（机械制造及其自动化专业论文）数控机床直线滚动导轨结合面动态特性研究.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 数控机床直线滚动导轨结合面动态特性研究 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。因此研究直线滚动导轨 结合面动态特性，对提升我国机床产品的设计和制造水平具有重要意义。 本文以沈阳第一机床厂生产的c k s 6 1 2 5 机床为研究对象，通过理论和试 验相结合的方法研究直线滚动导轨结合面静动态特性及其建模方法，建立含有 直线滚动导轨结合面的机床有限元模型，并通过试验对模型进行修改和验证。 论文主要研究内容如下： ( 1 ) 首先总结了国内外机床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，提出了理论研究、动 态试验和有限元分析相结合的结合面研究方法。 ( 2 ) 以日本t h k 公司的s n s3 5 r 型直线滚动导轨为对象，通过分析其结 构特点给出了直线滚动导轨结合面的理论振动模型并通过导轨的静动态试验 识别了结合面的接触参数和建模所需的其它参数，建立了准确的直线滚动导轨 结合面的有限元模型。 ( 3 ) 建立了考虑直线滚动导轨结合面的机床有限元模型并进行有限元分 析，得到了机床的动态特性，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机床有限元模型，两种模型的计算结果差异很大，说明 直线滚动导轨结合面对机床的动态特性有显著影响。 ( 4 ) 对c k s 6 1 2 5 物理样机进行了动态激振试验，得到了机床的实际动态 特性，通过结果对比验证了所建有限元模型的准确性。 本文提出的数控机床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。 关键词：直线滚动导轨；结合面；动态特性；动力学模型；有限元分析 - 末北大学项士学位论文a b s t r a c t s t u d yo nd y n a m i cp e r f o r m a n c eo fl i n e a rr o l l i n gg u i d e w a y j o i n t so fc n cm a c h i n et 0 0 l a b s t r a c t a sc n cm a c h i n et o o li sd e v e l o p e di nh i g hs p e e d ，h i g ha c c u r a c y ，a n dh i g h e f f i c i e n c yd i r e c t i o n ，d y n a m i cd e s i g nm e t h o di sn e e d e dt ou p g r a d et h ec o m p e t i t i v e p o w e r o fo n rm a c h i n et o o li nw o r l d i t sk e yf a c t o ri st h ec o n f i g u r a t i n go fa c c u r a t e d y n a m i cm o d e lo fm a c h i n et o o li n c l u d i n gj o i n t s l i n e a rr o l l i n gg u i d e w a y ( l r g ) i so n ei m p o r t a n tf u n c t i o n a lu n i to 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 f f e c t o np e r f o r m a n c eo fm a c h i n et 0 0 1 s o ，r e s e a r c ho nd y n a m i cp e r f o r m a n c eo fl r g j o i n th a si m p o r t a n tm e a n i n go nu p g r a d i n gt h el e v e lo fd e s i g na n dm a n u f a c t u r eo f o u rm a c h i n et o o l 。 