（机械制造及其自动化专业论文）数控机床滑动导轨结合面动态特性参数测试及应用研究.pdf

硕士学位论文数控机床滑动导轨结合面动态特性参数的测试与应用研究 摘要 随着c a d 技术的发展，数字化设计与制造技术在高档数控机床产品的研发 过程中起到越来越重要的作用。整机的动态性能是机床数字化设计的重要指标， 而机床中结合面的动态特性对整机动态性能有着重要影响，结合面的存在会导致 机床的局部刚度降低，直接影响其加工性能。滑动导轨作为数控机床的支承和导 向部件，应用较为广泛，因此研究滑动导轨结合面的动态特性对机床的数字化设 计有着重要意义。 论文基于结合面动刚度和阻尼的形成机理，利用工程等效原理，提出了结合 面分离原则和方法，将滑动导轨结合面简化为等效单自由度系统，建立了消除基 础位移影响的结合面动态特性参数识别模型及测试系统，介绍了结合面参数测试 过程及其识别方法，并通过试验获得大量滑动导轨结合面动态特性参数，建立了 机床滑动导轨结合面特性数据库：通过单因素试验和正交试验两种方法分析了滑 动速度、面压、润滑油及结合面材料等因素对滑动导轨结合面动态特性参数的影 响规律，并从微观接触、摩擦学原理及润滑等方面对其变化机理进行了分析，试 验结果表明滑动速度的增加会降低结合面的动刚度，适当增加面压可提高结合面 的动刚度，且能降低速度增加对动刚度的影响，添加润滑油能使结合面的动刚度 提高；研究贴塑厚度对滑动导轨结合面动态特性的影响规律，研究结果表明结合 面的动刚度随贴塑软带厚度的变大而减小，阻尼随着软带厚度的变大而增大，贴 塑厚度不宜过大，以1 2 到1 5 n u n 为宜，而且贴塑导轨比普通导轨能更好的维持 结合面动态特性的稳定性。 论文最后探讨了将试验测得的单位面积滑动导轨结合面参数应用于机床动 力学模型的方法，验证了试验所得数据的正确性，同时证明结合面参数对整机动 态性能的重要性，对准确建立机床整机的动力学模型具有重要意义，更对机床结 构的动态设计及优化具有指导意义。 关键词：贴塑导轨，聚四氟乙烯，结合面动态特性，测试系统 a b s n a c t 硕士学位论文 a b s t r a c t d i g i t a ld e s i 印a n dm 锄u f a c 嘶n gt e c h o l o g ) rp l a y s觚i i i 驴r t 枷r o l e i i l c r e a s i n g l y i i l p r o d u c td e v e l o p m e mo f1 1 i 曲- e n dc n cm a c l l i n et o o l s 埘l l e d e v e l o p m e n to fc a dt e c h n o l o g ) r 1 kd y n 觚血p e 墒m a l l c eo fm a c l l i l l et o o li s 孤 i i l l p o r t a n ti n d i c a t o ro fd i g i t a ld e s i 鹦趾dt l l ed ) ，i l 锄i cc h 越l c t 耐s t i c so fm a c l l i n e t o o l s j o i n th 2 u s 觚i r i l p o r t a l l ti i l l p a c t o nm ed y n 锄i cp e r f i o 订n a n c eo ft i l ew h o l e m a c l l i n e ，t l l ep r e s e i l c eo fj o i n t sc 觚l e a dt 0l o w e rs t i 筋e s s ，a f f e c t 廿l ep r o c e s s i n g p e r f o 肌a 1 1 c ed i r e c t l y s l i d i n g 鲥d e sa r e 晰d e l yu s e do n l ec n cm a c l l i n et o o l sw o r k a ss u p p o r t 锄dg u i d i n gp a n s ，s oi ti ss i 叫f i c 锄tt os t u d yt l l ed y n a 血cc h a m c t e i i s t i c so f t l l es l i d i n gg u i d e s j o i n tf o rt l l ed i g i t a ld e s i 弘o ft l l em a c l l i n e t l l ep a p e rm i s e st l l es e p a r a t i o np 血c i p l e 锄dm e 恤d so ft h es l i d i n gr a i l s j o i n t u s i n ge n g i n e e r i n ge q u i v a l e