动结合面动态特性参数识别进行相关研究，为滑动结合面 建模提供特性参数数据。 本文分析了影响滑动导轨动态性能的主要因素，确定了试验研究内容和方法。采 用弹簧阻尼单元模拟滑动结合面的动力特性，对滑块进行动力学分析，建立了基于消 除基础位移的等效单自由度识别模型。给出了单位面积滑动结合面动态特性参数识别 方法，并提出了识别结果检验方法。基于等效单自由度识别模型，设计试验方案，研 制出相关试验装置，搭建了试验测试平台。针对试验中对滑块动刚度的要求，提出了 相对动柔度系数概念及其计算方法，并以滑块上表面变形与结合面变形的相对动柔度 系数最小为优化目标，对滑块进行动力学优化设计。 介绍了等效单自由度法识别滑动结合面动态特性参数的基本步骤，通过模态试验 识别出典型滑动结合面单位面积等效动力学特性参数，对识别出的数据进行分析，总 结出面压、介质以及结合面相对运动速度等因素对滑动结合面单位面积动刚度和阻尼 的影响规律，并从微观接触上分析形成这些影响规律的原因。 关键词：滑动导轨，模态识别，滑动结合面，动力学特性 a b s t r a c t机床滑动导轨结合面特性参数识别试验研究 a b s t r a c t h i g h - e n dc n cm a c h i n et o o l sa r et h eb a s eo fm o d e m i z a t i o no fm a n u f a c t u r i n g i n d u s t r y e s t a b l i s h i n ga c c u r a t ed y n a m i cm o d e lo ft h em e c h a n i c a ls t r u c t u r eh a sb e c o m e m a j o rf a c t o rw h i c hp r o m o t et h ed e s i g no fh i g h - e n dc n cm a c h i n et o o l s j o i n ti s a n i m p o r t a n tp a r to fd y n a m i cm o d e l i n go ft h em e c h a n i c a ls t r u c t u r e s t u d i e sh a v es h o w nt h a t e l a s t i c i t ya n dd a m p i n go fm a c h i n et o o l sj o i n t si sg r e a t e rt h a nm e c h a n i c a ls t r u c t u r e t h e m s e l v e s i nt h i sp a p e r , i d e n t i f i c a t i o no fd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so ft h es l i d i n g j o i n t si ss t u d i e d i tp r o v i d e st h ed y n a m i cm o d e lo fs l i d i n gj o i n t sw i t ht h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s t h i sp a p e ra n a l y s e st h em a i nf a c t o r sw h i c hi n f l u e n c i n gt h e d y n a m i cp e r f o r m a n c eo fs l i d i n gg u i d ea n dg i v e sd i f f e r e n tt r e a t m e n t st od i f f e r e n tf a c t o r s t h ef a c t o r s c o n t e n ta n dm e t h o ds t u d i e di sa l s og i v e n 眦sp a p e rm a d ea na n a l y s i so fd y n a m i c so ns l i d e rw i t hw i t c ht h es l i d i n gj o i n t sa r e s i m u l a t e d 谢n ls p r i n g - d a m p i n g ，a n dd r i v e sam o d e lo ft h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so f s i g n a ld e g r e eo ff r e e d o ms y s t e mw h i c hb a s e do nr e l a t i v ed i s p l a c e m e n to fv i b r a t i o n i d e n t i f i c a t i