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

硕士学位论文机床滚动导轨结合面动态1 册删 y 1 摘要 随着机械加工向高速及高精度发展，要求不断提高数控机床的动态性能，而建立机 床动力学模型是研究其动态性能的前提。机床动力学建模难点在于结合面建模，并且结 合面动态特性对机床整机动态性能有较大影响，因此结合面动态特性的研究对机床动态 设计及优化至关重要。滚动导轨为数控机床重要功能部件，且为机床中典型的滚动结合 面，本文针对滚动导轨结合面动态特性参数识别进行了研究。 首先，根据滚动导轨结构及特点，对其进行了简化，并建立了用于识别滚动导轨结 合面动态特性参数的等效单自由度系统测量模型，该模型消除了基础位移对参数识别的 影响。根据测量模型研制了滚动导轨结合面动态特性参数识别试验装置，设计方案综合 考虑了激振平稳性、刚度、通用性及导轨安装条件等设计要求。 。 其次，基于测量模型，从系统振型、测点频响函数以及等效单自由度系统频响函数 三个方面对试验结果进行了检验。将获得的滚动导轨结合面动态特性参数代入测试装置 有限元模型中，模型的有限元模态分析结果与模态试验结果具有较好的一致性。 最后，采用自行设计和开发的滚动导轨结合面动态特性参数识别系统，分别对施耐 博格和南京工艺装备制造厂生产的部分规格的滚动导轨进行了模态试验，通过结果分析 得到了法向载荷、预压等级、滚动体类型及滑块类型等因素对导轨结合面刚度及阻尼参 数的影响规律。通过试验模态分析获得了一定数量精度较高的滚动导轨结合面动态刚度 及阻尼参数，为准确分析机床整机动态特性提供了条件。 关键词：滚动导轨结合面动态特性试验装置参数识别 - 硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm a c h i n i n gt o w a r dt oh i g h - s p e e da n dh i g h - p r e c i s i o n ，m a c h i n e t o o l s d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sm u s tb ei m p r o v e dh i g h e ra n dh i g h e r t os t u d yt 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 ，t h ed y n a m i cm o d e lm u s tb ee s t a b l i s h e d ，a n di t sd i f f i c u l t yl i e s i nb u i l d i n gt h ej o i n tm o d e l b e c a u s et h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f j o i n th a v eg r e a ta f f e c to n d y n a m i cp e r f o r m a n c eo fw h o l es t r u c t u r eo fm a c h i n et o o l ，i t si m p o r t a n tt os t u d yt h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so ft h ejo i n tf o rd y n a m i cd e s i g na n do p t i m i z a t i o no fm a c h i n et o o l s r o l l i n g g u i d ei st h em o s te s s e n t i a lp a r t so ft h em a c h i n et o o l ，a n di t sa l s ot h et y p i c a lr o l l i n gj o i n t s o i d e n t i f y i n gd 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 fr o l l i n gg u i d e sj o i n ti ss t u d i e di nt h i st h e s i s f i r s t l y , r o l l i n gg u i d ew a ss i m p l i f i e da c c o r d i n gt oi t ss t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i c s t h e m e a s u r i n gm o d e l o f e q u i v a l e n ts i n g l e d o f s y s t e m t h a tu s e dt o i d e n t i f yd 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 