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精密数控机床及其典型结合面理论建模与实验研究

方兵  
【摘要】:在设计阶段力图准确掌握机床产品性能是当前国内外研究的热点,但理论分析结果通常与实际性能差别较大,很难直接指导机床的设计。因此,只能采用反复修改样机的方法以得到可靠的产品,致使产品开发周期长,成本高。其主要原因是机床中包含大量的结合面(或者结合部),结合面对精密数控机床的静、动和热态性能影响尤为明显,且影响规律较为复杂。因此,结合面特性研究是制约精密数控机床数字化设计的关键问题之一。 早在20世纪60年代,学者们已经发现结合面对机床整体性能有着显著的影响:机床60%-80%的刚度、90%以上的总阻尼、40%-60%的总柔度与85%-90%的静变形量均来自结合部。本文将以精密数控机床为对象,开展机床典型结合面静、动和热特性建模与实验测试技术的研究,探讨结合面性能对整机性能的一般影响规律。根据精密数控机床结构特点,将机床结合部分为传动结合面和固定结合面,并对传动结合面中的轴承结合部和滚珠丝杠结合部以及固定结合面中的床身立柱结合面做详细的分析和讨论。本文的主要工作如下。 详细地分析和讨论了接触角、组合方式以及轴承内径对轴承结合部静、动特性的影响规律;针对轴承装配体结构振动问题,采用矩阵变换方法分析了轴承滚动体与滚道接触变形的几何关系,使得分析过程更加简洁和精确,并以此为依据,结合赫兹接触理论和拉格朗日分析力学原理建立了轴承静刚度的解析表达式以及5自由度动力学模型;研制了轴承刚度测试实验台,将理论分析与实验结果进行了对比,结果表明:理论计算方法与实验结果的相对误差在10%以内,能够满足工程计算的需要。针对轴承结合部有限元分析模型参数难以确定的问题,提出了基于模态试验数据的建模方法。依据模态试验测得的固有频率和阻尼比,采用最小二乘法解得单个钢球在接触法线方向上的刚度和阻尼,进而计算得到轴承结合部径向、轴向以及转角等5个方向的刚度和阻尼;建立采用弹簧阻尼单元法和虚拟材料法等效轴承结合部的模型,计算结果表明:在对装配结构有限元分析时,采用本文方法建立轴承结合部等效模型,计算了结构前5阶固有频率和振型,其中振型与试验测得振型一致,对应固有频率相对误差在15%以内。 详细分析了滚珠丝杠副的接触变形特点,在此基础上建立了滚珠丝杠结合部静、动态特性参数的理论计算模型。研制了滚珠丝杠特性参数测试实验台。详细阐述了滚珠丝杠结合面静态特性参数测试的实验原理及数据分析方法,并对实验数据进行拟合,得到滚珠丝杠副结合部的静、动态特性参数计算公式。分别采用弹簧阻尼单元法和虚拟材料法建立了滚珠丝杠副结合部仿真分析模型,根据建立的有限元分析模型,对滚珠丝杠结合面的静动态特性进行了仿真分析与研究,分析结果表明,建立的有限元模型具有较高的精度,静态特性参数误差在5%以内,动态特性参数仿真误差在10%以内,满足工程计算的需要。 详细地分析了粗糙表面接触中常用的统计模型和分形模型,针对统计模型中“等半径”假设的不足之处,提出了改进统计模型算法。采用分形理论推导了新模型中凸点半径与高度的关系,并在此基础上分析了实际接触面积和实际接触载荷与两表面平均距离之间的关系。根据GW模型中提出的弹塑性变形极限理论,提出了依赖于分形尺度的弹塑性变形极限的理论。通过与实验数据对比显示:新的模型较以往的模型具有更高的精度。测试了不同加工方法加工表面的分形参数,建立了粗糙度参数与分形参数之间的关系。 建立了考虑3类结合面影响的BV68-150精密数控机床整机静态性能计算模型,对3类结合面进行了分析和计算,根据机床中实际应用情况从特性参数数据库中提取相应的数据,用于整机静态性能仿真。仿真结果表明:与未考虑结合面影响模型相比,考虑结合面影响的模型具有更高的精度。研究了机床工艺系统的静力学特性,并设计了机床静刚度测试实验,得到主轴X、Y、Z三个方向的刚度。并将分析结果与实验结果进行对比,结果表明,建立的考虑结合面影响的整机有限元模型是可靠的。 建立了考虑3类结合面影响的BV68-150精密数控机床整机动态性能计算模型,对3类结合面进行了分析和计算,根据机床中实际应用情况从特性参数数据库中提取相应的数据,用于整机动态性能仿真。仿真结果表明:与未考虑结合面影响模型相比,考虑结合面影响的模型具有更高的精度。设计了整机动态特性测试实验,采用模态分析方法测试机床的固有频率及阻尼比,实验过程中,为了获取更好的模态参数,对激励点选择以及测点的布置做了研究。进行多次锤击试验,对实验结果做均化处理,减少了环境噪声的影响。并将分析结果与实验结果进行对比分析,分析表明,建立的考虑结合面影响的整机有限元模型是可靠的。 分析和研究了精密机床整机热误差特性。研究发现精密机床在工作过程中,会有大量的热产生,其中主轴轴承摩擦生热是主要热源。在机床主轴空转,其它运动副保持静止的情况下,主轴轴承产生的热向外扩散,致使主轴组件、主轴箱温度升高,由于机械结构本身的复杂性,形成非均匀温度场,实验过程中采用温度传感器进行实时测量。非均匀温度场致使各零部件发生不同程度的热变形,对机床加工精度影响主要体现在主轴前端相对于工作台在X、Y、Z三个方向产生的位移变化,采用激光位移传感器进行实时测量。建立了精密数控机床整机热态性能仿真模型,对ANSYS热-结构耦合仿真所需的边界条件进行了分析,在不考虑机床主要结合面热阻和考虑机床主要结合面热阻两种情况下,对机床整机热态性能分别进行了有限元仿真,并与机床整机热态性能试验测量的结果进行对比,结果表明,考虑结合结合面的模型具有更高的精度。


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