o nm e t h o do f s l i d i n gj o i n t sd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sp e ru n i ta r e aa n d t h ei n s p e c t i o ns t a n df o ri d e n t i f i c a t i o nr a t ea r ep r e s e n t b a s e do nt h ei d e n t i f i c a t i o nm o d e l ， t h et e s ts c h e m ei sd e s i g n e d ，t h et e s te q u i p m e n ta n dt h et e s tp l a t f o r ma r e d e v e l o p e d a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so ft h es l i d e r sd y n a m i cc h a r a c t e r s ，t h ec o n c e p to fr e l a t i v e d y n a m i cf l e x i b i l i t yc o e f f i c i e n ta n di t sc a l c u l a t i o nm e t h o dw a sp r o p o s e d , a n da f t e rt h e o p t i m i z a t i o nd e s i g no ft h es l i d e rw i n lt h er e l a t i v ed y n a m i cf l e x i b i l i t yc o e f f i c i e n t 觞t h e o b j e c tf u n c t i o n ，t h es l i d e rm e e t st h er e q u i r e m e n t so fd e s i g n ab r i e fi n t r o d u c t i o no ft h es t e p st h a ti d e n t i f i c a t i o no fd y n a m i cc h a r a c t e r s p a r a m e t e r s o fs l i d i n gj o i n t sw i t hs i n g l ed e g r e eo ff r e e d o mi sg i v e r lac e r t a i nn u m b e ro fd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so ft y p i c a ls l i d i n gj o i n tw e r eo b t a i n e dt h r o u g ht h ee x p e r i m e n t a l m o d a la n a l y s i s t h e s ep a r a m e t e r sw e r ea l li m p o r t a n tp a r to ft h ed a t a b a s eo ft h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so fm a c h i n et o o l s j o i n t w i t ht h ea n a l y s i so ft h ei d e n t i f i c a t i o nr e s u l t , s u m m e du pt h el a wo fp r e s s u r e ，l u b r i c a n to i la n dr e l a t i v ev e l o c i t yo fs l i d i n gj o i n t s i n f l u e n c eo nt h ed y n a m i cs t i f f n e s sa n dd a m p i n go fs l i d i n gjo i n t , a n da n a l y s e st h er e a s o nf o r f o r m i n gt h e s el a w sw i t hm i c r o c o n t a c tt h e o r y k e yw o r d s ：s l i d i n gg u i d e ，m o d a li d e n t i f i c a t i o n , s l i d i n gj o i n t , d y n a m i c sp r o p e r t y 硕士学位论文 机床滑动导轨结合面特性参数识别试验研究 1 绪论 1 1 研究背景及课题来源 制造业是所有与制造有关的企业机构的总体，是国民经济的支柱产业，它一方面 创造价值、生产物质财富和新的知识，另一方面为国民经济各个部门包括国防和科学 技术的进步与发展提供先进的手段和装备。