fr o l l i n gg u i d e sj o i n tw a se s t a b l i s h e d t h em o d e le l i m i n a t e dt h e i n f l u e n c eo ft h eb a s i cd i s p l a c e m e n to np a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o n b a s e do nt h em e a s u r i n g m o d e l ，t h em e a s u r i n gd e v i c ef o ri d e n t i f y i n gt h ed 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 fr o i l i n g g u i d e w a s d e s i g n e d a n d d e v e l o p e d t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s w e r ec o n s i d e r e d c o m p r e h e n s i v e l yi nt h ed e s i g ns c h e m e ，s u c ha sv i b r a t i o ns t a b i l i t y , s t i f f n e s s ，g e n e r a l i t y a n dt h e i n s t a l l a t i o nc o n d i t i o no f r o l l i n gg u i d e s e c o n d l y , b a s e do nt h em e a s u r i n gm o d e l ，t h et e s tr e s u l t sw a si n s p e c t e df r o mt h e m o d e s h a p eo ft h es y s t e m ，t h et r a n s f e rf u n c t i o no fm e a s u r i n gp o i n t sa n dt h et r a n s f e rf u n c t i o no f e q u i v a l e n ts i n g l ed o fs y s t e m t h ei d e n t i f i e dd 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 fr o l l i n g g u i d e sj o i n tw e r ei n t r o d u c e di nt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h em e a s u r i n gd e v i c e t h ef e a m o d a lr e s u l t sa n dt h ee x p e r i m e n tr e s u l t sh a dg o o dc o n s i s t e n c y a tl a s t , t h em o d a le x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u tf o rp a r ts p e c i f i c a t i o n sr o l l o i n gg u i d e so f g o n gc h i n aa n ds c h n e e b e r g e ru n d e rt h ei d e n t i f y i n gs y s t e mo fd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r so fr o l l i n gg u i d e sj o i n t t h ee f f e c to fm a n yc o n t r i b u t o r yf a c t o r so nd y n a m i c s t i f f n e s sa n dd a m p i n gp a r a m e t e r so fr o l l i n gg u i d e sj o i n tw a so b t a i n e dt h r o u g ht h er e s u l t a n a l y s i s t h e s ef a c t o r si n c l u d e dn o r m a ll o a d ，p r e l o a dl e v e l ，r o l l i n g - e l e m e n tt y p ea n ds l i p p e r t y p e o v e r a l l ，ac e r t a i nn u m b e ro fd y n a m i cs t i f f