n c ep r i n c i p l eb a s e do n l ef o m l a t i o nm e c h a l l i s mo f d y n a m i cs t i f m e s sa n dd a m p i n g ，s i m p l i 匆t l l ej o i n tt 0t ：h ee q u i v a l e n ts i i l g l ed e g r e eo f 毹e d o ms y s t e m ，e s 切b l i s h e dm ei d e n t i f i c a t i o nm o d e l 趾dt e s ts y s t 锄o fd y n 锄i c c h 蹦l c t 耐s t i c sp 娥吼e t e ro ft h es l i d i n gg u i d e s j o i n t ，i n t l o d u c e sm et e s t i n gp r o c e s s a 1 1 di d e n t i f i c a t i o nm e t h o do fm e j o i m sp a r a m e t e r s ，g e tal a r g em i m b e ro fp a r a m e t e r s a i l de s t a b l i s hac h a r a c t e r i s t i c sd a t a b a s eo f s l i d i n gg u i d ej o i m a n di t 锄a l y z e st 1 1 el a w o f 谢o u sf a c t o r si i l | 1 u e n c e do nt h ed y n 锄i cc h a r a c t e r i s t i cp 撇e t e r ss u c ha ss l i d i n g v e l o c i 够，s u r f a c ep r e s s u r e ，t l l es u r f a c em a t e r i a j s ，l u b r i c 锄t 锄do t h e rf a c t o r sb y s i n g l e - f a c t o r t e s ta i l d o r t l l o g o n a le x p 耐m e m ，t h e n 咖d yt l l e r e a s o nf b m l e m i c r o - c o n t a c t ，t r i b o l o g ya i l dl d 晰c a t i o nt h e o r y t h er e s u l t ss h o wt l l a ti n c r e a s i n go f t 1 1 es l i d i n gs p e e d 晰l lr e d u c em ed y n a m i cs t i f 王n e s so ft l l ej o i m ，i n c r e a s i n gt 1 1 es u r f 犯e p r e s s u r ea 1 1 da d d i n gl u b r i c a t i o no i l 晰l le i l l l a i l c et h ed y n 锄i cs t i f | f n e s so ft l l ej o i n t e 虢c t i v e l y p 印e rs t i j d i e dt 1 1 el a wh o wt h et h i c k n e s so fp l 叙i c c o a ti n n u e n c e do nt h e d y n 锄i c sc h a r a c t e r i s t i cp a r 锄e t e r st l l r o u 曲e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ，i ts h o w st 1 1 a ta st 1 1 e t i l i c l ( 1 1 e s si n c r e a s e so fp l a s t i c c o a t ，t h ed y n 锄i cs t i f f n e s sd e c r e a s e sb u tm ed 锄p i n g i n c 陀a s e s ，i ti s 印p r o p r i a t ea t1 2t 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s t e m l i i 硕士学位论文 数控机床滑动导轨结合面动态特性参数的测试与应用研究 1 绪论 1 1 课题的背景及意义 1 1 1 课题背景 随着计算机辅助设计技术的迅猛发展，数字化设计技术在高档数控机床的设 计与制造过程中应用越来越广泛。