t h i sp a p e rm a d ec k s 6 1 2 5m a c h i n et o o lm a n u f a c t u r e db ys h e n y a n gn o 1 p l a n to fm a c h i n et o o la st h er e s e a r c ho b j e c t t h ep r i m a r yi d e ai sr e s e a r c h i n gt h e d y n a m i cp e r f o r m a n c eo fl r gj o i n tu s i n gb o t ht h e o r ya n dt e s ta n de s t a b l i s h i n gi t s f 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 m o d e lo fc k s 6 1 2 5i n c l u d i n gl r g j 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 o l l o w e d ： ( 1 ) t h i sp a p e rh a ss u m m 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 n d y n a m i cp e r f o r m a n 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 r o d u c e dt h ek e ym e t h o do fr e a c ho nt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo fj o i n t s ，a n d b r o u g h tan e ww a yc o m b i n e db yt 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 o r e s e a r c ht h ep e r f o r m a n c eo fj o i n t s ( 2 ) t h ea u t h o rr e g a r d ss n s3 5 rl r gp r o d u c e db yt h ki nj a p a na st h e r e s e a r c ho b j c o t b ya n a l y z i n gi t ss t r u c t u r a lt r a i t ，t h et h e o r e t i c a ld y n a m i cm o d e lo f l r gh a sb e e ng i v e n t h ep a r a m e t e r sn e e d e di nt h et h e o r e t i c a lm o d e lh a v eb e e n i d e n t i f i e db ys t a t i c d y n a m i ct e s to fl r g t h e n ，t h ea c c u r a t ef i n i t ee l e m e n tm o d e l o fl r g j o i n th a sb e e ne s t a b l i s h e d ( 3 ) t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo fc k s 6 1 2 5i n c l u d i n gl r gj o i n t sh a db e e n 东北大学项士学位论文abs妇d e 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 t h ed y n a m i cp e r f o r m a n c e o fm a c h i n et 0 0 1w a so b t a i n e d ，w h i c hc o u l db eu s e da sb a s i cp a r a m e t e r si nd y n a m i c d 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 tl r gj o i n th a db e e na l s oe s t a b l i s h e d t h el a r g ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h et w of e ar e s u l t so fm o d e lc a ns h o wt h ee f f e c t w h i c ht h el r g j o i n ta c to nt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo fm a c h i n et 0 0 1 ( 4 ) t h es h o c ke x c i