n e s sa n dd a m p i n gp a r a m e t e r sw i t hh i g h p r e c i s i o no fr o l l i n gg u i d ew 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 lm o d a la n a l y s i s ，a n dt h e w o r kp r o v i d e dc o n d i t i o n sf o ra c c u r a t ea n a l y s i so fd y n a m i cc 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 k e yw o r d s ：r o l l i n gg u i d e ，j o i n t ，d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ，t e s t i n ge q u i p m e n t ，p a r a m e t e r i d e n t i f i c a t i o n ：。， 。 h 硕士学位论文机床滚动导轨结合面动态特性参数识别试验研究 l 绪论 1 1 课题概述 1 1 1 课题背景 高速发展的经济使中国连续多年成为世界上最大的机床消费国和进口国。调查显 示，随着我国机床行业不断发展，我国机床企业数量不断增加。目前，我国有机床企业 6 4 0 0 多家，比2 0 0 7 年增加近5 0 ，同时国外机床行业通过进口等方式参与国内机床行 业竞争，使得国内机床行业竞争异常激烈。 但“多”不等于“强”，我国机床行业一直面临自主开发能力薄弱、专业化的配套 体系尚未形成、功能部件发展滞后、产品自动化水平低以及精度保持性差等诸多挑战。 “十一五 期间，我国确定数控机床产业的发展目标及突破重点方向：发展大型、精密、 高速数控装备和数控系统及功能部件，改变我国大型、高精度数控机床大部分依赖进口 的现状。 国务院总理温家宝于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实施方案。会议认为，该专项的实施， 对于提升中国数控机床和基础制造装备产业的自主创新能力和核心竞争力，带动装备制 造业结构调整和相关产业发展，扩大内需，具有重要意义。 “高档数控机床与基础制造装备 为国家中长期科学和技术发展规划纲要确定 的1 6 个重大专项之一，肩负起重点开发研制航空航天、船舶、汽车制造、发电设备等 需要的高档数控机床，满足国内主要行业需求的使命。专项重点围绕高速精密数控机床 关键功能部件开发、高速精密机床运动特性、高速精密机床切削工艺、数控系统应用技 术等方面开展研究工作，引领机床行业共同技术进步。 1 1 2 课题的意义和目的 机械结构由各种零件组合而成，各种各样的接触面存在于零件之间。机械结合面( 或 称机械结合部) 是指零件或部件之间相互联接的表面，一般可分为固定、半固定以及可 移动结合面，图1 1 为机床中常见的结合面，螺栓联接为机床中最常见的结合部之一。 机床设计中，结合面动态特性对机床整机性能影响极大。结合部阻尼和机床动态特 性存在着密切的关系，尤其是振动控制方面：研究表明，机床振动问题6 0 以上来自结。 合面【1 1 。对于机床等由刚性零件组成的机构，机床刚度的6 0 - - - 8 0 源于机床中各类结 合面的接触刚度【2 】，总阻尼值9 0 以上由结合部的阻尼贡献【3 1 。实测统计表明，机床的 l 绪论硕士学位论文 阻尼比范围为0 1 0 6 ，但材料的内阻尼比一般为0 0 0 5 - - 0 0 1 ，结合部阻尼相比零件本 身阻尼占绝对优势。由于结合面材料和表面状态差异，使得两部件导热系数相差几倍乃 至十多倍，因此结合面导热性能对机床热传导、热隔离以及由此导致的温度场及热变形 有着极大的影响。结合面对机床性能影响如此巨大，对结合面动态特性机理及应用等方 面的研究自然成为一个重要及基础性的课题。由于结合面刚度及阻尼形成机理非常复 杂，且非线性因素居多，设计、加工乃至装配调整水平都会影响结合面性能。虽然近几 十年来国内外学者投入了大量的人力、物力，但对于结合面机理至今仍未研究透彻，实 验方面也未能形成完整体系。正是由于机床整机中包含结合面这些不确定因素，只能凭 借经验及类推，因此机床设计只得经过“设计一研制一试验一修改 这个反复过程。对机 械结构动力学问题的研究，必定涉及到结合面动态特性。通过合理设计结合面特性消耗 振动能量，以此有效降低振动响应，是一项既经济又实用的工作。 机床常见结合面 厂滚动导轨联接面 r 导轨联接面t 滑动导轨联接面 可移动结合面滚动轴承滚动体与内、外圈的接触面 l 丝杠与轴承座接触面 由以上论述可知结合面是机床中重要组成部分，在设计阶段对机床的动态性能作出 判断，即机床的动态设计及优化，离不开对结合面参数的识别。虽然目前具备较成熟的 有限元分析软件以及容量大、运行速度快的计算机，并且可以运用模态分析技术对边界 条件已知的复杂结构的动态特性作出较精确的计算，但对存在结合部的结构进行计算与 分析时却存在较大误差；究其原因是没有正确建立结合部的动力学模型，解决以上问题 离不开对结合面刚度及阻尼系数的正确识别。