数字化制造技术作为现代制造技术发展的重要 方向，反映了一个国家机械工业的基础水平。我国是数控机床生产和使用大国， 但与发达国家相比，我国的数控机床自主研发能力较弱，没有形成专业化的零部 件配套体系，机床的使用寿命和精度保持性较低，高端精密数控机床基本还是依 赖进口。 为了提升中国装备制造业和数字化制造技术的发展水平和核心竞争力，打 破国外高端数控机床的垄断地位，国务院总理温家宝于2 0 0 8 年1 2 月主持召开国 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 制造业的若干意见中也把发展高档精密数控机床和基础制造装备产业作为1 6 个重点之一。 本课题来源于“高档数控机床与基础制造装备 科技重大专项下数字化设 计方向的课题“机床结合面特性数据库及整机精度数字化设计系统”。课题 的主要任务是对高档数控机床不同种类的结合面进行参数识别并建立机床结合 面特性数据库，开发整机动态性能分析及精度设计软件系统。本论文主要研究滑 动导轨结合面动态特性参数的识别，分析滑动速度、面压、润滑油、结合面材料 等不同因素对结合面动态特性参数的影响规律，并将试验所获得的数据应用于机 床结构分析，对指导机床整机动力学建模具有重要意义。 1 1 2 课题意义 数控机床中各零部件之间相互联接形成各种各样的机械结合面。根据各零 部件的联接方式，机床中的结合面一般可分为固定结合面、滚动结合面和滑动结 合面三种。机床立柱与床身的联结、机架与机座的联结、主轴与刀柄的锥面联接 等之间无相对运动，属于固定结合面；滚动导轨的滑块与滚动体之间的接触面、 滚动轴承滚动体与内外圈的接触面等属于滚动结合面；滑动导轨的运动部件与固 定导轨之间属于滑动结合面。这些结合面依附于各零部件存在，既存储能量又消 耗能量，极大影响了机床整机的静、动态特性。关于结合面研究的相关文献【l j l l 绪论 硕士学位论文 表明机床结合面的动刚度占机床整体刚度的3 0 5 0 ，结合面阻尼所占的比例 更大，有些结合面阻尼占机床总阻尼的9 0 左右。此外，结合面的热阻特性对机 床的影响也很大，由此可见结合面特性对机床整机的性能十分重要，研究机床结 合面的特性对机床设计也意义重大。 良好的机床整机动态特性是高端数控机床性能的重要保证，为了获得良好 的机床整机动态特性，通常的方法是建立机床整机动态特性分析模型，采用数字 化方法对其动态特性进行优化与分析，根据优化与分析的结果再进行相应的改 进。滑动导轨作为机床重要的支承和导向部件，广泛应用于各类数控机床中，运 动部件与固定导轨间形成的滑动导轨结合面特性对机床的整体性能影响显著。滑 动导轨结合面的存在会导致机床的局部刚度降低，阻尼增加，直接影响机床的加 工性能。为了降低结合面特性对整机性能的影响，需要建立一个较为准确的机床 动力学模型，进而对机床结构进行动态设计的优化。研究表明在机床整机动态分 析模型建立过程中，对结合面的处理至关重要。但是，结合面动态特性分析模型 的建立是一个难点，特别是结合面动刚度和阻尼值的准确获取非常困难。在结合 面的动态特性分析建模方面，一般情况下都是将结合面从机械结构中分离出来， 在将其简化成弹簧阻尼系统，这种方法在一定程度上提高了整机动态特性分析 的准确性，在设计阶段就为机床的动态特性优化提供了依据。但是这种准确性是 建立在结合面动态特性参数( 动刚度和阻尼) 准确地基础上的，因此获得准确地 结合面动态特性参数就显得尤为重要。 综上所述，机床结合面动态特性参数是否准确将直接影响机床整机动力学 建模的精度，进而影响机床的动态优化设计，因此正确测试结合面的动态特性参 数对机床数字化设计具有重要意义。 1 2 机床滑动导轨结合面研究现状 滑动导轨是数控机床上广泛应用的导轨，研究滑动导轨结合面的振动特性对 机床的设计有着深刻意义，论文主要通过试验研究滑动导轨结合面的动态特性参 数识别及其应用，下面首先介绍滑动导轨及其性能要求，然后详细介绍结合面特 性的基础研究状况。 1 2 1 滑动导轨及其性能要求 现代机床上常用的导轨主要有三种类型：滑动导轨、滚动导轨和静压导轨， 其中滑动导轨是机床中最早使用的导轨，目前应用也较为广泛。虽然滑动导轨存 在摩擦系数大、磨损快、使用寿命短及低速容易产生爬行等缺点，但其结构简单， 工艺性好，便于保证支承刚度，而且随着材料科学及润滑技术的发展，其摩擦性。 能及防爬行能力都得到了很大的提高，因此至今仍在各类数控机床产品上广为采 2 硕士学位论文数控机床滑动导轨结含面动态特性参数的测试与应用研究 用。 随着高精度精密机床和重型机床的发展，机床滑动导轨的种类也越来越多。 按照不同的材料、结构形式、截面形状及用途等方式可将滑动导轨分成不同类型 导轨，如表1 1 所示。 表1 1 常用滑动导轨分类 分类方式导轨类型 导轨材料塑料导轨、淬火钢导轨、铸铁导轨 结构形式开式导轨、闭式导轨、镶钢导轨 截面形状矩形导轨、圆柱型导轨、三角形导轨、燕尾型导轨 导轨作用 进给运动导轨、主运动导轨、偏置导轨 在实际应用过程中，应根据导轨的用途选择不同的滑动导轨，随着高精度 精密机床和重型机床的发展，导轨材料越来越影响机床的整体性能。