数控技术作为制造业现代化的重要基础， 对国计民生的一些重要行业的发展起着越来越重要的作用，关系到一个国家的战略地 位，直接影响到一个国家的经济发展和综合国力。 我国是数控机床生产大国之一，但是我国的数控机床依然存在自主研发能力薄 弱，专业化的配套体系尚未形成，功能部件发展滞后，产品自动化水平低，可靠性、 精度保持性差等落后状况。高端数控机床国产化并没有实质性的突破，基本还是依赖 进口。 国家关于“十一五”装备制造业的政策也明显体现出对高档数控机床的倾斜，专 门设置了高档数控机床这一重大专项。国务院总理温家宝2 0 0 8 年1 2 月2 4 日主持召 开国务院常务会议，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设 施方案。“高档数控机床与基础制造装备”是国家中长期科学和技术发展规划纲要 ( 2 0 0 6 - - 2 0 2 0 ) 年确定的1 6 个重大专项之一，国务院关于加快振兴装备制造业的 若干意见也把发展高档数控机床和机床制造装备作为1 6 个重点之一。 本课题是“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 ) 的研究内容之一。此项目是“高档数控机床与基础制造装备 科技重大专项中共性技术项目课题“数字化设计技术 三个方向的一个子课题。 1 2 结合面动态特性参数研究状况 机械结构是由许多零部件按一定功能要求结合起来的整体，称零部件之间相互接 触的表面为“结合部 或“结合面 。从运动来看，结合面可分为：固定结合面、半 固定结合面和运动结合面。固定结合面主要起固定和支撑作用，最常见的有螺栓联接 面等；半固定结合面指有时相对运动，有时又会固定的结合面，如摩擦离合器等；常 见的运动结合面有滑动导轨接触面、滚动导轨接触面、螺母与丝杠的接触面。 结合面的动态特性是数字化设计中的一个要点，同时也是一个难点。机械零件间 存在结合面，结合面间存在着既存储能量又消耗能量的“柔性结合”极大地影响了机 床整机的静、动态特性。有研究表明uj ：机床的静刚度中3 0 - 5 0 决定于结合部的 刚度特性。阻尼的影响则更大，有资料显示：对于像机床等由刚性零件组成的结构， 结合部的阻尼占其总阻尼值的9 0 以一i - - 。此外，结合部的热阻特性对机床也有很大的 硕士学位论文 机床滑动导轨结合面特性参数识别试验研究 影响，结合面的材料和表面状态不同使导热系数有几倍甚至十几倍的差异。据德国阿 亨工业大学的hb r a u n i n g l l 】研究显示：在机械加工的制造误差中，由热变形引起的误 差占整个工件误差的5 0 。 自上世纪4 0 年代，德国的k i e n z l e 和k e t t n e r 1 】首先指出了结合面在机床整机性 能中的重要性之后，国内外众多学者就开始研究结合面，研究主要可以分为三大方面： 结合面动刚度与阻尼机理研究、结合面建模及其动力学参数识别研究及结合面应用技 术研究。 1 2 1 结合面动刚度与阻尼机理研究 结合面刚度和阻尼机理的研究有助于揭示和把握结合面的影响因素。国内外学者 从宏观到微观，通过试验测试和理论分析，对结合面的作用机理进行了大量的研究， 并取得了一定的研究成果。 本质上，结合面是粗糙表面的接触问题，因此，从微观几何变形与弹塑性力学分 析，对揭示结合面变形的物理机理和阻尼特性有很大作用，对研究结合部的特性也有 指导作用。 h e r t z 弹性接触模型是经典接触模型的基础。1 8 8 2 年h e r t z 将弹性体当作二次曲 面，分析其变形和接触问题。1 9 6 6 年j a g r e e n w o o d 和j b w i l l i a m s o n t 2 1 发现许多工 程表面上的微凸峰的高度近似于g a u s s 分布，提出了基于统计分析的粗糙表面和光滑 表面之间弹性和弹塑性混合接触模型，即著名的g w 接触模型，g w 模型只考虑接触 区发生弹性变形，因此其一个重要应用前提是轻载小变形。1 9 7 0 年d j w h i t e h o u s e 和j e a r c h a r d 3 j 在g w 模型基础上，提出了w a 模型，w a 模型只考虑塑性变形。1 9 8 7 年c h a n gwr 等 4 1 基于微凸体塑性变形体积守恒原理建立了表面的弹塑性接触模型， 即c e b 模型，该模型只考虑微凸体的两种变形方式：纯弹性与纯塑性变形，而忽略 了弹塑性变形。1 9 9 1 年，m a j u m d a r 和b h u s l 扭i l 【5 】等基于分形几何提出了新的粗糙表 面接触模型，即m b 模型。 国内对接触模型的研究起步较晚，主要是对g w 模型、w a 模型及c e b 模型的 补充与修正，2 0 0 7 年，赵永武等【6 】基于接触力学理论和接触微凸体由弹性变形向塑性 变形及最终完全塑性变形的转化皆是连续和光滑的假设，提出了一种粗糙表面弹塑性 接触模型。