对于数控机床而言，滚动导轨是广泛应用 的功能部件，准确确定滚动导轨结合面动态特性参数，对于机床导轨的正确选型以及机 ：l。 一， 2 “ 接 接 接 联 联 联 身 座 柄 床 机 刀 与 巧 巧 体 架 轴 箱 机 主 、-，弋【 面厶口结定固 硕士学位论文机床滚动导轨结合面动态特性参数识别试验研究 床动态性能的分析及优化具有重要意义。 本课题根据国家“高档数控机床与基础制造装备 科技重大专项数字化设计技 术的要求，目的在于寻找一种理论依据充足并且能较精确识别滚动导轨结合面动态特性 参数的方法，为建立机床结合面基础特性数据库提供精度较高的试验参数。 1 2 结合面特性国内外研究概况 近三十年来，众多国内外学者对机床动静态特性进行了研究，研究工作主要为基本 理论及测试技术两方面。由于机械振动和结构分析理论的迅速发展以及计算机性能的提 高，对机床零部件已能进行详尽、系统的分析，在设计阶段对其进行优化设计，迅速获 得动态性能较好的零件。但由于结合面的存在，机床整机特性的解析值与实验值还存在 较大误差，达到5 0 左右1 4 1 。因此结合面动态性能的研究对获得较高精度的机床整机动 态特性至关重要。 1 2 1 结合面基础理论研究 从本质上讲，结合面问题为粗糙表面间的接触问题。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 基于三个假设提出了著名的g w 接触模型，为粗糙表面间的接触理论研 究奠定了具有里程碑意义的基础；但g w 模型只有在轻载小变形时才近似成立，载荷大、 微凸体变形严重时将会产生较大误差。d j w h i t e h o u s e 和r a o n i o n 相继提出了w a 模 型和o a 模型。2 0 世纪8 0 年代山田昭夫等基于一定假设，首次理论推导了结合面的切 。 向接触刚度，并推导了切向阻尼耗能的计算表达式【5 】【6 】。 国内学者也进行了相应研究：1 9 9 2 年，张波等针对塑性接触对表面形貌的影响进行 了研究，并提出了相应的计算模型，同时考虑了法向及切向载荷的影响【7 1 。张学良基于 粗糙表面接触的分形理论、分形模型以及球体与真实光滑平面的接触理论，从理论上首 次提出了机械结合面法向接触刚度和切向接触刚度的分形模型，进行了数学计算仿真分 析 8 t 9 1 1 1 0 1 。 1 2 2 结合面静态特性研究 对于结合面法向静态特性，研究表明接触刚度和结合面材料、加工方法、结合面表 面粗糙度以及法向压力等因素有关。l e v i n a 等先后对小面积金属结合面进行了研究，实 验表明，结合面变形与结合面法向压力之间存在非线性函数关系，且基本符合指数函数 关系，同时认为结合面的变形为表面微凸峰的变形【1 1 1 。结合面法向特性在不同面压范围 内也存在差异：d o l b e y 等对面压p 。 0 5 m p a ) 3 ： l 绪论 硕士学位论文 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低面压下情况【1 3 1 。 以上为结合面法向静态特性研究情况，结合面切向静态特性也非常重要：基尔萨诺娃、 k i r s a n o v a 等的研究结果表明结合面切向变形和切向载荷成非线性关系，且接触刚度随 结合面面压增大而增大【1 4 j 。 国内研究起步较晚，但以黄玉美教授为主的结合面研究室在这方面已取得一定成果 【1 5 】：( 1 ) 通过对多种条件下结合面静态特性试验研究，获得了大量可应用于实际设计的 结合面静态特性参数数据。( 2 ) 对结合面静态特性影响因素给出了科学合理的分类及分 析处理方法。张学良等人提出了机床结合面静态基础特性参数统一建模的方法，即人工 神经网络建模，并研究了静态基础特性参数的应用技术【1 6 】。 山东大学吴筱坚等人根据固定结合面特点，提出了一种结合面建模方法，即应用等 参单元的概念推导了四边形结合面单元的单元刚度及阻尼矩阵。该方法可根据实验数据 识别结合面未知参数，从宏观角度对结合面特性进行了研究i l7 1 。 ， 青岛大学张杰基于有限元思想，提出了新的结合面动力学建模方法，减少了复杂结 合面动态参数数目；在建立复杂结构的低阶动力学模型时，通过对有限元模型进行降阶 修改，避免了参数识别过程中进行反复的有限元计算u 引。 1 2 3 结合面动态特性研究 机械结构阻尼相比材料阻尼要大很多，这种阻尼主要来源于机构中各种结合面阻尼 1 1 9 ，因此结合面阻尼的研究对把握机械结构整体阻尼意义重大。由于结合面只存在于机 械结构之中，而不是独立的动力学单元，并且结合面阻尼和所处系统其它结构阻尼通常 处于同一数量等级，因此结合面动态特性研究相比静态特性困难许多。 日本学者堤正臣等人对螺栓结合面动态特性进行了相应的实验研究，提出相对运动 是结合面阻尼的产生原因【2 0 】；r o g e r s 通过研究得到了和堤正臣相同的结论：结合面切向 动态特性的迟滞非线性是结合面阻尼的产生原因，并且每个振动周期阻尼耗能和振动频 率没有关系，同时还建立了阻尼耗能的数学模型1 2 1 1 ；p a d m a n a b h a n 对机床结合面阻尼进 行了预测四】；郭磊等人综合应用有限元法、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 2 3 1 ；j a n gg a b c h u l 等人对焊接结构的动静态特性进行了研究1 2 4 。 