机床上最常 用的滑动导轨是矩形导轨，通常是采用铸铁件或钢件( 镶钢导轨) 制成，为了提 高导轨的耐磨性和定位精度，导轨表面要进行淬硬、磨削和刮研等工艺处理。滑 动导轨最显著的优点是具有优良的刚性，适宜切削负载较大的机床采用。但普通 金属导轨的吸振性不佳，刀具切削时产生的振动及系统启动或停止时的振荡对加 工精度有一定影响。为了提高工件加工的尺寸精度，减少导轨副的磨损，便于机 床长期地保持精度，目前多数机床采用贴塑导轨以提高加工性能。贴塑导轨的粘 贴工艺及其物理性能在第四章会重点介绍。 滑动导轨是各类数控机床上重要的支承和导向部件，其定位精度、耐磨性及 动态性能是保证机床加工精度和延长机床使用寿命的关键因素。滑动导轨在运行 过程中会不可避免地产生振动，不仅使工作台和固定导轨的相对位置发生变化， 影响定位精度，而且加速了导轨表面的磨损，进一步影响了加工精度。据资料表 明口】：滑动导轨所产生的振动会很大程度上影响工作台的定位精度，因此滑动导 轨的设计要尽量减小振动对机床性能影响。另外，导轨的摩擦性能也是机床设计 中重要考虑的因素之一。 滑动导轨在运行过程中会产生自由振动、受迫振动和自激振动等多种振动形 式。要提高机床的加工精度，必须提高滑动导轨抵抗各种振动的能力，使振动量 尽量控制在所允许的范围之内以满足机床定位精度等性能要求。另外，数控机床 必须在程序控制下实现全自动、高负荷、高效率和长时间连续的工作，且尽量在 一次定位下将零件从毛坯加工成成品，这就需要既对零件进行大切削量的强力粗 加工，也要进行半精和精加工，并保证零件的精度和表面粗糙度要求。所以数控 机床对滑动导轨要求重复定位精度高、支承刚度好、微进给时无爬行、寿命长等， 具体要求体现在p 】： ( 1 ) 支承刚度 3 l 绪论 硕士学位论文 数控机床的主电动机功率一般比同类型普通机床约高5 0 1 0 0 。因此， 滑动导轨应该有更高的静动态刚度和抗振性。有的国家规定数控机床的刚度比普 通机床至少高5 0 以上。 ( 2 ) 导向精度 数控机床对滑动导轨的导向精度要求较高，如导轨面的直线度，普通机床 一般为o 0 2 1 0 0 0 ，而数控机床导轨为o 0 0 5 1 0 0 0 o 0 l 1 0 0 0 。数控机床对导轨面 的配合性质和公差等级要求也比普通机床高，常用h 6 1 1 5 、h 7 1 1 6 、h 6 儋5 、h 7 儋6 等配合，而对导向精度要求较低的导轨面，则可用h 8 1 1 7 、h 8 偶等配合。 ( 3 ) 表面粗糙度 滑动导轨的表面粗糙度直接影响导轨的接触刚度和抗振性。普通机床导轨 的导向面表面粗糙度为一般为r 0 6 3 2 5 朋，而数控机床导轨的表面粗糙度在 兄0 1 伽6 3 朋。 ( 4 ) 低速运行平稳性 机床低速运行时滑动导轨易产生爬行现象，对加工精度造成一定影响。高 精度加工的数控机床应尽量避免爬行现象的发生，贴塑导轨由于其动静摩擦系数 之差小、能减少爬行运动的产生而广泛应用于数控机床。 ( 5 ) 导轨布局 数控机床加工时，主轴转速、进给速度均大大高于普通机床，切削用量大， 切屑多，其产生的切削热也比普通机床多，因此导轨的布局设计要充分考虑畅通 的排屑需要，以便让切屑更快地带走更多的热量。 1 2 2 机床结合面动态特性基础研究 关于机床结合面特性的基础研究主要可以分为三方面：结合面特性机理理 论研究、结合面特性试验研究及结合面动态特性参数识别研究。 ( 1 ) 结合面特性机理研究 早在1 9 3 9 年，德国柏林工业大学的k i e n z l e 和k e t t i l e r 就在关于机床的学术 7 文献中提到结合面对机床整机性能的重要影响，这是国外学者对结合面研究最早 的探索。1 9 5 6 年，苏联的r e s h e t o v 和l e v i m 【4 】对结合面的机理展开研究，之后 世界各国的学者都对机床结合面进行了大量的研究工作。 结合面的接触实际上是两个粗糙表面微凸体的接触，研究粗糙表面微凸体 的接触，首先要建立其物理力学模型。上世纪6 0 年代，j a g r e e n w o o d 和 j b w i l l i 锄s o n 【5 】发现许多零部件接触表面的微凸体高度近似于高斯分布，并提出 了著名的g w 接触模型，为结合面机理研究奠定了基础。到了7 0 年代， d j w 1 l i t e h o u s e 和j f a r c h a r d 【6 j 基于各向同性、g a u s s 分布和自相关函数为指数函 数形式的三个基本假设，提出了w a 模型。1 9 7 1 年p r n a y a k 【7 1 基于表面轮廓、 4 硕士学位论文数控机床滑动导轨结合面动态特性参数的测试与应用研究 斜率和峰顶曲率服从联合高斯分布的假设，提出了一种新的粗糙表面接触模型。 