机床固定结合部动力学参数化建模

论文摘要

现代机床已经朝着高速、高精及集成化方向发展,机床的加工性能很大程度上受到其动态特性的影响。研究表明:结合部对机床整体性能的影响很大。因此为了对机床的整机性能进行预测,实现机床的优化设计,必须深入研究机床的结合部动态特性影响对机床性能的影响。目前,结合部的研究在动力学建模和参数识别方面取得了很多研究成果,但是尚没有深入研究各因素对结合部动力学参数影响。本文通过对XHK5140、七轴五联动机床以及北京机电院机床进行调研,针对“线型”螺栓结合部的主要影响因素(粗糙度、预紧力、尺寸等),设计了一系列结合部单元试件模型。首先利用LMS Test.Lab振动测试与分析系统对试件进行模态试验,采用理论建模与模态试验相结合的参数辨识方法,识别结合部动力学参数(主要指动刚度);然后通过对各种工况下的结合部试件的刚度矩阵进行分析,提出了动刚度和预紧力之间的幂函数模型,并验证了该幂函数模型的有效性;通过正交试验分析了各因素对结合部动刚度的影响,并基于响应曲面法(RSM),通过全面试验,综合幂函数模型,提出了结合部参数化统计模型,随后利用软件Matlab的GUI界面功能设计了结合部参数化数据库管理系统;最后通过单个结合部单元、多个结合部单元试件的模态试验,通过DMIG将参数化统计模型计算出来的刚度矩阵导入到MSC.FEA有限元模型中进行验证。经过大量的试验,证明了本文所建立的结合部动力学参数化模型是合理的。基于该参数化模型,可以计算出不同结合部工况的动刚度矩阵;在机床进行动力学建模时可以用于模拟螺栓联接结合部的动态特性,能够很大程度地节约试验成本,而且具有很高的精度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 课题的研究目的及意义
• 1.3 机床结合部动力学建模和参数识别的研究现状
• 1.4 本文的研究内容
• 1.5 本章小结
• 2 机床结合部的分类及螺栓结合部影响因素分析
• 2.1 机床螺栓联接结合部的分类
• 2.2 机床螺栓结合部影响因素分析
• 2.3 试验方案总结
• 2.4 本章小结
• 3 机床双螺栓结合部的动力学特性影响因素研究
• 3.1 结合部试件模态试验
• 3.2 基于频响函数的结合部单元的参数识别基本理论
• 3.3 基于正交试验的结合部各因素影响研究
• 3.4 结合部刚度值与预紧力的拟合
• 3.5 本章小结
• 4 螺栓结合部动力学参数化建模
• 4.1 全面试验结果分析
• 4.2 响应曲面法
• 4.3 回归曲面方程的建立
• 4.4 多项式曲面回归算法
• 4.5 参数化模型计算结果
• 4.6 基于Matlab 的结合部动力学模型数据库的建立
• 4.7 本章小结
• 5 机床双螺栓结合部动力学参数化模型验证
• 5.1 参数化模型在单个结合部单元上有效性验证
• 5.2 结合部单元刚度矩阵的坐标变换
• 5.3 参数化模型在多个单元的结合部试件上有效性验证
• 5.4 结论
• 6 全文总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 全文展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录Ⅰ 攻读硕士学位期间发表的论文
• 附录Ⅱ 结合部刚度矩阵