t a t i o ne x p e r i m e n t so nc k s 6 1 2 5b yw h i c ht h ea c t u a l d y n a m i cp e r f o r m a n c eo fm a c h i n et o o lc a nb eo b t a i n e dw a sd o n e t h ec o m p a r i s o n o ft h er e s u l t so fe x p e r i m e n ta n df e as h o w nt h ev a l i d i t yo ft h em o d e li n c l u d i n g l r g j o i n t t h i sp a p e rp r e s e n t e dan e ww a yt or e s e a r c ht h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo fl r g j o i n to fc n cm a c h i n et 0 0 1 i tc a na l s ob eu s e do ns t u d yo fo t h e rk 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 cm o d e lo fe n t i r ec n cm a c h i n et o o lb e p 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 eag i s tf o rd y n a m i cd e s i g no f m a c h i n et 0 0 1 k e y w o r d s ：l i n e a rr o l l i n gg u i d e w a y ；j o i n t ；d y n a m i cp e r f o r m a n c e ；d y n a m i c m o d e l ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s i v 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，不包含其它人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其它学位而使用过的材 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：雒槲 日 期。沁力纠 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。 学位论文作者签名： 日 期： 细0 7 ；、l f 另外，如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为 同意。 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学碛士擘, - g 论k 第幸绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的意义与背景 制造业直接创造社会财富，是体现一个国家综合实力的重要方面，世界上 发达国家都拥有高水平的制造业。数控技术是制造业的重要核心之一，关系到 国家工业战略地位和综合国力水平。数控机床拥有量和年产量是衡量一个国家 制造业现代化水平的重要标志。它是世界各国竟相发展的重要产品，在国内外 市场中的竞争非常激烈，因此对影响数控机床性能的关键因素进行研究，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。 随着我国加入世贸组织和全球一体化经济环境的形成，国际装备制造业的 竞争也愈演愈烈。从上世纪末以来装备制造业的复苏让我们看到了一些欣欣向 荣的景象，但我们应清醒地认识到我国现阶段的机床设计水平较之国外先进国 家仍有很大差距。各类机床厂设计的机床机械结构为确保设计的成功率，大多 数利用以往的设计经验，模仿国内外成熟产品采用类比设计，较少有创新和突 破。而新产品动态性能的好坏，在图纸设计阶段无法预测，只有等待物理样机 试制出来之后，通过试验和使用才能确认。同时在需要修改设计时，如何修改 以及修改后的性能如何也不得而知。因此，若要获得较满意的定型产品，往往 要反复经过“设计一试制一试验一修改”的过程，致使产品研发及调试周期长， 成本高，难以把握市场的有利时机，降低了企业的市场竞争力 面对发达国家机床企业独占中高端机床市场的现实，我国机床行业的唯一 出路就是改革传统落后的设计手段，采用先进的动态设计方法，快速低成本的 设计生产出高速、高精、高效的机床产品来抢占市场。 