1 9 7 3 年，r a 0 n i o n 和j f 心c h c a r d 【8 】确定了接触面积和接触载荷与粗糙表面的分 离关系，并在此基础上提出了o a 模型。b a c k 【9 】等假定结合面粗糙微凸峰高度分 布为指数函数，从理论上证明了结合面法向变形与结合面面压之间的关系符合指 数函数的关系，与实验结果相一致。国内也有很多学者对此做了研究工作，如张 波【l o 】等于1 9 9 2 年针对工程中许多接触表面的接触特性都取决于塑性接触后的表 面形貌的情况，研究了塑性接触对表面形貌的影响，提出了相应的计算模型。饶 柱石【1 1 】等于1 9 9 4 年采用弹性基础理论和概率分析的方法，考虑表面波纹度的影 响，提出了一种新的粗糙表面法向接触刚度的理论计算方法。上述各种模型和计 算方法都是基于对粗糙表面的传统定量化统计描述，从而使其结果缺乏客观的唯 一性。针对这个问题，m a i 眦l d a r 和b h u s h a i l 【1 2 】提出了以分形几何为基础的粗糙 表面接触分形理论。之后，张学良【1 3 】基于粗糙表面接触的分形理论与分形模型 以及球体与真实光滑平面的接触理论，首次提出机械结合面接触刚度分形模型， 并进行了数字计算仿真。赵宏林【1 4 】等对机械结构的结合面特性进行了理论解析， 从基本的动力学方程推导出单平面结合面的静态位移与结合面受力之间的关系， 进而转换为静刚度的表达式。 结合面机理的研究是结合面动态特性研究的基础，虽然这一领域尚存在许 多问题，但为解释结合面特性变化的规律提供了一定的理论依据，对结合面动态 特性参数的识别研究有重要的意义。 ( 2 ) 结合面特性试验研究 结合面的特性可以根据所承受的载荷分为静态特性和动态特性，因此其试 验研究也分为静态试验和动态试验两种。 ( 1 ) 结合面静态试验研究 对于结合面法向静态特性，研究表明接触刚度与结合面材料、表面粗糙度、 加工方法以及法向压力等因素有关。l e v i n a i ”j 等对面积较小的金属结合面进行研 究，发现结合面的变形本质上是接触表面微凸体的变形，并认为结合面变形与法 向压力之间基本符合指数函数关系；d o l b e y l l 6 】等对面压只 0 5 坳口) 的固定结合面进行了研究，发现法向 加载曲线和卸载曲线基本不同于面压p 。 o 5 腑的情况，这说明结合面静态特 性在不同的面压范围内也存在差别；基尔萨诺娃【l8 】等对结合面切向的静态特性 进行研究，结果表明结合面切向变形和切向载荷成非线性关系，随着结合面面压 增大，其接触刚度也变大。以上为国外学者对结合面法向及切向静态特性的研究 情况，国内对结合面静态特性的研究起步较晚，但经过多位学者的探索，也取得 5 l 绪论硕士学位论文 了一定的成果。 黄玉美【1 9 。2 1 】等人通过试验研究不同接触条件下的结合面静态特性，对结合 面静态特性影响因素进行科学的分析及处理，并获得大量可应用于实际设计的结 合面静态特性参数；张学良四】等人提出人工神经网络建模的方法，并研究了静 态基础特性参数的应用技术；吴筱坚【2 3 】等根据固定结合面的特点提出一种结合 面建模的方法，应用等参单元的概念推导出四边形结合面单元的刚度及阻尼矩 阵，从宏观角度对结合面特性进行了研究；张杰阱l 等人基于有限元思想，提出 了新的结合面动力学建模方法，减少了复杂结合面动态特性参数的数目，在建立 复杂结构的低阶动力学模型时，通过对有限元模型降阶修改可避免参数识别过程 中进行反复的有限元计算。 结合面动态试验研究 相比静态特性试验，结合面的动态特性试验要困难许多，国外许多学者对此 进行研究且获得一定成果。堤正臣1 2 5 j 等人对螺栓结合面动态特性进行了试验研 究，指出结合面阻尼产生的原因是相对运动；r 0 9 e r s 【2 6 】等人通过试验证明结合面 阻尼的产生原因是结合面切向动态特性的迟滞非线性，并且指出每个振动周期的 振动频率和阻尼耗能没有关系；p a d m 锄a b h a l l 【z 7 】对机床结合面阻尼进行了预测； j a i l gg a b c h u l l 2 8 】等人对焊接结构的动静态特性进行了研究。 国内很多学者也对结合面的动态特性试验研究进行了探索。清华大学郭磊， 张辉【2 9 j 等人应用有限元法、模态测试和集中参数法从机床总刚度中提取了结合 面刚度。 西安理工大学黄玉美1 3 0 j 等人提出了测量通用性较强的结合面动态基础特性 参数的实验装置设计原则，采用理论与实验相结合的方法获取结合面动态特性参 数，较为系统的解决了机床中各类结合面等效处理的问题，并给出了结合面参数 影响因素的处理方法。 