国内西安理工大学黄玉美、张学良等人对结合面动态特性问题的研究较为深入。他 们对机械结构中常遇到的各类结合面，以及结构设计阶段如何对结合面进行处理等问题 提出了较系统的解决方法。他们采用理论与实验相结合的方法获取结合面动态特性参 数，提出了用于获取具有通用性的结合面动态基础特性参数的实验装置设计原则，并给 出了结合面参数影响因素的处理方法【2 5 】【2 6 】【2 7 】【2 吼。 ， 纪海慧、孙序泉等人以c k l 4 1 6 型数控车床为研究对象，提出了试验与参数优化组 合的方法，成功解决了试验机床中结合面动力学建模问题，为机床戆机动力学特性的仿州，h 叫 4 ： 机床滚动导轨结合面动态特性参数识别试验研究 真与优化提供了技术支撑【2 9 1 。 纪海慧、陈新等人提出以接触单元或弹簧阻尼单元建立螺栓联接结合面动力学模 型，将实验与有限元仿真相结合，以实验所得机床模态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。 以上两方法普遍适用于机床结构动态设计与仿真【3 0 】。 张乐、张建润等人以x h 6 6 5 0 卧式加工中心为研究对象，简化机床细小结构特征， 提出了结合面特性有限元建模方法，建立了研究机床的数字化模型，并对机床进行了动 力学仿真及整机动态测试p 。 王松涛利用接触理论得出了微凸体接触时法向刚度及切向刚度计算公式，并从粗糙 表面间微凸体接触的角度分析和解释了外界条件对结合面刚度的影响。同时详细介绍和 归纳了结合面阻尼产生机理，并分析了外界条件对阻尼的影响。基于吉村允孝法采用有 限元分析法对x k 8 1 5 0 中结合面动态特性进行了研究，并将考虑结合面的模态振型和不 考虑结合面的振型进行了对以3 2 j 。 张宇等人基于机械阻抗综合法，推导出了一种由实测频响函数识别结合面动态特性 参数的方法，并通过最小二乘法消除噪声影响，给出了结合面响应无法直接测量时的分 析处理方法【3 引。 陈新将结构试验模态参数和子结构有限元模型相结合，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 4 1 。 程序等人利用子结构综合法及机械阻抗凝聚法，建立了加工中心滚珠丝杠结合面动 力学模型，并识别了不同预紧力及不同外载荷下结合面动态特性参数【3 5 】。 由以上综述可知，对于结合面动态特性的研究集中在理论建模、实验建模以及理论 建模与实验建模相结合三个方向。以实验建模的方法获取结合面动态特性参数精度较 高，但实验研究存在的主要问题是：未进行较为系统的研究，大都以某型号机床为研究 对象，识别机床中结合面动态特性参数，识别参数不具通用性。因此对机床各类结合面 动态特性进行系统研究，获得通用性较强的结合面动态特性参数，建立机床结合面基础 特性数据库至关重要。 1 2 4 结合面应用技术研究 结合面动态特性研究的最终目的是应用于实际工程之中，也就是如何在结构动静态 特性预测及优化过程中考虑结合面的影响。 c o n n o l l y 、b a c k 、伊东谊等人对结合面静态基础特性参数的应用进行了研究： ，_ c o 皿o u y 证明了静态基础特性参数研究结果具有通用性；b a c k 同时考虑了结合面接触刚 度及周围构件的柔性对典型结合面结构的变形及压力分布进行了计算，与实测结果能、_ 。 o 5i 1 绪论 硕士学位论文 较好地吻合冈；伊东谊等人对结合面周围构件计算及处理方法进行了研究，指出通过小 试件获得的结合面静态特性参数不仅适用于周围构件可视作刚体的情况，对表面压力为 非线性分布的导轨面设计也是完全适用的f 。 黄玉美等人基于静态基础特性研究成果，对特定状态下滑动结合面接触变形进行了 理论解析，并应用于机床滑动导轨结合面；对由结合面接触变形引起的工作台的位移也 进行了理论解析【3 引。 张学良等人基于有限元理论，给出了由结合面动态基础特性参数表示的结合面单元 刚度矩阵，并应用于导轨结合面接触变形解析计算【1 6 】。 吉村允孝等提出了由动态基础特性参数求取实际结合面动态特性参数的方法，并在 双柱立式车床中进行了应用研究3 引。 1 2 5 机床模态试验研究 试验模态分析最初用于飞机模态参数的测量，近年来大量文献通过试验及数据处理 与分析来识别结构的动力学特性，并由此发展了许多试验建模方法删。模态分析方法将 复杂的机构运动简化为模态振型，并通过频响函数对系统各环节动态特性进行描述，简 化了系统求解运算，为借助计算机实现结构设计中的最优控制提供了可能性，因此模态 试验和有限元分析计算相结合成为解决复杂结构优化设计的重要手段。试验模态分析分 为以下四方面内容：模态理论、信号分析与处理、测试技术以及参数估计。 魏海燕等人采用锤击法对卧式加工中心进行模态分析，对其动态特性进行了研究， 得到了感兴趣的加工中心的低频段固有频率。