（机械制造及其自动化专业论文）直线滚动导轨结合面动态特性的研究.pdf

f r p f ，一 誓 瓠1霸嚣嘻爱，。墨酲 豁， ，0 。轴 t ：a|j_- 1 ， l l h r m a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n 、删嬲 s t u d y o nd y n a m i cp e r i 0 r m a n c eo fl i n e a r r o l l i n gg u i d e w a yj o i n t s b yl is h e n k u i s u p e i s o r ：p r o f e s s o rl i u1 向n g x i a n n o n h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 之 】l一j1番1渭一， 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：彰梅鸟 日期：i 帅8 6 丫 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口 作者签名：谬愧衫 ：加矿群 两年回 导师签名：蒯扛页 签字日期：啦。厶z 东北大学硕士学位论文摘要 直线滚动导轨结合面动态特性的研究 摘要 数控机床日益向高速度、高精度和高效率的方向发展，要求我们采用先进的动态设 计方法来提升我国机床企业的竞争力。该方法的前提是建立准确的含有结合面的机床动 力学模型。直线滚动导轨是现代数控机床常用的功能部件，其动态性能对数控机床的动 态性能有非常重要的影响。 本文以自己设计实验台为研究对象，通过理论和有限元分析相结合的方法研究直线 滚动导轨结合面动态特性及其建模方法，建立含有直线滚动导轨结合面的实验系统有限 元模型，并对模型进行修改和验证。 主要研究内容如下： ( 1 ) 首先总结了国内外机床结合面和滚动导轨结合面动态特性研究现状及存在的 主要问题，介绍了目前结合面动态特性研究的主要方法及关键技术，给出本文采用了理 论研究、有限元分析，动态试验分析相结合的结合面研究方法。 ( 2 ) 以一种类型的直线滚动导轨为对象，通过分析其结构特点，对滚动导轨局部 单个滚子进行有限元分析，并给出了直线滚动导轨结合面的理论振动模型，建立了准确 的直线滚动导轨结合面的有限元模型。， ( 3 ) 对单滑块试验系统建立了准确的直线滚动导轨结合面的有限元模型，进行详 细的有限元分析，和上两届师兄的试验数据对比，说明理论振动模型结合面的有限元模 型的准确性。 ( 4 ) 把上述的理论和结合面的有限元模型应用到整机上，探讨直线滚动导轨结合 面对机床动态特性的影响，并分析了机床的动态特性。 ( 5 ) 对实验方案设计的研究，并以单滑块的试验系统为基础，建立比较接近实际 机床四滑块实验系统，考虑结合面和不考虑结合面的四滑块的导轨试验系统有限元模 型，两种模型的计算结果差异很大，进一步说明直线滚动导轨结合面对机床的动态特性 有显著影响。 本文提出的直线滚动导轨结合面动态特性研究方法，可以应用于其它类型的机床结 合面特性研究，使得机床整机的动力学建模成为可能，为数控机床动态设计的实现提供 了依据。 关键字直线滚动导轨；结合面；动态特性；动力学模型；有限元分析。 1 东北大学硕士学位论文 a l b s t r a c t s t u d yo nd y n a m i c p e r f o r m a n c eo fl i n e a r r o u i n gg u i d e w a yj o i n t s a b s t r a c t 舡c n cm a c h i n et 0 0 li sd e v e l o p e di nh i g hs p e e d ，h i g l la c c u r a c y ，孤dh i g l le m c i e n c y d i r e c t i o n ，d y n a n i i cd e s i g nm e t h o di sn e e d e dt 0u p 伊a d et h ec o m p e t i t i v ep o w e r0 f0 u r m c h i n et o o l i nw o r l d n sk e yf a c t o ri st h ec o n f i g i l f a t i n go fa c c u r a t ed y n a i i l i cm o d e l0 f m a c h i n et 0 0 li n d u d i n gj o i n t s i j n e a rr o l l i n gg u i d ew a y ( l r g ) i so n ei m p o n 柚tf u n c t i o