东南大学纪海割3 1 】等人成功解决了机床中结合面动力学建模的问题，以某 型号数控车床为研究对象提出了试验与参数优化组合的方法，这种方法为机床整 机动力学特性的仿真与优化提供了指导；纪海慧，陈新【3 2 】等人以弹簧阻尼单元 模拟螺栓联接结合面动力学特性进行试验，以机床模态振型和固有频率为目标函 数对结合面参数进行识别，并在此基础上对有限元模型进行修正以取得更符合实 际的动力学模型，有限元计算与试验结果相互验证，使识别精度更高；张乐、张 建润p 3 j 等人以某型号卧式加工中心为试验对象，将机床中的微小结构特征进行 简化，提出结合面特性有限元建模的方法，建立了机床整机的动力学模型，并对 机床进行了动力学仿真及整机动态测试。 昆明理工大学王松涛瞰j 等从粗糙表面微凸体接触的角度解释了工况条件对 6 硕士学位论文 数控机床滑动导轨结合面动态特性参数的测试与应用研究 结合面动刚度的影响，详细分析了结合面阻尼产生的机理，并总结出外界条件对 阻尼的影响规律；最后利用有限元计算法对某型号机床中的结合面动态特性进行 了研究，将结合面刚性联接时和结合面柔联接时的两种模态振型进行了对比。张 宇【3 5 l 等人根据机械阻抗综合法推导出一种由实测频响函数识别结合面动态特性 参数的方法，提出一种结合面响应无法直接测量时的分析处理方法，并通过最小 二乘法消除了噪声的影响。 东南大学程序【3 6 】等人对数控加工中心滚动丝杠结合面进行研究，并用机械 阻抗凝聚法建立了滚动结合面动力学模型，识别了不同载荷及不同预紧力下滚动 结合面的动态特性参数；陈新【3 7 】等利用结构试验模态参数和子结构有限元模型 相结合的方法，提出了机械结构多组结合面刚度及阻尼参数的识别方法，并分别 给出了结合面模态向量可测、不可测及部分可测情况下响应的识别方法。 ( 3 ) 结合面动态特性参数识别研究 由于结合面特性的机理研究存在着众多的问题和不足，所以对结合面的模 态参数识别研究就显的尤为重要。在模态参数识别这一领域，国内外有众多的学 者在做了大量的研究。主要的方法是理论计算、实验测试、实验测试与有限元模 拟相结合。 19 7 9 年，吉村允孝【3 8 】提出结合面在平均接触压力相同且接触表面物理特性 相同的情况下，其单位面积结合面的动刚度和阻尼值也相同，因此不需要测量每 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，便可以模拟出实际结构的结合面。 国内张杰【3 9 】等基于有限元思想，提出了理想结合面和结合面元的概念，并 进一步提出了一种基于结合面元的结合面的动力学模型，为结合面模态参数识别 提供了一种方法。 汪列斛柏】等基于模态分析的理论应用弹簧一阻尼单元建立了导轨滑块与固 定导轨的结合面动力学模型，经过优化计算来识别机床导轨滑块的结合面参数。 赵宏林【4 1 】等基于一个振动周期内某方向的输入能量与阻尼消耗的能量相等 的概念，推导出单平面结合面阻尼的表达式。将机械结构中的多平面结合面，看 成是多个单平面结合面的组合，而将回转结构等效为正多面体。由此，在机床结 合面结构形式、受力大小确定的条件下，可以计算出结合面的等效结合刚度和阻 尼。为了在机床整机动力学建模中融合结合面特性，给出了刚性结合和柔性结合 两种情况下的协调方程。 西安理工大学黄玉美、张学良【4 2 】等人用接触单元模拟结合面部分的有限元 方法推导出该单元的刚度及阻尼矩阵；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； l 绪论 硕士学位论文 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特色的 研究。 东南大学郑佳明，张建润【4 3 】等针对滚动导轨结合面参数的测试提出单自由 度分量分析法对机床滚珠导轨进行模态测试分析，分别对法向和侧向激励，测试 其传递函数，从而识别出滚动结合面的动态特性参数。 华中科技大学谢波畔】等将滚动导轨结合面作为独立的有限单元处理，建立 了可滚动结合面的多节点动力学模型，对结合面的非线性问题进行了有效处理。 方健等【4 5 】基于赫兹弹性接触理论提出了滚动导轨结合面静剐度的计算方法，建 立了接触区承载变形模型，并分别讨论了滚动结合面承载已知预加法向载荷时的 刚度计算问题。 东北大学李景奎m 】采用了一种基于实验模态分析、理论计算及有限元分析 的结合面的研究方法，这种方法适合应用于可简化成弹性阻尼单元的系统。 昆明理工大学王松涛应用固定的弹簧一阻尼模型对结合面进行建模，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。具体为首 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，将有限元的结果与实际测量的结果比较一致度，如果相吻合，说明输入 的结合面等效参数就是实际的结合面参数，如果不符合，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，直到得到在一定误差范围内的结合 面等效参数。该方法的计算量较大，另外要求有限元模型与实际的模型吻合度非 常高。 