自2 0 世纪9 0 年代初期开始，张学良等【1j 基于粗糙表面接触的分析理论与 分形模型以及球体与真实光滑平面接触理论，提出了机械结合面法向接触刚度和切向 接触刚度的分析模型，并进行了数值计算与仿真，计算与仿真的结果与实验比较吻合。 目前阻尼机理尚未彻底探明，结合面阻尼可用能量损耗的观点加以解释。上世纪 8 0 年代中期，戴德沛【7 l 【8 l 对前人的研究进行了总结，认为结合面阻尼的产生原因要按 结合面之间正向接触压力大小不同的状况加以分别讨论。在不考虑结合面之间存在油 2 硕士学位论文 机床滑动导轨结合面特性参数识别试验研究 膜的状况下，将结合面阻尼机理归纳为以下几个方面：1 ) 宏观移动，在结合面接触 压力较低的状况下，结合面受动态力后产生了宏观的移动，相对移动自然形成结合面 的两表面之间的干摩擦或称库伦摩擦，结合面之间的能耗服从库伦定律的摩擦能耗； 2 ) 微观移动，结合面之间的接触面压较大，形成接触面的一种材料发生塑性变形， 出现一种材料嵌入另一种材料中，在动态力的作用下，两结合面将产生微观位移，从 本质上讲，仍属于库伦摩擦所产生的阻尼；3 ) 周期性迟滞变形，一定压力下，结合 面的接触点只有一部分达到塑性变形，而周围区域仍然为弹性变形，卸载至平均压力 以后仍保留一定量不可恢复的塑性变形。加载与卸载形成了迟滞回路，迟滞回路所包 含的面积就是结合面在动态力一个周期内所消耗的能量。它是结合面阻尼产生的最重 要原因。9 0 年代初张学良等根据实验和理论分析，指出结合面微观撞击阻尼能耗， 并定量化提出固定结合面阻尼耗能的物理数学描述。 1 2 2 结合面建模及其动力学参数识别研究 结合面本身没有具体结构，依托于形成结合面的各部件接触表面，只有建立合适 的等效力学模型，才能在机械结构模型中体现其力学特性。符合实际力学特性的建模 有利于动态试验及参数识别。 结合面等效模型通常是用一组弹簧和阻尼器来模拟结合面的动力特性，也有使用 有限元自定义单元模拟进行建模研究的。 结合面等效动力学参数识别方法主要有三大类：理论计算方法、试验识别、理论 建模与动态试验相结合的系统辨识法。 ( 1 ) 理论计算方法 1 9 7 9 年日本学者吉村允孝【9 】通过对机床结合面的研究，提出：只要平均接触压力 相同，单位面积结合面的动态特性数据均能用于具有同样接触表面特性但形状和接触 面积不同的一般结合面。使得我们不需要测量每一个具体的结合面，而只要测量得到 这某一特定情况下的单位面积结合面的动态特性，实际结合面的刚度和阻尼可通过对 结合面面积求积分获得。 赵宏林等【l o j 从基本的动力学方程出发，推导出平面结合面静刚度的表达式；从能 量的输入与输出出发，推导出单平面结合面阻尼的表达式。利用有限元离散的概念， 将复杂的曲面以多个平面来近似，根据实际结合面的受力状况、结合形式，从而计算 出结合部的等效刚度和阻尼，给出了刚性和柔性结合面两种情况下整机动力学模型的 协调方程。 华中科技大学谢波l l l 】将结合面处理成一个独立的有限单元，通过把结合部单元的 节点力位移关系曲线分段线性化处理，较好地解决了结合部的非线性问题。方健【1 2 】 基于经典的赫兹接触理论，建立了滚动导轨副接触区承载变形模型，分析了滚动体的 3 硕士学位论文机床滑动导轨结合面特性参数识别试验研究 变形协调关系，给出了直线导轨静刚度的一种简化计算方法。 陈就、黄玉美【l3 】认为滚动体与导轨面之间接触面压为滚动结合面接触刚度主要影 响因素，并且应用弹塑性力学公式及结合部理论分别进行计算，相关实验结果表明计 算程序和解析方法比较准确。 ( 2 ) 试验识别 结合面动态特性研究的难点在于：第一，结合面本身不是一个独立的动力学单元， 只能存在于机械结构系统中；第二，结合面本身的阻尼与其所处机械结构中其他结构 的阻尼往往在一个数量级上；第三，对于滑动结合面，速度是个重要影响因素，而 不同工作位置下的结构具有不同的动态性能，这些因素给滑动结合面的动态性能测量 带来了影响。国内外学者的主要研究对象为面积较小的结合面，以减小结构对结合面 动态性能的影响。 2 0 世纪6 0 年代，b e l l 和b u r d e k i n 0 研究了滑动速度、结合面材料及润滑对滑动 结合面阻尼的影响。2 0 世纪8 0 年代，主要研究螺栓联接结合面的动态性能，并对结 合面阻尼产生的机理给予了解释，主要观点有：堤正臣、伊东宣和益子正己【1 4 】的结论 是结合面切向动态特性具有迟滞非线性，这是结合面阻尼产生的主要原因。堤正臣进 一步给出了结合面间的微观滑移是其切向阻尼产生的原因。苏联学者【1 5 】则认为螺纹之 间及相配合零件结合面处的摩擦以及接触面的相互碰撞才是阻尼耗能的原因。自8 0 年代后，结合面的研究就进入了一个低潮阶段。 19 9 8 年hy h w a n g t l 6 1 、t a c h u n gy a n g ，s h u o h a of a n ，c h o m g s h y a nl i n l l 7 1 等提 出使用测试频响函数识别结合面动态特性参数。首先将结合面处理成若干自由度的弹 簧阻尼单元，建立了包含结合面的结构动力学模型，通过测试系统的频响函数，通过 对各个点频响的计算，识别出结合面的动态特性参数。 