通过模态振型的分析，找出了结构薄弱环 节，指出了结构优化设计的改进方向【4 1 】。 郑金兴等人阐述了试验模态分析在机床动态特性研究中的应用，为提高机床动力学 性能提供了基础。根据模态分析理论及测试技术，应用l a b v l e w 及m a t l a b 软件开发了机 床模态分析系统，并以一数控铣床主轴部件为例对系统各项功能进行了验证【4 2 l 。 李芳等人针对x h 2 7 2 5 进行了研究，对影响整机建模精度的滑动导轨结合面进行了 模态试验，测试了其动态特性，并采用分量分析法求出结合面动态特性参数并应用于整 机建模【4 3 】。 1 3 课题来源与主要研究内容 1 3 1 课题来源 本课题来源于国家“高档数控机床与基础制造装备 科技重大专项的课题“机床结 合面特性数据库及整机静动态精度数字化设计系统( 课题编号：2 0 0 9 z x 0 4 0 t 4 0 3 6 ) 。 课题研究目标为针对我国高档数控机床自主研发的需要，建立通用的结合面特性数据。- _ 矿 6 鼍 硕上学位论文 机床滚动导轨结合面动态特性参数识别试验研究 库，开发考虑结合面接触耦合特性的机床整机设计软件系统和设计知识库。 1 3 2 论文的主要内容 论文研究的目的是探求一种能精确识别滚动导轨结合面动态特性参数的方法，为结 合面基础特性数据库提供参数。论文的主要研究内容如下： ( 1 ) 根据滚动导轨结构及特点，对其进行简化，建立用于识别滚动导轨结合面动 态特性参数的测量模型，消除基础位移的影响，提高滚动导轨结合面动态特性参数识别 精度。 ( 2 ) 基于测量模型研制滚动导轨结合面动态特性参数识别试验装置，并使其满足 激振平稳性及通用性等设计要求。 ( 3 ) 搭建模态测试系统，确立试验结果准确性检验方法，将试验识别参数代入有 限元模型中，并将分析结果与测试结果进行了对比。 一 ( 4 ) 对南京工艺装备制造有限公司生产的滚动导轨进行单因素试验，分析法向载 荷、预压等级、滚动体类型以及滑块类型等因素对结合面动态特性参数的影响规律；对 瑞士施耐博格滚动导轨进行参数识别，分析导轨公称尺寸及滑块形状对参数的影响，并 与南京工艺装备制造有限公司同种规格滚动导轨进行参数对比。 2 滚动导轨结合面动态特性分析硕士学位论文 2 滚动导轨结合面动态特性分析 滚动导轨是数控机床上的重要功能部件，滚动导轨结合面动态特性参数的识别对数 控机床动态性能的设计及优化具有重要意义阻1 ，并且也是建立机床结合面基础特性数据 库的重要组成部分。本章首先对滚动导轨进行介绍，从导轨特点、分类、结构及性能参 数等方面进行了详细说明；其次对滚动导轨结合面动态特性解析及试验研究方法进行介 绍；最后对频响函数测试技术进行介绍，内容包括动态测试技术、测试设备及试验注意 事项等。 2 1 滚动导轨简介 导轨是两个相对运动部件结合面组成的运动副，一般由机床的支承部件( 床身、立 柱、横梁) 和执行部件( 主轴箱、溜板箱、刀架) 匹配而成。在支撑部件上的导轨称支 承导轨或固定导轨，简称下导轨；在执行部件上的导轨称作运动导轨或动导轨，简称上 导轨。导轨是机床的重要部件之一，它在很大程度上决定机床的刚度、精度与精度的保 持性【4 5 1 。 导轨的功能分为支承作用和导向作用。( 1 ) 支承作用：研究表明，导轨本体变形及 导轨面的接触变形对机床整体变形都有重要影响，因此通过减小导轨本体的刚体变形是 提高导轨工作精度的一个重要方面。导轨接触刚度设计主要通过控制导轨面的压强和卸 载装置来解决的。( 2 ) 导向作用：从运动学原则出发，导向作用只允许上导轨有一个确 定的自由度；从机床整体功能出发，导轨导向精度包括导轨几何精度、接触精度及精度 保持性，对运动和定位的准确性、平稳性及灵活性也有要求。随着全自动、高精度、高 效率、长时间连续工作的数控机床和加工中心的发展，对导轨工作的可靠性和稳定性提 出了更高的技术要求1 4 5 1 。 现代机床采用的导轨主要有：滑动导轨、滚动导轨和静压导轨三类。滚动直线导轨 副的最大特点是摩擦因数小，且动、静摩擦因数较接近，与滑动导轨副相比具体有以下 特点【4 5 】： ( 1 ) 运动灵敏度高，滚动导轨的摩擦因数小，驱动功率大幅下降； ( 2 ) 动静摩擦力相差较小，驱动信号与机械动作滞后的时间间隔极短，有利于提 高数控系统的响应速度和灵敏度； 。 ( 3 ) 能适应高速直线运动，瞬时速度较滑动导轨提高约1 0 倍； ( 4 ) 能实现无间隙运动，提高机械系统的运动刚度j ； ( 5 ) 成对使用导轨副时，具有“误差均化效应 ，从而降低基础件( 导轨安装面) ， 、。- - 。1 i ：。 ， 。 l 皇知 硕士学位论文机床滚动导轨结合面动态特性参数识别试验研究 的加工精度要求，降低基础件的机械制造成本与难度； ( 6 ) 由专业厂家生产，互换性较好，简化了机械结构的设计和制造。 滚动导轨按滚动体类型可分为滚珠导轨、滚柱导轨及滚针导轨：滚珠导轨为点接触， 摩擦阻力小，刚性可调，结构紧凑，通过合理设计滚道圆弧可大幅提高承载能力，适用 于标准化批量生产，成本较低；滚针导轨由于滚针尺寸较小，结构紧凑，承载能力较大。 但对导轨面平面度较敏感，制造较困难；滚柱导轨滚动体以滚柱代替了滚珠，是为实现 超高刚性与超重负荷能力而设计。