动态设计方法是指产品设计人员在产品物理样机设计完成后，在产品的物 理样机制造出来之前，能够预测产品的各项性能，了解和掌握产品的静动态特 性，从而可以在产品投产之前对设计进行修改和结构优化。这样设计出来的产 品既保证了产品的动态特性，又缩短了产品的设计周期，节约了成本。 机床动态设计包括以下几个方面： ( 1 ) 机床主要零件的动态性能分析和优化设计 。 机床的主要结构部件( 如床身、工作台等) 对机床整机结构动态特性的影 东北大学项士学位论文 第一章绪论 响很大，对其主要结构部件进行性能分析，找出结构上的薄弱环节，并在此基 础上进行机床结构的优化设计，是提高整机结构动态性能的关键因素 ( 2 ) 机床主要功能部件的动态特性分析和优化设计 ， 机床的功能部件主要是指机床的主轴部件。对机床的主轴部件进行建模， 并对其结构设计参数进行优化设计和性能分析，如主轴部件的跨距、转速以及 响应分析。 ( 3 ) 机床主要结合面建模及模型修正 机床的结合面模型是否准确、合理，将直接影响机床整机动力学模型的精 度，而结合面建模及模型修正问题又是一个技术难点问题，如何利用现有的软 件环境，建立一个较为准确、合理的结合面模型是能否实现机床结构动态优化 设计的关键。 ( 4 ) 机床整机结构的动力学优化设计 在现有软件的基础上，应用先进的机床动态设计和优化方法，利用设计人 员的经验使他们能够直接融入虚拟环境中，参与机床产品的设计和分析一对整 机的动态性能有更直接和全面的评价，能够使设计人员的经验、科学的讦算分 析和优化设计完美地结合在一起。 ( 5 ) 机床整机的运动学仿真和干涉检查 在虚拟环境中实现机床整机的运动学分析，模拟机床在工作状态下机床各 部件的运动轨迹，检查在运动状态下机床部件结构设计的合理性，防止出现结 构干涉现象。 ( 6 ) 其它 如结构主动和被动振动控制装置在机床结构动态设计中的应用等等。 机床动态设计步骤包括以下几个过程1 1 j ： 。 ( 1 ) 建立机械结构或机械系统的动力学模型，根据设计图纸建立力学模 型，也可以应用试验模态分析技术建立结构的试验模型； ( 2 ) 利用数学模型求解自由振动方程得到结构振动的固有特性，引入外 部激励可以进行动力响应分析； ( 3 ) 动态性能评定； ( 4 ) 结构修改和优化设计。 不难看出，作为一项先进的设计方法，动态设计方法较之传统的设计手段 具有明显的优势，但它并没有在国内数控机床的研发中得到广泛的应用，主要 是因为机床的结构十分复杂，难以建立一个准确、合理的机床整机动力学模型。 2 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 其根本原因在于机床中存在着大量的结合面，而结合面的建模是非常困难的。 众所周知，机床是由许多零部件按照一定要求结合起来的，我们称零部件 之间相互接触的表面称为结合面。结合面的特性研究非常复杂，主要原因是影 响结合部特性的因素很多，且多为非线性因素。丽工况及使用条件的多样化， 相互交错的影响，更使问题复杂化。 结合面刚度和阻尼参数的确定一直是结构振动系统动力分析中的一个难 点，同时零件之问的结合面的建模也是动态设计中对模型影响最大的因素之 一结合面刚度常常是机械结构整体刚度的重要组成部分，有时甚至成为整体 刚度的薄弱环节。许多研究表明：机床的静刚度中3 0 5 0 取决于结合面的刚 度特性i 如。结合面机械结构阻尼的影响更为明显。根据统计，机床动柔度有6 0 以上是源自结合面。对于像机床等由刚性零件本身组成的结构，其阻尼值的 9 0 以上来源于结合面的阻尼【引。到目前为止，虽然有较成熟的有限元计算分 析软件及多体动力学分析软件，容量大、运行速度较高的计算机以及可以应用 模态分析与综合技术，对已知边界条件的复杂结构的动态特性做出比较精确的 计算和判断，但计算存在结合面的动力结构时却产生很大误差。因此，要准确 的建立数控机床整体结构的动力学模型，必须包括结合面这一环节。对于机床 类大型复杂的机械结构的建模，由于离散化误差、材料物理参数的不确定性、 边界条件的近似处理以及动力学结合面参数估计不准等因素，使得模型产生一 定的误差。如何准确的识别机床结合面的接触刚度和接触阻尼。并能通过系统 建模实现机床结构动态优化设计，一直是国内外动力学建模领域研究的难点和 热点之一。 在东北大学先进制造与自动化研究所与沈阳第一机床厂技术中心合作研 究的。数控机床动态设计”项目中，针对机床高速、高效、高精的发展方向已 经合作进行了多台数控机床的虚拟样机的建模、关键部件应力分析以及运动 学、动力学和热特性仿真，并对已有的机床物理样机加以试验验证，获得了很 多比较满意的成果，但同样发现很多亟待解决的理论和技术问题，其中，对于 数控机床各种结合面的特性研究( 包括结合面接触参数的识别、建模及应用) 成为大家共同关注的焦点，本课题在此背景的推动下逐渐展开。 