n a l u n i t0 fc n cm a c h i n et o o l ，w h i c hh a sp r o m i n e n te 虢c t0 np e r f o 珊锄c eo fm a c h i n et 0 0 1 s 0 ， r e s e a r c ho nd y n a m i cp e r f o m a n c eo fu 己g j o i n th a si m p o r t a n tm e a n i n go nu p 伊a d i n gt h el e v e l o fd e s i g na n dm a n u f a c t u r eo fo u rm a c h i n et 0 0 1 t h i sp a p e rm a d eo n e s e l fd e s i g ne x p e r i m e n ts y s t e ma st h er e s e a r c ho b j e c t t h ep r i m a r y i d e ai sr e s e a r c h i n gt h ed y n a m i cp e r f 0 咖a n c eo fi r gj o i n tu s i n gb o t ht h e o r ya n dt e s ta n d e s t a b l i s h i n gi t sf i n i t ee l e m e n tm o d e l ，r e s e a r c h i n gt h em e t h o do fe s t a b l i s h i n gt h ef i n i t ee l e m e n t n l o d e lo fe x p e r i m e n ts y s t e mi n c l u d i n gu 己gj o i n t ，w h i c hc o u l db ea m e n d e da n dv a l i d a t e db y t e s to nt h ep h y s i c a lm a c h i n e t h em a i nc o n t e n to ft h i sp a p e ri sa sf b l l o w e d ： ( 1 ) t h i sp a p e rh a ss u n n a r i z e dt h es t a t eo fd e v e l o p m e n tt h a tt h es t u d i e so nd y n a n l i c p e 哟姗锄c eo fm a c h i n et o o lj o i n t sa n ds u b j e c tm a t t e re x i s t i n ga tp r e s e n t ，i n t f o d u c e dt h ek e y m e t h o do fr e a c ho nt h ed y n a m i cp e r f o m a n c eo fj o i n t s ，觚db r o u g h tan e ww a yc o m b i n e db y t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n ，d y n a m i ct e s ta n df e at or e s e a r c ht h ep e 怕m a n c eo fj o i n t s ( 2 ) t 1 l ea u t h o rr e g a r d so n el r g a st h er e s e a r c ho b j e c t b ya n a l y z i n gi t ss t m c t u r a l t r a i t ， t h et h e o r e t i c a ld y n a i l l i cm o d e lo fl r gh a sb e e n 酉v e n ，n l e n ，t h ea c c u r a t ef i n i t ee l e m e n t m o d e lu 己gj o i n th a sb e e ne s t a b l i s h e d ( 3 ) t 1 l ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo fs i n 酉es l i d eb l o c ke x p e r i m e n ts y s t e mi n c l u d i n gl r g j o i n t sh a db e e ne s t a b l i s h e da n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sh