[发明专利]一种机床锥配合固定结合部动力学参数识别方法

说明书

技术领域

本发明属于数控机床动力学技术领域，具体涉及一种机床锥配合固定 结合部的动力学参数识别方法。

背景技术

20世纪60年代末，基尔萨诺娃^[1]、Kirsanova^[2]等人就结合面法向和切 向特性对锥配合固定结合部进行了研究。他们的研究表明：结合面的切向 加载和卸载曲线之间存在迟滞现象，即使在切向载荷小于结合面最大静摩 擦力的情况下也如此；结合面的切向接触刚度与结合面面压成非线性关系， 并随之增大而增大。

随后，在对粗糙表面微观形貌特征的传统定量化统计描述的基础上， Greenwood和Wmiamson^[3]应用表面轮廓仪对实际表面进行测量，分析后 提出了表面接触的GW模型，得到了两个表面接触的当量总刚度。Majumdar A^[4]等学者则提出了基于分形理论的接触刚度模型——MB模型，将机械结 合面简化为一个粗糙表面和一个真实平面的接触问题，粗糙表面上的单个 微凸体近似等效为球体，并假设粗糙表面的表面形貌各向同性，粗糙表面 上各微凸体之间的相互作用可以忽略不计，在此基础上理论性地求出了机 械结合面的法向接触刚度和无量纲接触刚度。

然而以上学者都是集中在理论上研究机床固定结合部，随着计算机科 学技术的进步与发展，后来的一些国外学者则从实验和理论上的有限元分 析两者结合的角度，对刀柄-主轴锥配合结合部动态特性进行了更有效、更 深入的研究。

T.R.Kim，S.M.Wu和K.F.Ehmann^[5]被认为是第一个运用实验的方法研 究了主轴-刀柄的锥配合结合部，并将轴向预紧力和锥配合结合部的刚度和 阻尼参数联系起来。实验中测试分析了三种不同轴向预紧力对结合部刚度 和阻尼的影响。

Rivin^[6]对刀具结构的运行状态做了大量的技术研究，并且总结出六条 关于加工的重要影响因素，其中包括加工参数对刀具寿命和稳定性的影响， 刀柄和主轴的接触面，模块化刀具，以及在高速切削下的刀具动平衡。在 Rivin提出这些重要影响因素之后，Levina^[7]进一步研究了刀柄-主轴结合部 之间的角变形对刀尖的变形的影响。Levina还研究了拉杆的拉力和刀柄锥 度误差对刀柄-主轴结合部的静态刚度的影响。S.Smith、W.R.Winfough和 J.Halley^[8]等人通过研究发现随着拉杆的拉力的增大，刀柄-主轴结合部的静 刚度也随之增大，而阻尼却随之减少。

国内相关研究开展的相对较晚。为了克服经典的GW模型以及WA模 型不具备客观惟一确定性，张学良、黄玉美基于接触分形理论，首次提出 了具有尺寸独立性的机械结合面的法向接触刚度分形模型^[9]，从理论上计算 出了机械结合面法向接触刚度，而该刚度与取样长度和仪器的分辨率无关， 这是粗糙表面法向接触刚度分形模型最大特征。除此之外，他们还将数字 仿真结果与有关实验研究结果作了对比，具有一致性。后来，黄玉美、王 世军^[10]提出了采用六节点的等参数单元模拟结合部的接触特性，导出了六 节点接触单元的刚度矩阵，建立了整机分析模型，将整机刚度实验结果与 计算结果比较，证实了有效性。

中南大学的肖永山^[11]等人在结合部参数识别理论基础上，利用LMS公 司的SCADAS模态测试装置和后处理软件LMS Test.Lab对机床结合部连 接件进行了模态测试，并在有限元软件中建立有限元模型，结合部之间用 弹簧单元模拟，刚度系数先采用试凑法得到估计值，再以有限元得到的振 型与试验的相应振型相对最小二乘偏差为目标，弹簧刚度系数为设计变量， 优化识别出弹簧刚度系数，优化识别后频率精度比较高，表明了实验模态 测试与有限元方法相结合，能较好地解决机床结合部参数的获取问题。

上述基本上都是弹簧阻尼模型。虽然模型的弹簧-阻尼器的参数可以通 过理论和实验相结合的方法来识别，达到比较好的效果，但是这种模型最 大的缺陷是：

其一，忽略了刀柄-主轴锥度结合部节点各自由度之间的耦合关系，因 此结果不具有普遍性。

其二，结合部之间的弹簧-阻尼器的个数没有明确的数量，不同的模型 其弹簧-阻尼器的个数也不相同，因此没有通用性。

参考文献：