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探讨的热点，但论述浅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。由此，只能采取反复修改样机的策略以得到可靠的产品，致使产品开发周期长，成本高。其主要理由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显著，且影响规律较为复杂。由此，结合面特性探讨是制约精密数控机床数字化设计的关键不足之一。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。本论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探讨，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浅析和讨论。本论文的主要工作如下。详细地浅析和讨论了接触角、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不足，采取矩阵变换策略浅析了轴承滚动体与滚道接触变形的几何联系，使得浅析历程更加简洁和精确，并以此为依据，结合赫兹接触论述和拉格朗日浅析力学原理建立了轴承静刚度的剖析表达式以及5自由度动力学模型；研制了轴承刚度测试实验台，将论述浅析与实验结果进行了比较，结果表明：论述计算策略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浅析模型参数难以确定的不足，提出了基于模态试验数据的建模策略。依据模态试验测得的固有频率和阻尼比，采取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；建立采取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浅析时，采取本论文策略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。详细浅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、动态特性参数的论述计算模型。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浅析策略，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。分别采取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浅析模型，根据建立的有限元浅析模型，对滚珠丝杠结合面的静动态特性进行了仿真浅析与探讨，浅析结果表明，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。详细地浅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”检测设的不足之处，提出了改善统计模型算法。采取分形论述推导了新模型中半径与高度的联系，并在此基础上浅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联系。根据GW模型中提出的弹塑性变形极限论述，提出了依赖于分形尺度的弹塑性变形极限的论述。通过与实验数据比较显示：新的模型较以往的模型具有更高的精度。测试了不同加工策略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联系。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类结合面进行了浅析和计算，根据机床中实际运用情况以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。探讨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。并将浅析结果与实验结果进行比较，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类结合面进行了浅析和计算，根据机床中实际运用情况以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，采取模态浅析策略测试机床的固有频率及阻尼比，实验历程中，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探讨。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。并将浅析结果与实验结果进行比较浅析，浅析表明，建立的考虑结合面影响的整机有限元模型是可靠的。浅析和探讨了精密机床整机热误差特性。探讨发现精密机床在工作历程中，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，实验历程中采取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，采取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浅析，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比较，结果表明，考虑结合结合面的模型具有更高的精度。关键词：固定结合面论文轴承论文滚珠丝杠论文分形论述论文静动态特性论文热特性论文
摘要4-6
ABSTRACT6-12
第1章 绪论12-22
1.1 课题概述12-13
1.1.1 课题来源12
1.1.2 探讨背景12-13
1.1.3 探讨作用与目的13
1.2 国内外探讨近况13-19
1.2.1 轴承结合部国内外探讨近况13-15
1.2.2 滚珠丝杠副结合部国内外探讨近况15-17
1.2.3 固定结合面国内外探讨近况17-19
1.3 本论文主要探讨内容19-20
1.4 本论文结构系统20-22
第2章 轴承结合部论述建模与实验探讨22-54
2.1 引言22
2.2 Hertz 接触论述22-26
2.2.1 接触几何联系22-23
2.2.2 载荷与变形联系23-25
2.2.3 球轴承中的接触求解25-26
2.3 轴承结合部静态特性建模与浅析26-32
2.3.1 静刚度剖析模型的建立26-29
2.3.2 等效静力学模型的建立29-30
2.3.3 实例计算与浅析30-32
2.4 轴承结合部动态特性建模与浅析32-41
2.4.1 结构动态模型的建立32-38
2.4.2 等效动力学模型的建立38-40
2.4.3 实例计算与浅析40-41
2.5 实验台设计与制造41-53
2.5.1 实验台结构设计42-44
2.5.2 轴承结合部静态特性测试实验44-47
2.5.3 轴承结合部动态特性测试实验47-53
2.6 本章小结53-54
第3章 滚珠丝杠副结合部论述建模与实验探讨54-82
3.1 引言54
3.2 滚珠丝杠副结合部影响因素54-55
3.3 滚珠丝杠副结合部静态特性建模与浅析55-62
3.3.1 接触变形浅析55-57
3.3.2 静态特性剖析模型的建立57-59
3.3.3 静态特性等效模型的建立59-61
3.3.4 实例计算与浅析61-62
3.4 滚珠丝杠副结合部动态特性建模与浅析62-71
3.4.1 坐标变换联系的建立62-64
3.4.2 动态特性剖析模型的建立64-69
3.4.3 滚珠丝杠副结合部动态特性参数识别69-71
3.5 实验台设计与制造71-80
3.5.1 实验台结构设计71-72
3.5.2 滚珠丝杠副结合部静态特性参数测试72-77
3.5.3 滚珠丝杠副结合部动态特性参数测试77-80
3.6 本章小结80-82
第4章 固定结合面论述建模与实验探讨82-102
4.1 引言82
4.2 修正接触模型的建立82-93
4.2.1 粗糙表面随机历程模型82-85
4.2.2 GW 接触模型85-87
4.2.3 分形接触模型87-90
4.2.4 修正接触模型90-92
4.2.5 算法比较与浅析92-93
4.3 等效浅析模型的建立93-97
4.3.1 弹簧单元法建模93-94
4.3.2 虚拟材料法建模94-97
4.4 粗糙表面的分形参数97-101
4.4.1 分形参数概述97-98
4.4.2 分形参数计算策略98-99
4.4.3 分形参数的测量99-101
4.5 本章小结101-102
第5章 整机性能浅析与实验探讨102-132
5.1 引言102
5.2 精密数控机床数字化建模102-105
5.2.1 三维数字化浅析平台102
5.2.2 功能部件建模102-105
5.3 整机静态特性建模与实验探讨105-114
5.3.1 整机静态特性有限元浅析105-111
5.3.2 整机静态特性测试与浅析111-113
5.3.3 仿真与实验结果比较113-114
5.4 整机动态特性建模与实验浅析114-120
5.4.1 整机动态特性有限元浅析114-117
5.4.2 整机动态特性测试与浅析117-119
5.4.3 仿真与实验结果比较119-120
5.5 整机热态特性建模与实验浅析120-131
5.5.1 有限元模型建立120
5.5.2 边界条件的确定120-125
5.5.3 整机热态特性仿真探讨125-126
5.5.4 整机热态特性测试与浅析126-130
5.5.5 仿真与实验结果比较130-131
5.6 本章小结131-132
第6章 结论132-134
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