a db e e nd o n e ( 4 ) t l l l ea b o v e - m e n t i o n e dt h e o r e t i c sa n dt h ea c c u r a t ef i n i t ee l e m e n tm o d e lu 己gj o i n t 印p l yt ot h ef u m a c h i i l ea n dp r o 铲e s sd e t a i l e dr e s e a r c h v 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t ( 5 ) t h ep a p e rh a sr e s e a r c h e df o re x p e r i m e n tp r o j e c td e s i g na n de s t a b l i s h e dr e l a t i v e l y 印p r o a c ht h ep r a c t i c em a c h i n et 0 0 lo ff o u rs l i pb l o c ke x p e r i m e n ts y s t e m ，t 1 l ef i n i t ee l e m e n t m o d e lo fo n ei n c l u d i n gl r g j o i n t sh a db e e ne s t a b l i s h e da n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sh a db e e n d o n e t h ed y n a i i l i cp e r f b n i l a n c eo fe x p e r i m e n ts y s t e mw a so b t a i n e d ，w h i c hc o u l db eu s e da s b a s i cp a r a m e t e r si nd y n a i i l i cd e s i g n c o n t r a s t e dt h i s ，t h em o d e lw i t h o u ti 。r gj o i n th a db e e n a l s 0e s t a b l i s h e d n el a r g ed i 骶r e n c eb e 觚e e nt h e 锕of e ar e s u l t s0 fm o d e lc 觚s h o wt h e e m c tw h i c ht h el r g j o i n ta c to nt h ed y n a i i l i cp e 渤珊a n c eo fm c h i n et 0 0 1 n i sp 印e fp r e s e n t e dan e ww a yt or e s e a r c ht h ed y n 锄i cp e 哟珊锄c co fl r g j o i l l t n i c a na l s ob eu s e do ns t u d yo fo t h e rl 【i n do fj o i n t ，w h i c hm a d et h ec o n f i g u r a t i o no fd y n a m i c m o d e lo fe n t i r ec n cm a c h i n et o o lb ep o s s i b l e t h ec o n c l u s i o no ft h i sp a p e rc o u l db ea 酉s t f b rd y n a m i cd e s i g no fm a c h i n et o o l k e y w o r d s ：l i n e a rr o l l i n gg u i d ew a y ；j o i l l t ；d y n a i l l i cp e r f o m a n c e ；d y n a i i l i cm o d e l ；f i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s 、 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明i 摘要i a b s t r a c t v 第1 章绪论1 1 1 课题研究的意义与背景1 1 2 结合面性能研究现状2 1 2 1 结合面动态特性解析方法的研究2 1 2 2 结合面参数试验识别的研究3 1 2 3 理论建模与实验建模相结合的结合面动态特性研究4 1 3 导轨结合面性能研究。