国内郑佳明，张建润等【1 8 j 基于单自由度分量分析法，对滚动导轨的法向和切向 激励，测试垂向和侧向传递函数，从而识别出滚动导轨结合面的动力学等效参数。汪 列隆，朱壮瑞等【1 9 】应用弹簧阻尼单元建立滚动导轨的结合部动力学有限元模型，以结 合部弹簧阻尼单元的刚度和阻尼值为优化目标，以有限元计算所得各阶频率与实验测 得频率差为优化目标，经过优化来识别滚动导轨结合部刚度和阻尼。 北京工业大学伍良生1 2 0 1 、洪富昌【2 、王海滨【捌等提出了一种测试结合面实际接 触状态的方法，此方法以相对位移为基础，将模型简化为单自由度系统，消除了基础 振动的影响，提高了识别精度。 ( 3 ) 理论建模与动态试验相结合的系统辨识法 本世纪初，m i c h a e lh a n s s ，s t e f a no e x l ，l o t h a rg a u l t 2 3 1 认为螺栓连接面的阻尼和 刚度特性受到很多不能被准确建模的因素影响，他们提出了包含模糊参数的识别模 型，设置模糊参数控制原始数据中那些不能准确识别的因素所产生的响应，进而识别 4 硕上学位论文 机床滑动导轨结合面特性参数识别试验研究 出结合面的阻尼和刚度。j h l e e ，j k i m 2 4 】提出了一种新的结合面阻尼识别模型， 通过测试模型矩阵中各点的频响函数，计算出模型中结合面的黏性阻尼和结构阻尼。 h a m i d a h m a d i a n ，h a s s a nj a l a l i 2 5 】提出了一种可以模拟如结合面的微观宏观滑移 的非线性模型，将实际结合面等效成非线性弹簧和阻尼单元，以模型识别与试验测试 之间的差最小为优化目标，识别结合面的特性参数。qs z w e n g i e r ，t g o d u n s k i ，s b e r c z y n s k i t 2 6 】等采用这种有限元模拟与试验测试相结合的方法识别结合面的特性参 数。 杨家华、陈为福、黄旭东 2 7 1 将结合面处理为结合面单元，建立考虑结合面的机床 结构动力学方程，以机床结构计算所得固有频率与试验测得固有频率之差为优化目 标，识别了机床立柱和床身之间的结合面参数。西安理工大学的黄玉美、张学良等人 2 s 2 9 1 1 3 0 1 1 3 1 1 1 3 1 l t 3 2 】提出了用接触单元模拟结合面的有限元方法，通过弹塑性力学推导出 了该单元的阻尼矩阵和刚度矩阵；在实验与理论相结合识别结合面特性参数方面，提 出了一种利用约束非线性优化方法可变误差多面体算法以及人工神经网络结构 化建模来识别机械结合面特性参数的方法；还运用接触分形理论获得了机械结合面法 向接触刚度的模型，并在结合面动态基础特性参数的影响因素及固定结合面的阻尼耗 能机理方面进行了有一定的研究。 昆明理工大学王松涛【3 3 1 应用固定的弹簧阻尼单元对结合面进行建模，运用有限元 分析与实验模态分析相结合的方法对结合面等效参数进行识别。首先在有限元中建立 模型，输入一个结合面等效参数，与此同时测量实际模型的模态参数，比较有限元计 算结果与实际测量结果两者之间的相关性，如果相吻合，这说明输入的结合面等效参 数就是实际的结合面参数，如果不吻合，则重新输入结合面等效参数，再与实际的测 量结果比较。如此反复，直到输入结合面等效参数与实际测量值在一定误差范围内， 此时输入的结合面等效参数即为实际结合面动力学参数。该方法的计算量较大，要求 有限元模型与实际的模型吻合度非常高。 1 2 3 结合面应用技术研究概况 自人们发现结合面对机床整机性能有重大影响时，国内外学者就开始探索将结合 面应用到整机性能分析中。 1 9 7 4 年，b a c k l 3 4 】等同时考虑了结合面刚度和构件自身刚度，利用有限元法，对 几种实际结合面结构进行了变形和压力分布计算，其结果与实验测试比较吻合。1 9 7 8 年伊东宜【3 5 1 提出了结合面周围构件的处理方法，指出由小试件通过试验测得的结合面 静态特性参数对于实际应用技术已经足够，而且也适用于表面压力呈非线性分布的导 轨结合面。1 9 9 9 年e d w a r dc h l e b u s 和b o g d a nd y b a l a 3 6 1 用一组杆单元来模拟实际结合 面，对滑动导轨进行了有限元建模与特性分析，分析结果与实验结果吻合程度较高。 硕士学位论文机床滑动导轨结合面特性参数识别试验研究 陈就、黄玉美【3 7 j 等将结合面处理成结合面单元，采用均质梁、集中质量模型对机 床进行整机动态建模，对整机的动力学特性进行分析。王世军、黄玉美等【3 1 】基于实验 测试导轨动态特性参数，将机床导轨结合面处理为六节点等参数接触单元。赵宏林【3 9 1 、 吴悠坚【4 0 j 应用等参单元的概念，推导出任意四边形结合面单元下的单元刚度和阻尼矩 阵。王学林t 4 u n 弓l 入了用户自定义单元来模拟结合面的刚度，分析了机床固定立柱与 底座结合面的刚度对机床模态的影响。李芳等【4 2 j 通过研究结合部特性及其表达方法的 基础上，提出了一种将将结合部特性应用于机床结构建模的融合技术和应用方法。