通过滚动体与下导轨及滑块的线接触方式，让滚动体 在承受高负荷时仅产生微量的弹性变形。凭借4 5 度接触角的设计，使导轨能承受上下 和左右方向的负荷，使滚动导轨具有超高负载能力。在相同工作负荷的要求下，滚柱导 轨相比滚珠导轨，以较小的体积即可均匀承受高负载。通过超高刚性的实现，可大幅提 高加工精度，达到高精度的要求，同时由于能承受超重负荷，进而延长了滚动导轨的使 用寿命，因此该类型滚动导轨适合高速自动化产业机械及高刚性需求的设备使用。 滚动导轨本体结构由以下三部分组成：滚动体循环系统、润滑系统以及防压系统： ( 1 ) 滚动体循环系统：滑块、下导轨、端盖、回流模组及滚动体； ( 2 ) 润滑系统：油嘴、油管接头； ( 3 ) 防压系统：刮油片、底面密封防压片、下导轨螺栓盖、金属刮板。 滚动导轨的产品规格型号主要有滚动导轨尺寸、型式、精度等级、预压等级等规格 要求，购买时可根据以上要求进行选择，现以南京工艺装备制造有限公司某导轨规格型 号进行顺序说明。 例：g z b3 5a al tm m2p27 0 0 0 ( 2 ) - 4 g z b 表示导轨系列，对于南京工艺装配厂g g b 表示滚珠系列，g z b 表示滚柱系列， g s b 表示静音系列等等； 3 5 表示导轨公称尺寸，对于该系列导轨目前产品规格有2 5 、3 5 、4 5 、5 5 、6 5 、8 5 、 1 0 0 、1 2 5 ： a 表示滑块型式：a 为法兰型，b 为四方形； a 滑块固定方式：a 为螺孔安装，b 为通孔安装，并且以上两种安装方式都能进行 上锁或下锁式安装； i 滑块长度形式代号：l 为加长型，标准形式滑块不进行标注； 卜有特殊要求的滑块类型代号，标准系列滑块不标； m m 一密封形式：m m 表示端密封，m n 表示端密封 j n 倾u 密封，m x 表示端密封加侧 密封加金属刮板等等； 2 表示每根导轨上使用滑块数； p 表示预压等级代号：预压等级由高至低分p 0 、p 1 、。p 及p 3 四个等级； 函。二卜表示回一亍覃4 内使曼印亨耄1 l 墼l 。，。：k 囊峨。，一， 一 。 。 一f 一- ，p ：。；： o o + 。 二w ，l ，一 一 ， 。 一 9 一 2 滚动导轨结合面动态特性分析硕士学位论文 7 0 0 卜表示导轨长度，单根导轨具有长度限制： ( 2 ) 表示单根导轨的接长件数，不接长不标； 卜表示精度等级，由高至低分l 、2 、3 、4 、5 、6 级。 以上为该导轨规格型号中各编号的含义，不同厂家编号规则有所不同，但基本都包 括上述几方面。滚动导轨动态特性参数( 即接触刚度及阻尼) 是由滚动体与下导轨及滑 块的接触形式及状态决定的，因此可能对滚动导轨动态特性参数产生影响的因素大致如 下：( 1 ) 导轨系列滚动体不同，接触形式不同；( 2 ) 公称尺寸，滚动体尺寸与公 称尺寸相关，公称尺寸不同，滚动体刚度存在差异；( 3 ) 滑块长度形式滑块长度不 同，滚动体数目不同；( 4 ) 预压等级预压等级决定滚动体与下导轨及滑块的接触状 态。因此，研究滚动导轨结合面动态特性应考虑以上因素。 2 2 滚动导轨结合面动态特性研究方法 2 2 1 滚动导轨结合面动态特性解析方法 结合面问题从本质上讲为粗糙表面间的接触问题，滚动导轨也不例外，滚动导轨结 合面动态特性本质上为滚动体与下导轨及滑块的接触问题，而表面接触理论研究的基础 为经典赫兹接触理论。应用经典赫兹接触理论需满足的基本条件为：( 1 ) 接触体材料为 均质的；( 2 ) 接触体只产生弹性变形并且服从胡克定律：( 3 ) 载荷垂直于接触表面，接 触表面光滑，不考虑接触体之间的摩擦力；( 4 ) 接触面尺寸与接触体表面曲率半径相比 很小湖。相关学者根据赫兹理论对弹性体的接触问题进行了研究，并以此为依据对滚动 轴承应力及应变进行了计算。滚珠导轨滑块与下导轨通过滚珠联接，跟滚动轴承较为相 似，因此可利用角接触球轴承刚度计算公式对滚珠导轨法向及侧向刚度进行计算，公式 如下【4 7 1 ： 弘m 5 2 0 z 彬f 訾 ( 盖) 2 ，州搿口 眨， 弘3 2 3 7 5 。降 躲 2 ，卅c o s a 泣2 ， 式2 1 及式2 2 分别为滚珠导轨法向及侧向刚度计算公式，式中各参数含义如下：k 。， k ，分别为导轨法向及侧向刚度；z 为滚珠数量，e h 导轨实际情况而定；a 为接触角，一 般取4 5 。：d 。为滚珠直径；疋、只分别为滑块法向及侧向所受载荷，由导轨系统的静载 荷f 确定，兄= f s i n a ，c = f c o s a 。利用2 1 及2 2 式可较方便的计算滚珠导轨法向及t 。 侧向接触刚度，但同时也存在以下问题：( 1 ) 计算公式适用于滚珠导轨，但滚柱导轨接 、 硕士学位论文机床滚动导轨结合面动态特性参数识别试验研究 触形式和滚珠导轨有所不同，为线接触，式2 1 及式2 2 是否适用于滚柱导轨尚未研究； ( 2 ) 计算公式中一个重要变量为导轨预紧力大小，虽然导轨厂家会根据预压等级相应 给出预紧力与额定载荷的数值关系，但据此计算预紧力存在误差。据了解，部分导轨厂 家确定预压等级的方法较简单，只根据弹簧秤拖动滑块运动所施加的力确定，由此计算 预紧力大小误差较大。