6 1 3 1 滑动导轨接合面的研究6 1 3 2 直线滚动导轨接合面的研究7 1 4 课题内容8 第2 章滚动导轨结合面方法研究1 1 2 1 试验模态分析技术1 1 2 1 1 模态分析概述：1 1 2 2 2 传递函数的求取1 2 2 2 3 激励方法介绍1 5 2 2 有限元分析方法及其应用1 6 ( 东北大学硕士学位论文 目录 2 2 1 有限元方法概述1 6 2 2 2 有限元分析的一般步骤1 7 2 2 3 动力学分析中的有限元方法1 7 2 3 导轨接合面有限元弹簧模拟。1 8 2 4 本章小结2 0 第3 章单滑块滚动导轨结合面动态特性研究2 1 3 1 直线滚动导轨中单个滚子结合面的研究2 1 3 1 1 滚动导轨单个滚子接触表面的分析2 2 3 1 2 表面接触的g w 模型理论2 2 ， 3 1 3 轮廓面积的计算2 3 、 3 1 4 接触刚度的计算2 6 3 1 5 单个滚子在觚s y s 的有限元模拟分析。2 7 7 3 2 单滑块滚动导轨的研究3 5 3 2 1 理论模型的研究3 5 3 2 2 单滑块导轨的有限元分析。3 8 3 3 单滑块实验台的有限元分析。4 2 3 3 1 实体建模二4 2 3 3 2 有限元模型4 2 3 3 3模态分析4 3 3 3 4谐响应分析4 4 3 4 本章小结4 6 东北大学硕士学位论文目录 第4 章机床整机动态特性的有限元分析4 7 4 _ 1 机床整机实体建模4 7 4 2 机床整机有限元建模。：4 8 4 3 模态分析4 9 4 4 谐响应分析4 9 4 5 本章小结5 0 第5 章实验方案设计及仿真5 3 5 1 实验方案设计5 3 5 1 1 试验装置分析介绍。5 3 5 1 2 水平方向试验模型分析5 4 5 1 3 法向试验模型分析5 7 5 1 4 实验设计评述。5 8 5 2 试验系统仿真5 8 5 2 1 不考虑导轨结合面的四滑块试验系统。5 9 5 2 2 考虑导轨结合面的四滑块试验系统6 3 5 3 本章小结6 6 第6 章结论与展望6 7 参考文献6 9 致谢：7 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的意义与背景 制造业在是我国重要的支柱产业，随着我国综合国力的进一步增强和加入世界贸易 组织，我国经济全面与国际接轨，大批跨国企业抢滩登陆在国内高起点设厂、将生产加 工向中国大陆转移；国内制造企业通过信息化、广泛应用现代制造技术积极参与国际竞 争。我国机床工具行业经过了漫长的发展阶段，取得了不斐的成绩。但是同世界发达国 i 家比较，我国机床工业依然存在很大差距，核心问题还在于自主创新能力不足。 随着当今世界经济和科学技术的飞速发展，全球性的市场竞争日益激烈。用户在追 求高质量产品的同时，会更多地追求低的价格和短的交货期。企业必须对快速多变的市 场需求做出敏捷响应，不断更新产品设计，缩短新产品的开发周期，提高产品的设计质 量，降低产品成本，这样才能在激烈的市场竞争中求得生存和发展。随着产品复杂性的 不断增长，以及企业间竞争的日趋激烈，传统的产品设计方法已经很难满足企业当前生 存和发展的需要。为了能在竞争中处于有利位置，实现产品设计数字化势在必行。最近 几年以来，产品设计的数字化已经成为企业信息化的重要内容。 随着数字化经济时代的到来，整个社会信息化的水平在提高。制造企业也毫不例外 地在产品的设计、制造、服务过程中大量采用了信息技术手段。如何有效的管理和利用 这些有价值技术文档，使得它们在企业的产品创新中发挥更大的作用是摆在这些企业面 前的一个新课题。通过实现产品设计得数字化和应用虚拟样机技术，可以使产品的设计 者、使用者和制造者在产品研制的早期，在虚拟的环境中直观形象地对虚拟的产品原型 进行优化、制造和使用仿真等工作，对于产品设计创新、提高设计质量、缩短产品开发 周期有非常重要的意义。 沈阳市数控机床产业在全国占有重要地位，也是沈阳支柱产业。沈阳机床集团公司 的数控机床在国内市场占有率超过2 0 ，沈阳机床集团的发展对振兴东北老工业基地具 有重要意义。此项目拟针对沈阳机床( 集团) 有限责任公司，进行数控机床产品快速创 新设计的关键技术问题研究，研究具有重要的理论和现实意义。 本课题是数控机床产品快速创新设计的关键技术问题研究项目的子课题直线滚 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 动导轨结合面的动态特性的研究 飞 可r 自5 0 年代以来虽然国内外对结合部特性的研究工作投入了大量的人力物力，但结 合部特性的数据如何在实际解析和设计中应用还是一个值得花费时间和精力去研究的 重要课题之一。目前，在解析、设计、制造和装配等领域都己认识到了结合部特性参数 及其应用技术的重要性。现有的实际情况及a 如技术的发展趋势进一步说明了对结合 部基础特性研究的重要性和急迫性 众所周之，滚动直线导轨是当今数控机床中使用非常广泛的功能部件，其性能的好 坏将对机床的最终性能产生非常重要的影响。