张 广鹏、史文浩、黄玉美 2 9 1 基于实验获得的结合面动态特性参数，推导出与结合面的固 有特性及工况等因素有关的经验解析方法，并将计算所得导轨结合面动态特性应用到 仿形立柱移动加工中心的动态特性分析，解析计算所得结果与试验所得各阶固有频率 相差不超过1 1 。 结合面应用的基本思想是基于实验测得、用理论分析或者经验公式计算得到的结 合面参数，通过弹簧阻尼单元、用户自定义单元等模拟结合面，经计算或有限元分析 得到所需分析结构的模态参数。 当前研究存在的主要的问题是：理论分析并不成熟，所得到的公式通用性不强。 实验得到的参数只能适用于所测量的情况，目前尚未建立完整的或者通用的结合面动 态特性参数数据库。对于滑动导轨结合面主要研究了面压、介质及材料等对滑动导轨 结合面的影响，并未考虑速度对滑动导轨结合面的影响。 1 3 本文研究内容与意义 导轨是机床上的重要部件之一，它在很大程度上决定了机床的刚度、精度与精度 保持性。因此对导轨的动态特性分析具有极大的意义。滑动导轨是机床中最早使用的 导轨。虽然它存在摩擦因数大、磨损快、使用寿命短、低速容易产生爬行等特点，但 其结构简单，工艺性好，便于保证刚度和精度，因此仍得到了广泛的应用。本课题将 研究典型滑动导轨结合面的动态特性，并测试其动态特性参数，作为数字设计制造的 依据。 本文主要研究内容为：分析滑动结合面动态特性影响因素，研究滑动结合面动态 特性参数试验识别技术，搭建试验测试系统，并对其中滑块进行基于相对动柔度系数 的动态优化设计。测试并识别典型滑动结合面的动态特性参数，并以此参数为基础， 分析了各种影响因素对滑动结合面单位刚度和单位阻尼具体影响。全文由以下几个章 节组成。 第一章：绪论。概述了结合面研究及应用的国内外现状，指出了当前研究的优缺 点。 第二章：滑动结合面及其动态特性影响因素。概述了滑动导轨，分析并总结影响 6 硕士学位论文 机床滑动导轨结合面特性参数识别试验研究 滑动结合面动态特性，将影响因素分为结构因素与工况因素两大类，研究各种影响因 素的处理方法，并确立滑动结合动态特性试验研究的内容。 第三章：滑动结合面动态特性参数识别理论模型。建立滑动结合面等效动力学模 型，并基于消除基础位移法，将滑动结合面等效动力学模型转化为单自由度系统，推 导出识别函数。 第四章：试验测试装置研制。根据滑动结合面动态特性参数识别理论，建立滑动 结合面测试系统，并研制试验装置。 第五章：滑动结合面动态特性试验及数据分析。以结构因素为矩形矩形配合导 轨为例说明滑动结合面动态特性测试过程。分别分析压强、速度、介质对滑动结合面 单位面积等效刚度和阻尼的影响。 第六章：结论与展望。 7 硕士学位论文机床滑动导轨结合面特性参数识别试验研究 2 滑动结合面及其动态特性影响因素 2 1 滑动导轨概述 滑动导轨是机床上最早使用的导轨副。其优点在于：结构简单，工艺性好，便于 保证刚度和精度。其缺点在于：摩擦因数大，磨损快，使用寿命短、低速容易产生爬 行现象。随着材料科学及润滑技术的发展，其摩擦性能及动态响应能力得到了极大的 提高，加之其结构简单，刚度比滚动导轨大，因此在现代机床上仍然被广泛采用。 按照不同的分类方法可将滑动导轨分成不同类型导轨。见表2 1 。 表2 1 滑动导轨分类 分类方式 导轨类型 导轨副材料铸铁导轨、钢导轨、贴塑导轨 结构形式开式导轨、闭式导轨、镶钢导轨 截面形状矩形导轨、三角形导轨、燕尾型导轨、圆柱型导轨 作用 进给运动导轨、主运动导轨、偏置导轨 不同的分类方式对导轨要求侧重点也不同。对导轨副材料要求，主要是考虑耐磨 性、摩擦性能等，例如贴塑导轨的摩擦性能就高于铸铁导轨，贴塑导轨的动静摩擦系 数接近，低速运动时爬行现象较铸铁导轨要小的多。对结构形式的要求，主要是从结 构设计、受力状况以及导轨制造工艺等方面考虑，例如大型导轨可以采用镶钢导轨形 式，既节省了材料，也降低了工艺制造难度。对截面形状的要求，主要考虑导向与承 载，例如三角形导轨的导向性能好，且磨损后具有自补偿功能，但其承载能力不如矩 形导轨。不同作用的导轨对导轨性能的要求也不一样，主运动导轨要求导轨的运动速 度较高，而进给运动导轨运行速度较低，但要求具有很高的定位精度。 润滑对滑动导轨的性能影响很大。从润滑机理分析，滑动导轨结合面会形成两种 性质不同的吸附膜，一种是物理吸附膜，主要靠润滑油分子与导轨副分子之间的范德 华力形成吸附膜。另一种是化学吸附膜，主要靠润滑油分子与导轨副表面发生价电转 换而产生化学结合力。 从微观上分析滑动导轨结合面的接触表面，接触表面并不是平整光滑平面，而 是凹凸不平的。凹凸不平的接触面内会贮存润滑油，当导轨副发生相对运动时，必然 会产生微观动压润滑现象。 物理吸附膜、化学吸附膜以及微观动压润滑所形成的油膜，隔开了滑动导轨副， 避免了导轨副直接接触，减小了导轨副的摩擦力，提高了导轨的动态响应性能。 随着材料、润滑等技术的发展，对现代滑动导轨的发展也起到了推动作用。因 8 硕士学位论文 机床滑动导轨结合面特性参数识别试验研究 此对滑动导轨结合面的动态性能研究具有很大工程应用价值，对高速、高精及重型机 床滑动导轨的设计具有指导意义。 2 2 滑动结合面动态特性影响因素分类 滑动导轨副的材料种类、结构形式、截面形式较多，其应用场合的工况也较多。 