1 2 机床结合面性能研究现状 结合面是指机械零部件之间相互接触的表面。按照运动形式，结合面可分 为固定结合面和运动结合面。固定结合面是十分普遍的一种结合面，它主要起 3 东北大学硕士学位论文第一章绪论 固定联接和支承的作用。在机床结构中，如使用广泛的螺纹联接面，。以及铆接 面、焊接面等。运动结合面是指相互联接的两个零部件之间在工作状态时存在 宏观相对运动的结合面。如滑动导轨结合面，滚动导轨结合面，丝杠与螺母的 结合面，轴承联接面及齿轮轮齿的啮合面等按照结合面的结构形状，结合面 又分为平面结合面和曲面结合面l ”。 对机床结合面动态性能的研究源于人们对机床动态特性的研究。早期的机 床动态特性研究过程中，由于未能考虑各种结合面对机床性能的影响，计算所 得的机床动态特性与实际情况往往差距较大。随着研究的不断深入，逐渐意识 到机床上各种结合面是机床的薄弱环节，对机床的整机动态特性影响很大，并 展开了机床整机薄弱环节的参数识别与动力学建模工作。由此得到的机床动力 学模型可以得到较为准确的结果，能够与试验结果很好的吻合。但是这种方法 并没有考虑各种结合面自身的特点以及相互之间的影响，难以指明机床性能的 改进方向，对新产品设计开发的指导意义不是很大。随着研究的继续深入，研 究的重点又转移到各种典型结合面( 螺栓结合面、导轨结合面等) 的静动态特 性研究上，建立准确的部件级动力学模型，再将各子结构模型综合到一起，建 立准确的机床整机动力学模型，实现机床整机的动态分析和动态设计。 综合近年来国内外专家学者的研究成果，下面对结合面动态特性研究现状 加以总结概括： ( 1 ) 机床整机动态性能研究概况 在早期的机床设计计算中，围绕机床整机动态分析和设计存在机床整机精 确建模困难、程序工作量巨大两个关键问题，大多把机床简化为集中质量模型 和分布质量模型。六十年代，英国s t a y l o r 和s a t o b i a s 曾建立了一台摇臂 钻床的集中质量模型，整台机床低阶固有频率与试验值虽较接近，但由于未考 虑结合面和系统的阻尼，因而未能计算动态响应【5 1 。七十年代起，西欧和北美 等国的研究人员开始从多个方面进行建模的探讨工作。荷兰的j h i j i n k 等应用 分布质量梁建立了卧式升降台铣床的计算模型，并根据各部分结构的弹性变形 对整机影响的大小分为弹性梁和刚性梁两种，其中刚性梁假设只作刚体运动而 无弹性交形，这样可以更逼近实际机床结构的特点，但由于未考虑结合面的动 态特性，因而其共振频率与试验值相比约差1 5 ，动柔度相差可达1 倍以上【6 1 。 日本吉村尤孝曾在考虑结合面特性的基础上建立了双柱立式车床的分布质量 梁的动力学模型。它一共具有2 0 个结合面，其中2 个为导轨结合面，其余为 螺栓联接的固定结合面。由于考虑了结合面特性，故而计算结果比较接近实测 4 东北大学硬士学位论文 第幸绪论 值【7 1 这从一个侧面说明了了解和掌握结合面特性的重要性。 随着计算机技术的飞速发展，软硬件环境不断完善，使得有限元方法得以 普及，在结构动力学理论模型中，有限元模型比较集中质量与分布质量模型而 言在处理复杂结构上具有明显优势。因此，近2 0 年来，理论与实验相结合的 动力学建模研究工作，主要集中在以理论有限元模型为先验模型，用实测动态 数据，通过不同方法，对先验模型进行修正，即基于动态实验数据的有限元模 型修正如f r i t z e n ，n a p i t o l e l a ，h i c l m s t a d 利用整体结构的动态实验数据，对 结构做整体有限元反解，从而获得结构的刚度与阻尼矩阵( 其中也包括结合部 的刚度与阻尼参数) i s 】。 t l u s t y 和i n a m u r a 先后提出的识别方法是通过实验获得结构的实测模态参 数完整振型来直接或间接识别结合面刚度和阻尼参数，由于受到信号分析技术 和设备的限制，获得复杂结构完整振型仍然有困难，在有些情况下甚至是不可 能的。因此这些识别方法只能应用于比较简单的结构【9 o 】。 国内从上世纪8 0 年代开始了机床结合面动态特性的研究。天津大学、浙 江大学、东南大学、北京工业大学、昆明理工大学和湖南大学等单位先后展开 了机床结合面静动态特性的研究工作，研究的内容以基于试验的结合面参数识 = j ；! 为主 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【l l l 。 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【1 2 1 。 陈新也作过许多探索，提出结合面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铡传递函数矩阵直接求逆的缺点，能够获 得令人满意的结果【8 l ，1 1 3 】，1 14 】t 【1 5 1 。 