而滚动直线导轨结合面动态特性是机床整 机性能预测过程中的关键问题；对研究机床的振动与振动控制以及准确地进行机床动态 设计和设计优化，提高我国数控机床产业的整体技术水平具有重大的理论和现实意义。 1 2 结合面性能研究现状 1 2 1 结合面动态特性解析方法的研究 影响结合面特性因素很多也非常复杂，且多为非线性因素，由于各种影响因素间的 相互交错影响更增加了问题的复杂性。为了便于研究，根据众多影响因素的不同特征， 们划分为三类。一是与结构有关的因素，二是与工况有关的因素，三是与结合 性有关的因素，一类影响因素可在设计阶段解析时进行考虑，而后两类因素则 特性参数中考虑，可以通过对结合面微观机理的研究获得或通过实验获取。 依据试验获取的各种结合条件下的有限多个结合面基础特性参数，建立起结合 积上的特性参数与各影响因素之间的对应关系，并对各种结合条件下的结合面 参数进行正确预测，以供设计解析使用，目前近似公式表达的方法用的比较多， 建立在大量实验的基础上，通过对影响结合面基础特性参数的各种因素的影响 响程度及影响规律的详细研究，将这些因素分为连续变化的因素和非连续变化 类。针对各种不同的结合条件，需要建立多个公式来表达。 美等建立了单位面积的结合面特性参数试验识别模型，基于大量的实验研究详 上述因素的影响特性、程度和规律，对于实验获得的数据采用数学拟合方法， 数据进行拟合，用公式描述了连续变化因素和非连续变化因素。 鹏、黄玉美等在前面研究的基础上，应用均质量、集中质量及结合面单元建立 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 机床整机结构系统的动力学模型，采用子结构动柔度合成思想对一台仿形动立柱加工中 心进行动态特性解析。 北京工业大学的伍良生等在基于单位面积垫块的基础特性数据识别方法的研究中， 制作了各种材料大量的单位面积势片，在各种不同的工况下对基础特性进行识别，用列 表方法建立了简单的结合面基础特性参数，为其以后的复杂结构的动态特性预测奠定了 基础。 近年来，人工神经网络技术己成为一个快速发展的研究领域。b p ( b a c kp r o p a g a t i o n ) 网络是一种典型的多层反馈式人工神经网络，目前己应用在许多领域，逐渐成为种解决 某些工程问题的基本方法。 张学良、温淑花等都运用b p 神经网络分别对机械结合面的接触刚度和接触阻尼进 行了探讨，为了便于神经网络分类，对影响结合面法向动刚度的非连续变化的因素提出 “虚拟特性定量描述法 ，该方法只强调影响因素和被影响因素之间的数量关系，而不 是物理的或运动学的关系，用本方法建立的模型直接可以用做机械q 的子模型，计 算和预测机械结构的动态特性，实现了在多个结合条件下的机械结合面动态特性参数的 一般模拟。该方法，工作量小，效率高，且可达到较高的预测精度，并便于为设计解析 所利用，具有推广应用的前景。 1 2 2 结合面参数试验识别的研究 i 从二十世纪六十年代中期以来，由于振动理论和结构动力学理论、动态试验技术、 计算机技术等方面的发展，使研究进入一个全新的计算机辅助分析和优化设计的定量研 究阶段，为机床的动态特性研究提供了坚实的理论基础和先进的测试手段，系统地建立 了机床动态特性的研究理论，达到了一定的实用程度，并在不断地深化和发展。这一时 期，欧洲、美国、日本等国学者进行了单元样件和各类典型结合面的特性试验。德国阿 亨大学机床试验室( w z l ) 进行了滑动导轨和滚动轴承的静、动态试验，英国、日本等对 机床构件螺栓结合面和滚子丝杠副的静态特性进行了试验，推导了结合面静态特性数据 应用的计算表达式。除此之外，波兰、法国、巴西、印度等国也有学者进行了结合面特 性方面的研究。 2 0 世纪8 0 年代，直接利用结构动态试验数据来辨识结合部参数的方法成为人们感 兴趣的一条途径，其中主要有传递函数法和模态法。但因为所测传递函数因激振颇率的 不同而不同，故测试和数据处理工作量大，加上结构的某些局部传递函数难以测量，使 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 传递函数法在工程应用中受到限制。模态法则是利用结构的实验模态参数( 主要为固有 频率和振型) 来辨识结构的结合部参数。该方法因近年来结构实验模态分析技术的迅速 发展与成熟而具有良好发展前景。 陈新作过许多探索，提出结合部刚度与阻尼参数的一些识别方法。他导出了具有广 义性的识别公式，即由它可直接派生出几个同类方法的识别公式；在实验数据的需求上， 比某些同类方法所需要的实测传递函数类型要少；在识别算法上，避免了某些同类方法 对实测传递函数矩阵直接求逆的缺点，能够获得令人满意的结果。 