根据导轨的润滑条件等，影响结合面动态特性主要有： ( 1 ) 结合面的材质。 ( 2 ) 结合面的加工质量。 ( 3 ) 结合面的结构类型和尺寸大小。 ( 4 ) 结合面组合形式。 ( 5 ) 结合面的载荷。 ( 6 ) 结合面之间的介质。 ( 7 ) 接触表面的相对运动速度。 滑动结合面的材质、加工质量以及结构类型和尺寸大小及结合面的组合形式在制 造完成之后就定下来了，不再发生改变，称之为结构因素，而结合面之间的面压、介 质及相对运动速度则是根据实际工作情况不同而发生改变，称之为工况因素。 结合面的形状有大小曲直之分。根据吉村允孝1 9 的研究成果，只要结合面的接触 状态相同，单位面积的动态特性数据是相同的。据此依据数学极限的概念和工程问题 计算的特点，利用有限元的基本思想，将曲面用多个小平面来近似，将大面用多个小 平面代替。但是，滑动结合面润滑存在边际效应，结合面太小，边际效应就会很明显。 不同大小的滑动结合面的单位动刚度和阻尼会有差别，随着面积增大，边际效应减弱， 这种差别会越来越小。小面积下的滑动结合面单位面积的动态特性可能与大面积下的 单位面积动态特性不一致，需要分别测量大面积和小面积下的单位面积的动态特性性 能。 滑动结合面往往是三角形导轨与矩形导轨组合使用，甚至有多个导轨组合使用。 三角形导轨与矩形导轨的具体功用不一样，三角形导轨主要起导向作用，矩形导轨主 要起承载作用。因此不同组合形式的滑动导轨的动态性能也不一样。 不同的速度和介质会产生不同润滑状态，形成的接触和摩擦状态也不一样，对滑 动结合面的动态性能影响较大。 滑动结合面的受力情况主要可以分为以下几种： ( 1 ) 承受垂直于结合面的法向力； ( 2 ) 承受弯矩作用； ( 3 ) 承受扭矩作用； ( 4 ) 同时承受法向力，弯矩和扭矩的作用。 9 硕士学位论文 机床滑动导轨结合面特性参数识别试验研究 从本质上来讲，滑动结合面只有法向的接触刚度和阻尼。图2 1 所示为一典型矩 形矩形组合滑动导轨安装形式，导轨只有垂直纸面方向( z 方向) 一个移动自由度。 x 方向移动自由度由结合面2 、3 法向限制，y 方向移动自由度由结合面l 、4 法向限 制，绕x 的扭转由结合面1 、4 法向限制，绕y 的扭转由结合面2 、3 法向限制，绕 z 的扭转由结合面1 、4 法向限制。滑块可以在固定导轨上自由滑动，因此滑动结合 面切向是自由的，故只需要考虑滑动结合面的法向接触刚度和阻尼即可。滑动结合面 承受的弯矩、扭矩及同时承受法向力、弯矩和扭矩的情况，都可以转换为第一种受力 状况。 综上所述，滑动结合面动态特性试验研究，结构影响因素主要考虑材料特性、结 构面积以及组合形式。工况因素主要考虑结合面间介质、面压及速度。 固定导轨 图2 1 滑动导轨示意图 2 3 滑动结合面动态特性试验研究的内容 表2 2 试验条件 结构因素工况因素 结构面积 面压 速度 组合形式 材料 ( 长宽)介质 n 口am m m i n m m 4 2 0 x 8 0 矩形矩形 聚四氟乙烯无介质 4 2 0 x 1 0 0 - h t 3 0 0 ： 3 2 # 导轨油 0 0 l 0 ，l 矩形一三角 4 2 0 1 1 00 4 0 0 4 5 钢一 6 8 # 导轨油0 4 形4 2 0 x 1 2 0 h t 3 0 0 1 0 0 # 导轨油 直径4 0 1 0 硕士学位论文 机床滑动导轨结合面特性参数识别试验研究 滑动结合面动态特性试验研究的目的是获取滑动结合面的动态特性和探明滑动 结合面动态特性与基本影响因素的关系，测试获得不同影响因素下单位面积滑动结合 面的动态特性参数。参考文献【5 7 】中导轨设计部分，确立如表2 2 所示各个影响因素的 具体范围。 组合形式：矩形与矩形组合的滑动导轨是比较常见的形式，如图2 1 所示，只有 x 与y 两个互相垂直的方向有结合面，测试其中一个方向动态特性时，另一方向对其 影响较小，因此重点测试矩形与矩形组合的滑动导轨。三角形与矩形组合的形式也比 较常见，但三角形导轨从结构上看，既具有水平方向的刚度和阻尼，也具有垂直方向 的刚度和阻尼，这两个方向合成了其接触面法向的刚度和阻尼。研究三角形导轨的动 态特性有助于找出合理利用试验测试数据的方法。对于燕尾型等其他结构形式及组合 的导轨由于其结合面组合情况比较复杂，建模可以采用有限元的思想，将复杂形式由 小平面来模拟。 结合面材料：当代机床导轨上使用的工程塑料主要有三种，分别是以聚四氟乙烯 为主要材料的填充聚四氟乙烯导轨软带、塑料导轨板和塑料导轨涂层。其中聚四氟乙 烯导轨软带使用较为普遍，另外两种塑料导轨材料的性能与聚四氟乙烯的性能相差不 大，但加工工艺较聚四氟乙烯塑料导轨更为复杂，因此塑料导轨考虑聚四氟乙烯导轨 软带。常用的金属导轨材料主要有：铸铁、钢。试验中考虑h t 3 0 0 及4 5 钢。 结构面积：为了研究不同大小面积的结合面单位面积的等效动刚度及阻尼，试验 研究面积为4 2 0 x 8 0 r a m ，4 2 0 x1 0 0m m ，4 2 0 1 1 0m i l l ，4 2 0 x1 2 0m r l l ，直径4 0m i l l 的滑动结 合面。 