天津大学的徐燕申和刘晓平等在机械结构结合面参数识别方面做了大量 东北大学硕士擘o - 诧 文第一章绔论 的工作他们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 态分析技术和结构有限元模型修改技术，进一步提高了此方法的精度，使得结 合面参数识别更具有工程实用价值【1 6 】。在此基础上，提出了一种基于正交性条 件识别机械结构结合面接触阻尼参数的方法，该方法基于正交性关系，利用实 验测试的复特征值和复特征向量对质量和阻尼构成的状态矩阵的归一化方程 来识别结合面阻尼参数，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，提高了接触阻尼参数的识别精度。此外， 该方法结合了实验模态分析技术和有限元方法，使其具有工程实用价值，而且 识别过程简便【17 1 。在随后的研究工作中，又提出了利用模糊优化识别机械结 构结合面参数的新方法，该方法以结构系统试验测试和各部件有限元分析为基 础，将模糊数学和参数优化方法引入到结合面参数识别中，并通过加权因子考 虑了不同阶模态对不同结合面参数识别精度的不同影响，同时也考虑了试验测 试值与部件有限元模型中存在的不确定误差等因素而采用了模糊等式方程，避 免了传统方法以准确等式作为约束函数的不足，扩大了辨识的寻优范围，提高 了辨识的合理性和识别结果的精度【18 j 【1 引。 北京工业大学的黄旭东等也曾经对数控加工中心机床主轴部件的动态特 性进行了详细的实验研究。使用h p 3 5 6 2 a 动态信号分析仪，通过在主轴性能 试验台上变更主轴支撑刚度和跨距等结构参数条件，测量主轴部件的固有频率 和前端激振点动柔度，研究这些因素的变化对主轴部件动态性能的影响，并用 测量数据作为校验动态设计的依据【2 们。杨家华等对机床立柱和床身的结合面参 数进行了识别的实验研究，提出了一种基于模态分析基础上的适用于识别复杂 结构的结合面参数识别方法。该方法包括以下步骤：在模态分析基础上建立床 身立柱结构的动力学方程；用结合面模型将床身与立柱结构进行装配：应用优 化方法对结合面参数进行识别。该方法不受结构复杂程度的影响，力学模型构 造简单，计算工作量小，具有显著的优点 2 1 1 。 昆明理工大学的张宇、廖伯瑜等在机械阻抗综合法的基础上推导出一种直 ，接利用结构实测频响函数识别结合面参数的方法，通过多频率点的最小二乘法 消除噪声的影响，提出了当结合面响应不能直接测量时的处理办法。该方法原 理清晰，不需预先建立结构的解析模型( 如有限元模型) ，试验及测试计算都 较为方便，尤其适用于大型复杂组合结构( 如机床) 结合面参数的识别。使用 该方法对昆明铣床厂试制新产品x 8 1 4 0 样机八个主要结合面进行参数识别，得 到了比较满意的结果【2 z 】。 东北大学项士学位论文第幸绔论 周新民等探讨了较为实用的模态凝聚法在求解结构动力特性时的误差问 题。以t x 6 1 9 b 卧式镗床主轴系统为对象进行动态试验。实践表明，利用模态 凝聚技术对复杂机械结构有限元模型的自由度进行大幅度减缩后，其动力特性 的计算精度与保留的模态数以及阻尼的大小有关【2 3 l 。 杨萍等提出了一种将实验模态分析和有限元分析相结合的结合面动力学 参数识别的新方法，该方法基于动态聚缩综合法，并引入界面子结构，只需通 过结构振动实验测出结构少量几个点上的低阶振型和固有频率，且预先建立结 构各部件的有限元模型，最后利用奇异值分解法来识别结合面的参数，解决了 大型复杂机械拆装不便，使部件结合面参数难以识别的问题 2 4 1 东南大学的卢熹，孙庆鸿等建立了c k l 4 1 6 高速精密数控车床的动力学模 型。提出了一种基于试验与参数优化组合的方法，解决了c k l 4 1 6 高速精密数 控车床的动力学建模问题该方法以模态试验测试结果为目标，模型中接触单 元的法向刚度和切向剐度及摩擦系数为变量，不断对有限元模型进行修正，逐 步逼近，从而提高了建模精度。该方法对于机床结构的动态设计和仿真建模具 有普遍适用性1 2 5 1 。 湖南大学的黄红武等以1 5 0 m s 超高速平面磨床为研究对象，利用p r o e 建立其各部件的三维几何模型，利用h y p e r m e s h 进行有限元前处理，建立 各部件的三维有限元模型，在此基础上对机床结合面进行定义得到磨床整机动 力学模型，并利用有限元计算软件a n s y s 迸行整机模态分析，初步识别了该 类型磨床结构的薄弱环节，为超高速平而磨床结构的改进设计提供依据。有限 元模型中使用弹簧阻尼单元模拟结合面的动态特性，通过控制弹簧刚度模拟结 合面不可穿透条件，为含有结合面的机床有限元模型建模的一个突破1 2 6 1 。 ( 2 ) 螺栓结合面研究概况 固定结合面的研究对象主要为螺栓联接面。螺栓结合面是机床中最为普遍 的一种结合面，广泛存在于各种零部件的连接处。