天津大学的于德介通过实测结构少量几个点上的振型和传递函数确定结合面参数， 也不需要实测整个结构完整的动态信息，因此适用于复杂结构结合面动力学参数的识 别，他们还提出了一种多个频率下的最小二乘拟合方法来消除实验误差对识别结果的影 响。昆明理工大学的张宇、廖伯瑜又将于德介的方法应用与铣床结构结合部参数识别同 样获得了比较满意的结果。青岛大学的张杰对“复杂的机械结构的结合面动力学建摸及 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 验模型进行修正即基于动态实验数据的有限元模型修改。 在国内应用有限元建模和实验建模相结合方法来研究结合面动态特性的主要的研 究单位有：大连理工大学、天津大学、浙江大学、西安理工大学、广东工业大学、北京 工业大学、东南大学、北京机床研究所、中国船舶科学研究中心等。高等院校一般从微 观上对结合面问题进行了较深入的理论研究，但随着问题研究难度的增加，逐步认识到 理论研究和试验测试相结合的必要性。最近几年，高等院校和研究院所之间的联系越来 越紧密，一般凭借高校的理论技术优势和研究单位优越的实验测试条件联合进行工作， 己取得了很大的成绩。围绕模态参数识别和动力学模型的建立，发表了不少文章。 大连理工大学的袁景侠等提出了一种识别机床接触面刚度和阻尼的新方法，利用有 限元模型自由度凝聚与用时域分析法获得的实测模态参数相结合的方法，只要利用一、 二个不完全的振型就可以识别机床接触面的结构参数。该方法由两大部分组成，首先利 用时序分析法从实验数据序列建立随机的自回归滑动平均向量( a r m a 聊模型并进而确 定机床的模态参数，然后把机床结构的有限元模型在某一复频下进行精确凝聚，并根据 从时序分析法和凝聚后的有限元模型得出的模态参数必须相等的条件，就可以识别未知 的机床结构参数。利用计算机仿真技术对新提出的方法进行了验证，证明它具有很高的 识别精度。最后进行了立柱模型实验，对立柱底部的接触刚度和阻尼进行了成功的识别 天津大学的徐燕中和刘晓平等继续发展了实验和有限元相结合识别结构动力学参 数的方法，引入模态分析技术进一步提高此方法的精度，使得结合面参数识别更具有工 程实用价值，在参数识别过程中，结构有限元模型修改技术也为提高识别精度做出贡献。 为了避免了机械结构系统动力学模型中刚度矩阵存在的误差对接触阻尼参数识别的不 利影响，他们提出用提出基于正交性关系，利用实验测试的复特征值和复特征向量对质 量和阻尼项构成的状态矩阵的归一化方程来单独识别结合面阻尼参数，提高了接触阻尼 参数的识别精度。并以2 3 0 2 5 摇臂钻床作为实际研究对象对以上方法进行了试验验证， 获得较满意的结果。 浙江大学在加工中心立柱床身结合面动态特性及参数识别研究中，提出了一种适用 于复杂模型的结合面参数识别方法。其主要工作包括：运用结合面元的方法建立了结合 面动力学模型：应用有限元模型降阶修改法建立了立柱床身结构的低阶高精度动力学模 型；提出了一种利用可测传递函数逆阵建立目标函数的方法，避免了共振峰附近机械阻 抗矩阵病态的问题。 东南大学的陈新等提出了应用接触单元和弹簧阻尼单元相结合建立螺栓固定结合 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 面的有限元模型，应用模态实验的结果和优化参数法识别接触面的动态特性参数，修正 后的模型能较准确的模拟结合面的动力学特性，该方法在新机床m k 2 1 2 0 a 内圆磨床的 动力学设计中得到了成功的应用。 由前面阐述的内容可知，完全依据解析计算的方法需要先对不同结合条件通过试验 取得特性常数等，并建立数据库。目前，这种方法的精度还有待验证，特性常数数据不 齐全，离工程应用还有很大距离。完全基于实验建模的识别方法，对于大型复杂结构会 遇到拆装不便的困难。对于解析和实验建模相结合的识别方法，识别的精度还不够理想， 但工程实用上有许多优点，故进一步探索理论和实验混合建模方法来识别结合面参数， 并设法提高识别精度，则是近年来国内外学者的未来研究的方向。 1 3 导轨结合面性能研究 1 3 1 滑动导轨接合面的研究 滑动导轨是机床的非常重要功能部件之一，由于其具有滑动特性，因此也是机床整 机动态特性中非常有影响的结合面之一。 在六十年代主要在苏联进行过一段时间的研究，而后研究重点转向更基本的二平面 联接。七十年代德国阿亨大学机床试验室( w z l ) 对滑动导轨也进行了少量研究。我 国自八十年代开始对滑动导轨的静动态特性进行较系统的研究。已有的成果有预加静载 荷对刚度和阻尼的影响、导轨材料和润滑油对刚度和阻尼的影响、滑动导轨的阻尼系数 与工作台滑动速度的关系等等。 在我国，黄玉美等基于结合面的基础理论，建立了平面导轨结合面和圆柱面导轨结 合面的静力学模型以及静变形数学模型，给出了导轨结合面的静刚度矩阵，为机床设计 中选择最佳设计方案，预断设计效果及寻求合理设计参数提供了理论依据。并开发了相 应的机器整机静态特性分析及预测软件模块。 