介质：滑动导轨根据不同的情况选用不同的润滑油，使用较为普遍的有6 8 # 导轨 油。为了比较不同粘度导轨油对滑动导轨等效动刚度及阻尼的影响，试验中又安排了 3 2 # 与1 0 0 # 导轨油进行试验。 面压：滑动导轨的面压一般为0 0 2 5 - - 0 3 m p a 。对于重型等机床最大也能达到 1 5 m p a 。 速度：当形成滑动结合面的接触表面之间的相对速度在9 0 r n m m i n - - 6 0 0 m m m i n 时，会出现油膜润滑状态。试验中研究的速度范围为0 - - 4 0 0 m m m i n 。 2 4 本章小结 本章首先概述了滑动导轨，分析了滑动润滑的润滑机理，指出了润滑对滑动导轨 的动态性能有较大影响。滑动导轨结合面动态特性影响因主要可分为结构因素与公工 况因素，其中结构因素有：结合面的材质、结合面的加工质量、结合面的结构类型和 尺寸大小及结合面组合形式；工况因素有：结合面的载荷结合面之间的介质及接触表 面的相对运动速度。确立了滑动结合面动态特性试验研究的方法和内容。， 硕士学位论文 机床滑动导轨结合面特性参数识别试验研究 3 滑动结合面动态特性参数识别模型 结合面等效动力学参数识别方法中，由于结合面的作用机理并没有完全真正揭 示，要想在理论上获得精确的结合面的特性参数及其计算公式是非常困难的，采用成 熟的试验模态技术可以方便地识别出结合面的等效动力学特性参数。本章从单自由度 系统特性参数识别出发，建立滑动结合面动态特性的等效动力学模型，推导出基于等 效单自由度系统的滑动结合面动态特性参数识别理论模型，识别模型中消除了基础位 移的影响，提高了识别精度。 3 1 试验模态分析技术 试验模态分析技术从研究领域上讲属于系统辨识问题。系统辨识问题的提出源于 自动控制，要求实时建立控制对象的动态数学模型。通过对系统输入和输出的响应去 研究控制对象的运动规律，从中提取能表征对象因果关系的数学模型。模态试验便是 通过研究输入激振力与输出测点运动信号之间的关系而识别出系统特性参数。 机械结构试验模态分析，就是通过对机械结构进行激振，以及振动测量、信号分 析、频响估计和模态参数识别，以确定机械结构的模态参数的一种动态试验分析技术。 滑动结合面可以处理为弹簧阻尼单元，通过对形成滑动结合面的机械结构进行合理设 计，利用假设和工程等效原理，可以直接测试并识别出滑动结合面的动态特性。 3 2 滑动结合面动态特性参数试验获取的理论模型 3 2 1 单自由度系统的参数识别 单自由度系统结构简单，系统特性参数只有刚度和阻尼两个参数，识别的过程比 较简单，识别的结果易于验证。 考虑图3 1 所示的单自由度黏性阻尼一质量系统，系统在外力p ( t ) = p o e j “激励 下，根据牛顿第二定律建立振动方程 ，戚0 ) + c y c ( t ) + k x ( t ) = p p ) ( 3 1 ) 该方程的齐次解可表示为 x o ) = 彳k 归( 3 2 ) 将式3 2 带人式3 1 可得 蚺搿= ；巧1 磊 ( 3 3 ) 1 2 硕上学位论文机床滑动导轨结合面特性参数识别试验研究 称0 ) 为系统的位移频响函数。 运动学中速度是位移的一次微分，加速度是位移的二次微分，则将式3 3 写成一 般式为： 荆如广翻1 ( 3 4 ) 其中： q 单自由度系统的固有圆频率， q = 接 善系统的阻尼比， c = = oo 。 2 4 i n k a 常数，a = 0 时，日0 ) 为位移频响函数；口= 1 时，日0 ) 为速度频响函数； a = 2 时，日白) 为加速度频响函数。 图3 2 是单自由度黏性阻尼一质量系统的位移频响函数图，进一步研究系统共振 条件和频响函数可以发现，当= q l 一2 善2 时，j 0 】达到最大值，即系统处于共 振状态。当系统的阻尼比毒非常小，就可以认为c o 。q ，此时位移频响函数幅值达到 最大时的频率即为系统的固有频率。这时系统的刚度可以表示为： 七= ：历 ( 3 5 ) 阻尼识别采用半功率点法，在位移幅值相频图中，取幅值为最大幅值的1 2 处， 分别标记为a 点和b 点。则有： t - d ( c o ) 1 ：= 峄= 去 ( 3 6 ) 变形可得： l c o 户噬2 ) 瑙厢 ( 3 7 ) 对于小阻尼系统有： ( 毒) 2 = 一2 髻，( 毒) 2 ；- + 2 考 c 3 8 ， 可得 1 3 硕士学位论文机床滑动导轨结合面特性参数识别试验研究 毒= 等 对于阻尼很小系统有： 2 r 0 = 口+ 芒= c o b - - ( 0 a 7 2 。 系统的阻尼为： c = 2 聊考吼 因( - 0 n = 2 矾，则 c = 4 册纸 将式3 1 0 带入式3 1 2 可得 归4 喊筹乾册鲈 。 1 4 l h 。白1 图3 1 单自由度黏性阻尼一质量系统 。爪h 。 i 卷 _ i 卜 i 一i s 一 - 吼盯 一 一i 图3 2 单自由度黏性阻尼一质量系统的幅频和相频特性曲线 ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) ( 3