( 3 ) 由式2 1 及式2 2 可知，对于接触角为4 5 0 的滚珠导轨，法向 刚度为侧向刚度的5 倍左右；但相关试验结果表明，滚动导轨法向与侧向刚度值较接近， 没有如此悬殊差异；( 4 ) 式2 1 及式2 2 只能对滚珠导轨刚度值进行计算，而无法计算 阻尼值。 单元 图2 1 结合面单元 相关文献还提出了建立滚动导轨动力学模型的方法，华中科技大学谢波【4 8 】建立的滚 动导轨结合面单元便是其中一种模型。该模型将下导轨与滑块之间的结合面作为独立的 单元，滑块的各种运动方式( 包括多个自由度耦合后的运动) 都可由结合面单元的变形 状态表示。结合面单元如图2 1 所示：该单元有八个节点，滑块相对于下导轨的各种运 动可由结合面单元来表示，即由节点1 和5 ，节点2 和6 ，节点3 和7 ，节点4 和8 的相 对位移表现。文章作者通过试验确定了结合面单元的刚度及阻尼矩阵，进而建立了滚动 导轨结合面动力学模型。该模型通过试验测得节点力与位移的关系曲线，实测曲线为典 型的非线性曲线，应用时分段线性化，解决了滚动导轨结合面非线性问题。 2 2 2 滚动导轨结合面动态特性实验方法 由2 2 1 节论述可知利用赫兹理论计算滚动导轨接触刚度虽然方便，但计算误差较 大；建立滚动导轨动力学模型的方法较新颖，但尚不成熟，参数识别精度有待验证。随 着计算机及快速傅里叶变换等数字处理技术的发展，结构动力学特性研究迅速发展，试 验模态分析也得到了广泛应用。文献1 4 3 1 47 j 通过试验和数据处理对滚动导轨动态特性进行 t 识别：将滚动导轨的运动简化成模态模型，通过频响函数来描述导轨系统的动态特性， 。进而识别动态特性参数。滚动导轨试验研究通常采用单自由度分量分析方法，将导轨法 以，二x 1 句及侧向分别视作单岛审度系统，。力学模型见图2 ：2 。 。、。；， ，、。、 。 。 n 2 滚动导轨结合面动态特性分析 硕士学位论文 f k 肌一 r 、i o _ j a ) 侧向 圭 i k ? l- ic i b ) 法向 图2 2 导轨力学模型 测试过程中分别对滑块法向及侧向进行激励，获取导轨系统频响函数，根据频响函 数利用单自由度系统振动理论分别对导轨法向及侧向结合面动态特性参数进行识别，动 态特性参数主要为结合面动态刚度及阻尼。测试过程中法向及侧向测点分布如图2 3 所 示：法向测试时测点分布如图2 3 a 所示，选取5 点为激励点，1 - 9 点都为测试点；侧向 激励时，2 点为激励点，1 - 3 点为测试点。 a ) 法向测点 123 b ) 侧向测点 图2 3 法向及侧向测点分布 上述方法为通过试验模态分析识别滚动导轨结合面动态特性参数较为普遍的方法， 该方法操作方便，识别参数过程简单，但也存在如下缺点：( i ) 滚动导轨模态测试时基 本采用力锤激励，由于力锤激励能量较弱，因此受外界干扰较大；并且力锤高频段力信 号衰减较快，由于滑块质量较小，根据试验经验滚动导轨固有频率通常在1 0 0 0 h z 以上， 这个频段内力锤激励较难获得高质量的频响函数曲线。图2 4 为采用力锤激励获得的某 型号导轨法向及侧向频响函数盐线，从图中可以看出高频段频响函数毛刺较多，受 外界干扰较大，较难产生明显峰值，导轨固有模态已湮没在噪声之中，很难对滚动导轨 硕士学位论文机床滚动导轨结合面动态特性参数识别试验研究 结合面动态特性参数进行识别。( 2 ) 由于滑块质量较小，激励时滑块振型不是简单的法 向或侧向平动，导轨多阶模态发生了耦合，伴随有侧翻、扭转等振型，利用单自由度振 动理论识别参数存在误差；( 3 ) 缺乏滚动导轨专用试验装置，导轨只是简单地安装在基 础上，下导轨与基础的连接不可简单视为刚性连接，基础位移对参数识别存在影响；( 4 ) 根据单自由度振动理论识别滚动导轨结合面动态特性参数时，必须具备较理想的单自由 度曲线，尤其对于阻尼识别，但简单对滚动导轨滑块进行力锤激励较难获得理想的单自 由度曲线。 。 j 。? i 一。i 童j毒蔷套矗m 盖；螽j a ) 法向频响函数 b ) 侧向频响函数 图2 4 力锤试验 2 3 试验模态技术 2 2 节对滚动导轨结合面动态特性解析及试验方法进行了分析。鉴于识别出的参数 用于建立结合面动态特性数据库，参数精度要求较高，因此本文采用试验模态分析方法 识别滚动导轨结合面动态特性参数。本节对试验模态分析技术进行相关介绍及说明，试 验模态分析包括以下步骤：( 1 ) 试验系统的建立包括试件安装、激振器或力锤的安 装、传感器布置、系统接线以及系统校准等；( 2 ) 数据采集对试件进行激励获取试 件频响函数? ( 3 ) 求取模态参数对试件频响函数进行曲线拟合，进而求取鼹有频率、 l 三 2 滚动导轨结合面动态特性分析硕士学位论文 刚度及阻尼等模态参数；( 4 ) 对识别获得模态参数进行检验。 2 3 1 模态试验分析系统的组成 模态试验分析系统主要包括以下组成部分：激励系统、传感器、电荷放大器、数据 采集器以及模态分析软件。图2 5 为模态试验分析系统框图：测试时首先在模态分析软 件中设置各参数，数据采集器发出的扫频信号经功率放大器放大后传送至激振器，激振 器连接阻抗头并对试验台激励。力信号由阻抗头拾取，加速度信号由加速度传感器测得， 两者经电荷放大