由于机床上的基础大件如床 身、主轴箱、尾架、立柱等都是通过螺栓连接的，螺栓结合面的动态特性将直 接影响到机床整机的动态特性；并且各连接处螺栓的数量、距离、直径和面压 等因素直接影响到机床整机的装配性能。因此对螺栓结合面进行特性研究是很 有必要的，也是很有意义的。 较之机床上其它类型的结合面，螺栓结合面的影响因素少且各因素的可测 性与可控性强，易于试验研究和数据积累，是各种结合面中研究的最为广泛和 透彻的。 东北大学硕士擘住论文第一辛绪论 2 0 世纪7 0 年代，日本学者堤正臣、伊东谊和益子正，对承受弯曲载荷的 螺栓结合面的动态特性进行了实验研究，得出了一些重要的定性结论，并提出 了结合面问的相对运动是结合面阻尼产生的原因【2 7 1 。y o s h i m u r a 利用迭代方法 识别过螺栓结合面的刚度与阻尼参数，并将其应用于机床结合面动态特性的研 究f 2 8 j ，【2 纠8 0 年代末到9 0 年代初，印度学者p a d m a n a b h a n 再次进行了与r o g e r s 的研究基本相同的实验研究，并利用响应表面法建立了结合面的切向阻尼耗能 模型。前苏联学者也曾进行了机床螺纹联接阻尼的研究，认为其能量耗损的原 因是螺纹间及相配零件结合面处的摩擦，以及接触表面的相互碰撞1 2 7 1 。 国内各高校和科研院所也对螺栓结合面的特性研究开展了大量工作，并在 参数识别、机理研究和动力学建模等方面取得了大量成果。 张学良、黄玉美提出了一种利用约束非线性优化方法来识别机械结合面动 态特性参数的方法，以动态试验所得的固有频率和阻尼比与计算所得的固有频 率和阻尼比方差最小为目标函数，以各结合点处接触刚度和接触阻尼大于零为 约束条件，通过约束非线性优化一可变误差多面体算法计算结合面的接触刚度 和接触阻尼l 如】。 近来，人工神经网络技术已成为一个快速发展的研究领域。由于其强大的 非线性映射能力、对不确定信息描述和处理的能力，为我们提供了结合面特性 研究的重要方法。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，目前已应用在许多领域，逐渐成为一种解决某些工程问题的基本方 法。 张广鹏、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c a d 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。该方法与用 公式和数表建立特性参数数据库相比，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 3 1 】，1 3 2 】1 3 3 1 。 国内黄玉美、张学良等对结合面的阻尼机理进行了进一步的深入研究，提 出了固定结合面迟滞变形阻尼机理的本质是结合面间的微观( 局部) 滑移阻尼 耗能以及以微观( 局部) 滑移阻尼耗能为主、微观局部撞击阻尼耗能为辅的固 定结合面阻尼耗能机理【3 4 5 j 1 36 1 。随后，张学良等在机理研究的基础上，总结 东北大学项士学位论文第一幸绪论 以往有关粗糙表面接触刚度理论研究工作的缺陷与不足，在一定的前提下，基 于球体与平面的接触理论和粗糙表面的接触分形理论，给出了具有尺度独立性 的结合面接触刚度分形模型。由于粗糙表面的分形维数d 和特征长度尺度参数 g 与取样长度和仪器的分辨率无关，即具有客观的唯一确定性或尺度独立性， 这是结合面接触刚度分形模型的最大特点，也是其他模型所不具有的。由于结 合面接触刚度分形模型是在粗糙表面上各微凸体间的相互作用可以忽略的假 设前提下提出的，因此该模型适用于结合面间法向载荷( 或面压) 较小的情况 a t l ，1 3 8 l 3 9 1 。 针对机床的主轴部件，张学良提出了一种基于实测传递函数矩阵来识别机 械结合面阻尼参数的新方法。该方法不涉及机械结构的质量矩阵和刚度矩阵， 从而避免了这两种矩阵建模误差对阻尼参数识别精度的影响。该方法要求频响 函数可测，对于不可测的情况，需通过动力聚缩【4 0 ! 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垫片，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【4 1 】。 陈新等以接触单元和弹簧一阻尼单元建立了磨床螺栓连接件的结合面动 力学有限元模型。接触件采用体单元建模，结合面在螺栓连接处采用线性弹簧 一阻尼单元，在结合面上用分布接触单元。并以前3 阶试验模态及有限元模型 理论计算的固有频率均方差最小为目标函数，对包含接触单元和弹簧一阻尼单 元的结合面特征参数进行优化，在此基础上修正并取得更为符合实际的结合面 动力学模型。这对机床结构的动态优化设计具有重要意义【42 1 。 。 山东大学的吴筱坚根据固定结合面的特点，提出了结合面的一种建模方 法，应用等参单元的概念，给出了任意四边形结合面单元下的单元刚度矩阵和 阻尼矩阵。