张广鹏等等在黄玉美的研究基础上，以结合面基础特性参数为基础，给出了机床滑 动导轨结合面动态建模解析方法，通过公式计算可以迅速确定机床导轨结合面的动态参 数，并将其应用于机床整机动态特性解析，为机床图样设计阶段预测整机动态特性开辟 了道路。马建辉在此基础上，给出了机床圆柱导轨结合面的动态特性解析方法，编制了 相应的解析软件，并在z 5 1 2 台钻上进行了动态试验，试验结果和解析软件计算结果有 6 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 较好的一致性。 。 ： 西安理工大学的王世军等等研究了机床导轨结合面的有限元研究方法，他们基于动 态的结合面基础特性参数，综合滑动导轨结合面的自身特性，先后提出了采用零厚度的 六节点等参数单元和零厚度的八节点等参数单元来模拟机床导轨结合面的动态特性，并 将其运用到机床整机建模中去，提高了机床整机动态特性预测精度。该方法合理的处理 了导轨结合面的非线性特性，通用性强，可用于平面、圆柱和球面结合面的特性解析， 从而为机床图样设计阶段的整机性能预测开辟了道路。 1 3 2 直线滚动导轨接合面的研究 直线滚动导轨是在轨道和滑块之间放入适当的钢柱或钢球，变滑块和轨道之间的滑 动摩擦变为滚动摩擦，与普通的滑动导轨相比，具有摩擦力小、定位精度高、承载能力 大、寿命长、维修方便等多种优点，在数控机床上广泛采用。但是滚动导轨的滑块与轨 道之间是线接触( 滚柱导轨) 或点接触( 滚子导轨) ，刚性较低，通常是机床的薄弱环 节。因此对滚动导轨结合面的静动态特性展开研究是很有意义的，也是很必要的。 在国外，日本是研究直线滚动导轨比较早的国家。清水茂夫、井尺实等对直线滚r f 动导轨静刚度进行了比较深入的理论和试验研究，高本昭、鹤和夫等对导轨副进行了激 振试验，讨论了在速度不同、激振力大小不同时各种导轨副的响应。德国的m i c h a e l s c l l n a i d e r 博士也作了一些导轨副振动特性的研究，提出了一个简单的振动模型。 在国内，也有数家高校开始了滚动导轨结合面特性的研究，华中科技大学、东北大 学、西安理工大学、东南大学和北京工业大学陆续展开了滚动导轨静动态特性的研究。 华中科技大学的孙健利、刘建素、刘端等人在直线滚动导轨副静刚度研究方面，提 出了很多计算公式和方法，并且作了大量的试验【3 4 】。孙莉在此基础上将人工神经网络 引入到直线滚动导轨副的刚度计算。提出了直线滚动导轨副刚度计算的一种新的建模方 法。较传统的数值计算方法具有如下优点：计算速度快，计算精度高，节省计算机内存， 方法简单，易于操作，并可通过追加学习的方式来适应新的信息集成，因此极具实用价 值。 西安理工大学的黄玉美给出了直线滚动导轨静态特性的解析方法，为了获得更准确 的解，根据机床在不同的工况下，导轨面与滚动体之间接触面压的不同，分别应用结合面 理论和弹性力学公式进行了计算。 东北大学的江早率先展开了滚动导轨系统油膜阻尼机理的研究，通过理论分析和试 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 验研究计算了油膜阻尼的动态值，并对滚动导轨油膜阻尼的减振效果进行了研究，指明 了不同形式的油膜阻尼均有明显的减振作用，但减振作用随油膜参数的变化而变化，给 出了不同工况下的最佳参数值。 郑佳明、伍良生等人先后开展了直线滚动导轨结合面动态参数的识别工作，其核心 思想均是将单滑块导轨系统简化为单自由度系统，建立导轨动态试验台：消除实验装置 的辅助结构对滚动导轨的影响，精确测得导轨垂直向和侧向传递函数，从而识别出准确 得滚动导轨结合面的各向动态特性参数【。 由此不难看出，我国对滚动导轨结合面静态特性的研究时间较长，取得了较为丰富 的成果，但是对滚动导轨结合面动态特性的研究还不多，目前还停留在实验室研究阶段， 主要集中在单纯的导轨滑块系统的参数识别与振动模型研究中，还没有建立一个准确有 效的直线滚动导轨结合面动力学模型并运用到机床整机的动态特性分析与预测中，无法 对实际的机床设计生产进行指导。因此对直线滚动导轨的动态性能进行研究，通过各种 静动态试验准确识别其接触参数，建立准确的行之有效的有限元模型，具有重要的理论 和现实意义。 _ 1 4 课题内容 本文以自己设计实验台为研究对象，通过理论和有限元分析相结合的方法研究直线 滚动导轨结合面动态特性及其建模方法，建立含有直线滚动导轨结合面的实验系统有限 元模型，并对模型进行修改和验证。 主要研究内容如下： ( 1 ) 首先总结了国内外机床结合面和滚动导轨结合面动态特性研究现状及存在的 主要问题，介绍了目前结合面动态特性研究的主要方法及关键技术，本文采用了一种理 论研究、有限元分析，动态试验分析相结合的结合面研究方法。 ( 2 ) 以s n s 3 5 r 型滚动导轨为研究对象，通过分析其结构特点，对滚动导轨局部 单个滚子进行有限元分析，并给出了直线滚动导轨结合面的理论振动模型，建立了准确 的直线滚动导轨结合面的有限元模型。 ( 3 ) 对单滑块试验系统建立了准确的直线滚动导轨结合面的有限元模型，进行详 细的有限元分析，和上两届师兄的试验数据对比，说明理论振动模型结合面的有限元模 型的准确性。 8 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 ( 4 ) 把上述的理论和结合面的有限元模型应用到整机上，探讨直线滚动导轨结合 面对机床动态特性的影响，并分析了机床的动态特性。 ( 5 ) 对实验方案设计的研究i 并以单滑块的试验系统为基础，建立比较接近实际 机床四滑块实验系统，进一步建立了考虑直线滚动导轨结合面的有限元模型并进行有限 元分析，得到了试验系统的动态特性，为机床的动态设计提供了依据；又建立了不考虑 直线滚动导轨结合面的四滑块的导轨试验系统有限元模型，两种模型的计算结果差异很 大，进一步说明直线滚动导轨结合面对机床的动态特性有显著影响。 东北大学硕士学位论文 第2 章滚动导轨结合面方法研究 第2 章滚动导轨结合面方法研究 滚动导轨结合面动态特性的影响因素众多，研究方法也是多种多样。目前应用比较 多的有理论分析法、实验测试法以及有限元分析的方法。无论采用何种方法，根本的目 的都是为了得到结合面的模型，但是这些模型在以后的应用中各有差异。 本文在大量收集、阅读和整理国内外有关结合面特性研究工作的基础上，提出了一 种基于理论，模态分析，实验分析相结合的研究方法，对直线滚动导轨结合面的动态特 性进行了研究和探讨。 ， 2 1 试验模态分析技术 、 2 1 1 模态分析概述 建立用模态参数表示的振动系统的运动方程，称为模态分析，振动系统模态参数主 要有：固有频率、振型、模态质量、模态刚度、模态阻尼。这是一种理论与试验紧密结 合的、行之有效的方法。实践证明，它能解决复杂的动力学问题，因而有巨大的生命力， 并得到广泛发展。 模态分析方法有时域法和频域法。试验模态分析是通过实验测定数据，确定模态参 数的。试验模态分析法属于频域法范畴，对于像机床这样的质量连续分布的弹性体，具 有无限多个自由度。在对机床进行动态分析时，就必须将整机离散成若干个集中质量， 简化成一个具有有限个自由度的多自由度振动系统。对一个多自由度振动系统，可以建 立一个对应的运动微分方程组，但求解这个方程组的运算过程相当繁复。在工程技术中， 解决这类多自由度振动问题用最为普遍采用的方法就是模态分析方法。 模态分析可以认为是对弹性结构的动态特性进行特征化的过程。任何一阶振动模态 ， 都是结构的“整体”特性，就是说，从结构上的部分点的振动情况，可以得到结构“整 体 的振动模态。振动模态实际上是滞留在结构体内部的能量流的体现。当结构体内的 能量来回地运动的时候，它就引起结构像波浪那样的运动变型，这就是所说的结构的模 态振型。这些模态振型发生在各阶固有频率下，并且在激励外力从结构上移走后其振幅 ， 1 1 、 东北大学硕士学位论文 第2 章滚动导轨结合面方法研究 将衰减。 试验模态分析的目的是，通过试验和分析方法确定系统的模态参数，进而建立系统 运动方程，任何一阶振动模态都可以用某一固有频率、阻尼系数( 阻尼比) 和模态振型 来表示。这些模态参数可以通过对机械结构进行激励，并在结构表面不同点测量其响应， 从而由一系列频率响应函数( f r f ) 测量装置进行分析得到。频响函数测量分析可由多 通道快速傅立叶变换分析仪进行。 2 2 2 传递函数的求取 ( 1 ) 运动方程 任何复杂的机械结构，其弹性运动都可以用以下的线性微分方程表示出来： 【m 】 x ( f ) + 【c 】 x o ) + 【k 】 x o ) 】= | 【f o ) 】- ( 2 1 ) 式中： 【m 】一质量矩阵， ( n n ) ； 【q 一阻尼矩阵，( n n ) ； 【k 】一刚度矩阵，( n n ) ； 碧( f ) 卜一加速度向量，( n 1 ) ； j o ) 卜一速度向量，( n 1 ) ； x o ) 卜一位移向量，( n 1 ) ； f o ) 卜一外部激振力向量，( n 1 ) ； - n _ 自由度数目。 方程( 2 1 ) 是结构内力与作用在其上的外部激励力之间的平衡关系式。 结构内力由惯性力、阻尼力和弹性恢复力组成。位移向量的各个元素代表了某个特 定点在特定方向的运动。每个点的运动都可以用6 个自由度来表达，其中3 个为相互正 交方向的平移，另3 个为关于正变坐标轴的旋转。速度向量和加速度向量分别是位移向 量的一阶和二阶导数。在实际的模态测试中，仅用有限的自由度来代表整个连续弹性体 的动态特性。由于转动自由度不易测量，也由于构件转动的效果已包括在可测量的平动 自由度中，所以在模型中常常不考虑转动的自由度。为了确定系统的固有频率和主振型， 可考察系统的无阻尼自由振动，故方程( 2 1 ) 简化为阻尼为零的齐次方程组，即：