北京工业大学王泽林【4 7 】提出了一种测试结合面实际接触状态的方法，并将 该方法应用于滑动导轨结合面动态特性参数的测试中，并分析了实际工况条件对 动刚度和阻尼的影响。 1 2 3 机床结合面动态特性参数应用研究 机床结合面动态特性对整机动力学性能有着重要影响，因此结合面动态特性 的应用研究多体现在机床动力学分析上。机床动力学分析【4 8 】是指在已知机床系 统的动力学模型、外部激振力和系统工作条件的基础上，分析研究整个机床系统 的动力特性。具体说来，机床动力学分析大致包括以下三方面的问题： ( 1 ) 固有特性 机床的固有特性是指机床振动时的模态，包括固有频率、阻尼比和模态振型 等，这是机床动力学分析首要研究的问题，一方面可以避免机床在工作时发生共 振，另一方面也为机床进一步的动力学分析奠定基础。 ( 2 ) 振动响应 硕士学位论文数控机床滑动导轨结合面动态特性参数的测试与应用研究 机床在受到外部激振力的作用下将产生振动，使各部件承受动态应力，甚至 引起过大的动态位移，不仅会产生较大的噪声，而且可能导致零部件的疲劳损坏， 影响机床的加工精度。因此，将机床受到外部激振力时产生的振动响应控制在一 定的范围之内，是机床动力学分析的重要任务之一。 ( 3 ) 稳定性 机床在低速运行时可能产生爬行现象，在特定的切削条件下也可能产生切削 颤振，这两种现象都属于自激振动。这种振动主要由机床本身的动态特性所决定， 而不以外部激振为必要条件，因此机床是一种不稳定系统。机床的自激振动对其 加工精度影响较大，对机床进行稳定性研究可以确定切削颤振和爬行现象发生的 临界条件，保证机床能在正常工作中避免这些现象的发生。 机床的振动和颤振影响着机床的加工精度和生产效率，因此在生产使用中应 尽量避免振动和颤振的产生。切削力的非线性和机床结构的非线性会导致机床发 生颤振，而机床结构的非线性则来源于机床中各种结合面的非线性特性【4 9 j 。对 机床进行动力学分析必然涉及到机床的振动与颤振问题，这些都与机床结合面的 动态特性有很大关系，由此看来，在机床设计阶段必须要考虑到结合面对机械结 构的影响。 关于结合面动态特性参数在机床动力学分析的应用方面，国内外学者都做 了大量的研究，也取得了一定的成果。1 9 7 4 年b a c k 【5 0 j 等利用有限元法，同时考 虑了结合面的接触刚度和结合面周围构件的柔性，对几种典型的实际结合面结构 进行了变形和结合面上压力分布计算，其结果与实验测试的结果较好地吻合。 1 9 7 8 年伊东宜【5 l 】提出了结合面周围构件的处理方法，并指出由小试件通过实验 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 唧dc h l e b u s 和b o g d a l ld y b a l a p 2 j 基于 有限元法用一组杆单元来模拟结合面的法向特性，对机床滑动导轨进行了有限元 建模与特性分析计算，并与实验结果较好地吻合。 陈就、黄玉美【5 3 】等基于结合面动刚度和阻尼的形成机理，应用弹性力学公 式对不同接触面压的滚动导轨结合面进行计算，并通过相关实验证明这种计算方 法的正确与可靠性。张广鹏、史文涔5 4 j 等基于结合面动态基础特性参数研究了 机床导轨结合面动态特性的建模解析方法。为机床整机动态特性解析中结合面参 数的确定提供了一种方法，使机床图样设计阶段预测整机动态特性成为可能。王 世军、黄玉美、赵金娟【5 5 】等提出了机床导轨结合面特性仿真分析的有限元方法， 通过该方法可以建立机床整机性能分析的有限元模型，给出了导轨结合面上反映 界面连接特性的六节点接触单元的刚度矩阵。赵宏林等在研究了结合面特性及其 表达方法的基础上，提出了将结合面特性应用于机床结构建模的融合技术和应用 9 l 绪论硕士学位论文 方法。杨家华、陈为福、黄旭东【5 6 】应用结合面单元建立机床结构的动力学方程， 经过优化计算，识别了机床立柱和床身之间的结合面参数。在获得这结合面动态 特性参数的基础上对机床进行模态试验，机床的薄弱环节可以较为直观的体现， 为设计人员提供结构修改建议、指导结构优化设计的方向，并且在进行了模态分 析的基础上还可进行进一步的结构响应分析。 1 2 4 机床结合面研究存在的问题 尽管机床结合面动态特性参数的识别与应用研究取得了一定成果，但仍旧 存在一些问题，诸如理论解析不够成熟，尚未推导出精确的结合面动刚度和阻 尼计算公式，试验识别的参数并未推广使用，也没有建立通用的结合面动态特 性参数数据库。另外，目前对机床结合面的研究多集中在固定结合面及滚动导 轨结合面中，一些研究结果并未消除基础位移对测量结果的影响，而且对于滑 动导轨结合面的研究还不够深入，对于机床上广泛使用的贴塑导轨结合面的研 究也少有涉及。 本论文考虑了测试结合面实际接触状态，利用工程等效原则将结合面受力 系统简化为等效单自由度模型，消除了基础振动的影响，识别精度较高，并通 过试验研究了滑动速度、润滑油、面压、贴塑厚度等因素对机床结合面特性的 影响，完善了滑动导轨结合面这一领域的研究，并通过对比性试验证明了测量模 型的正确性和可行性，对于机床数字化设计有指导意义。 