该建模方法可应用于根据实验数据识别结合面的未知参数，以及从 宏观的角度研究结合面的特性。由于该方法克服了传统的弹簧阻尼单元不考虑 各粘弹单元之间和每个粘弹单元中各坐标方向之间实际存在耦合关系的缺点， 使得固定结合面模型更加贴近实际情况i ”j 。 随着计算机硬件计算速度和存储容量的迅速发展以及有限元分析软件功 能的日益完备，采用有限元分析软件进行结合面的参数优化识别与建模称为现 在结合面特性研究的热点和主流。其核心思想就是通过修改结合面接触参数使 得有限元分析结果与试验测试结果相一致。 东北大擘硕士学位论文第一幸绪论 张波等在数控车床动态试验数据的基础上，应用有限元理论建立了机床床 身底座结构的动力学模型，并应用有限元分析软件a n s y s 的参数化设计语言 a p d l ( a n s y sp a r a m e t e r i z e dd e s i g nl a n g u a g e ) 编制床身底座结构有限元分析 的命令流，利用软件提供的优化模块( d e s i g no p t i m i z e r ) 对结合面弹簧一阻尼 单元的刚度值进行了参数优化识别。由此所建立的有限元模型较好地反映了机 床的动力学特性，所得计算值与动态试验的结果十分接近【“】，1 5 1 。 张学玲等基于结合面微观结构特征，在a n s y s 平台上建立了结合面有限 元模型，提出一种有限元建模的理论模态分析与实验模态分析结合的结合面参 数识别方法。该方法的思想是实验测得结构的若干阶模态振型，同时用有限元 方法模拟相应的实验过程。有限元模型中输入一组初始结合面参数，求得整机 与实验相对应传递函数固有频率和模态振型。在模态振型一致的情况下，看实 验和有限元方法得出的对应传递函数、固有频率值的相关性如何。如果相关性 好，说明输入的结合面参数合理；如果相关性差，修改结合面参数，循环执行， 直到搜索到合适的参数1 4 6 1 。 ( 3 ) 滑动导轨结合面研究现状 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【4 7 】j 【4 射。 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【4 9 】，【50 1 。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较好的一致性【豇】。 1 0 东北大学硕士学位论文 第一幸绪论 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枫建模中去，提高7 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【5 2 l ，1 5 2 】1 5 3 1 。 ( 3 ) 直线滚动导轨结合面研究概况 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( 滚珠导轨) ， 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、井多尺实等 对直线滚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 ls c h 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【5 5 l 。 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剐度研究 方面，提出了很多计算公式和方法，并且作了大量的试验【5 5 1 。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p “。 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【5 7 l 。 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 1 1 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 分析和试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【弼j 。 华中科技大学的周传宏给出了滚动导孰的振动模型，以直线滚动导轨副的 静刚度研究为基础，运用力学知识建立了导轨副的振动模型。推导出动态微分 方程组，进行了有关的数值计算。同时还做了滚动导轨动态特性试验，对直线 滚动导轨动态特性进行了深入的研究，并给出了直线滚动导轨工作台系统动态 特性的影响因素【5 9 】，【6 们。 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