1 3 论文研究内容与章节安排 1 3 1 主要研究内容 本学位论文以滑动导轨结合面动态特性参数测试技术研究展开相关工作，主 要内容包括： ( 1 ) 基于结合面动刚度与阻尼的形成机理，应用工程等效原理，提出结合 面分离原则和方法，建立消除基础位移影响的结合面动态特性参数识别模型及测 试系统。 ( 2 ) 分别通过单因素试验和正交试验分析滑动速度、面压、介质及结合面 材料等因素对结合面动态特性参数的影响。 ( 3 ) 研究贴塑厚度对滑动导轨结合面动态特性的影响，比较贴塑导轨结合 面与普通滑动导轨结合面动态特性的区别。 ( 4 ) 将试验所得数据应用于机床进给系统中，并通过有限元计算跟模态试 验所得的模态振型对比，验证了试验所得数据的正确性，并研究结合面动态特性 对整机建模的影响。 l o 硕士学位论文 数控机床滑动导轨结合面动态特性参数的测试与应用研究 1 3 2 章节安排 第一章：介绍了课题背景及意义，阐述了机床滑动导轨结合面基础研究及试 验研究的概况。 第二章：介绍了滑动导轨结合面动态特性参数的测试原理，试验装置及整个 测试系统的组成，另外阐述了参数识别过程。 第三章：通过单因素试验和正交试验两种方法分析了滑动速度、面压、介质 等因素对滑动导轨结合面动态特性参数的影响规律。 第四章：通过试验研究了贴塑导轨与普通金属导轨结合面动态性能的不同， 并分析了贴塑厚度对结合面动刚度和阻尼的影响规律。 第五章：将试验数据带入机床进给系统模型进行有限元计算，验证了试验所 得数据的正确性以及结合面动态特性对整机性能的重要性。 第六章：总结论文所做工作，并对进一步要开展的工作进行展望。 2 滑动导轨结合面特性的识别试验研究硕士学位论文 2 滑动导轨结合面特性的识别试验 本章基于结合面动刚度与阻尼的形成机理，应用工程等效原理，建立了消除 基础位移影响的结合面特性参数的识别模型以及测试系统，并通过实例说明结合 面动态特性参数的识别过程。 2 1 力学模型及测量原理 滑动导轨结合面由固定导轨与运动部件配合构成，其本身没有具体结构，依 托于导轨和滑块的接触表面存在。由于接触表面存在一定的几何形状误差及微观 不平度，如图2 1 所示，而且结合面问可能存在润滑油等介质，所以当受到外加 复杂动载荷作用时，结合面间会产生微小的相对运动，使结合面既存储能量又消 耗能量，表现出既有弹性又有阻尼的特性，这就是动刚度和阻尼，即结合面间的 动态特性参数。 图2 1 结合面放人图 结合面动态特性参数测试的关键是结合面的分离和测试力学模型的建立。普 通的滑动导轨主要由运动部件、固定导轨、镶条及压板等组成，其中压板和镶条 的主要作用是调整导轨间隙。滑动导轨的结构如图2 2 所示。 图2 2 滑动导轨结合面实物图 硕士学位论文数控机床滑动导轨结合面动态特性参数的测试与应用研究 典型的滑动导轨结合面构成如图2 2 所示，滑块和固定导轨配合形成滑动导 轨结合面。滑动导轨结合面的刚度相对于固定导轨( 基础) 的刚度较低，振动时结 合面的变形远大于固定导轨自身的变形，因此可以将固定导轨近似为刚体，用弹 簧阻尼单元模拟滑动导轨结合面的力学特性，滑动导轨结合面便可等效为刚度为 k 阻尼为c 的弹簧阻尼器，其等效力学模型如图2 3 所示。简化模型时应根据固 定导轨和滑块的形状尺寸，确定弹簧和阻尼器的个数以及分布位置，并且做到模 型自由度数与被等效结合面结构的自由度数目相等。 固定导轨( 基础) 图2 3滑动导轨结合回等效力字模型 假设滑块的质量为所，后和c 分别为滑动导轨结合面的等效动刚度和阻尼， x o ) 和y o ) 分别是滑块和基础的位移，基础位移影响弹簧和阻尼器的受力状况， 为了消除基础位移的影响，根据单自由度系统理论，其振动方程可以表示为： ，戚o ) + c g o ) 一夕( f ) ) + 七g o ) 一y o ”= p ( f ) ( 2 1 ) 对式( 1 ) 作以下变换构成单自由度振动方程： ，戚( ，) + 西( r ) + 缸( r ) 一( ，砂( f ) + 砂( f ) + 砂( ，) ) + ，砂( ，) = p ( f ) ( 2 2 ) 在简谐激振力作用下，p o ) 、x o ) 和y o ) 可表示为：p o ) = 刚硝，x o ) = 耐， y o ) = 耐。将以上三项代入式( 2 2 ) 可得下式： i 孑了历鬲2 瓦j 丽 ( 2 3 ) 令( 彩) = 丁工一_ ， 由式( 2 3 ) 可得： 、7 一历缈+ ，c + 詹 h 如) = 未斋 q 4 ， 令o ) = 孚 ) = ；删上两项带入式( 2 4 ) 确 荆= 蹦 ( 2 5 ) 2 滑动导轨结合面特性的识别试验研究硕士学位论文 式中也一r ( 彩) 为滑块与固定导轨的频响函数矢量之差，巩( 国) 为固定导轨 的频响函数，二者可由实际测量数据计算得到。 由以上推导过程易知日( 缈) 是一个等效单自由度系