[發明專利]一種機床錐配合固定結合部動力學參數識別方法

無效

• 申請號: 201010116182.0
• 申請日: 2010-02-24
• 公開（公告）號: CN101804464A
• 公開（公告）日: 2010-08-18
• 發明（設計）人: 毛寬民;李斌
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: B23B19/02
• 分類號: B23B19/02
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 曹葆青

技術領域

本發明屬于數控機床動力學技術領域，具體涉及一種機床錐配合固定 結合部的動力學參數識別方法。

背景技術

20世紀60年代末，基爾薩諾娃^[1]、Kirsanova^[2]等人就結合面法向和切 向特性對錐配合固定結合部進行了研究。他們的研究表明：結合面的切向 加載和卸載曲線之間存在遲滯現象，即使在切向載荷小于結合面最大靜摩 擦力的情況下也如此；結合面的切向接觸剛度與結合面面壓成非線性關系， 并隨之增大而增大。

隨后，在對粗糙表面微觀形貌特征的傳統定量化統計描述的基礎上， Greenwood和Wmiamson^[3]應用表面輪廓儀對實際表面進行測量，分析后 提出了表面接觸的GW模型，得到了兩個表面接觸的當量總剛度。Majumdar A^[4]等學者則提出了基于分形理論的接觸剛度模型——MB模型，將機械結 合面簡化為一個粗糙表面和一個真實平面的接觸問題，粗糙表面上的單個 微凸體近似等效為球體，并假設粗糙表面的表面形貌各向同性，粗糙表面 上各微凸體之間的相互作用可以忽略不計，在此基礎上理論性地求出了機 械結合面的法向接觸剛度和無量綱接觸剛度。

然而以上學者都是集中在理論上研究機床固定結合部，隨著計算機科 學技術的進步與發展，后來的一些國外學者則從實驗和理論上的有限元分 析兩者結合的角度，對刀柄-主軸錐配合結合部動態特性進行了更有效、更 深入的研究。

T.R.Kim，S.M.Wu和K.F.Ehmann^[5]被認為是第一個運用實驗的方法研 究了主軸-刀柄的錐配合結合部，并將軸向預緊力和錐配合結合部的剛度和 阻尼參數聯系起來。實驗中測試分析了三種不同軸向預緊力對結合部剛度 和阻尼的影響。

Rivin^[6]對刀具結構的運行狀態做了大量的技術研究，并且總結出六條 關于加工的重要影響因素，其中包括加工參數對刀具壽命和穩定性的影響， 刀柄和主軸的接觸面，模塊化刀具，以及在高速切削下的刀具動平衡。在 Rivin提出這些重要影響因素之后，Levina^[7]進一步研究了刀柄-主軸結合部 之間的角變形對刀尖的變形的影響。Levina還研究了拉桿的拉力和刀柄錐 度誤差對刀柄-主軸結合部的靜態剛度的影響。S.Smith、W.R.Winfough和 J.Halley^[8]等人通過研究發現隨著拉桿的拉力的增大，刀柄-主軸結合部的靜 剛度也隨之增大，而阻尼卻隨之減少。

國內相關研究開展的相對較晚。為了克服經典的GW模型以及WA模 型不具備客觀惟一確定性，張學良、黃玉美基于接觸分形理論，首次提出 了具有尺寸獨立性的機械結合面的法向接觸剛度分形模型^[9]，從理論上計算 出了機械結合面法向接觸剛度，而該剛度與取樣長度和儀器的分辨率無關， 這是粗糙表面法向接觸剛度分形模型最大特征。除此之外，他們還將數字 仿真結果與有關實驗研究結果作了對比，具有一致性。后來，黃玉美、王 世軍^[10]提出了采用六節點的等參數單元模擬結合部的接觸特性，導出了六 節點接觸單元的剛度矩陣，建立了整機分析模型，將整機剛度實驗結果與 計算結果比較，證實了有效性。

中南大學的肖永山^[11]等人在結合部參數識別理論基礎上，利用LMS公 司的SCADAS模態測試裝置和后處理軟件LMS?Test.Lab對機床結合部連 接件進行了模態測試，并在有限元軟件中建立有限元模型，結合部之間用 彈簧單元模擬，剛度系數先采用試湊法得到估計值，再以有限元得到的振 型與試驗的相應振型相對最小二乘偏差為目標，彈簧剛度系數為設計變量， 優化識別出彈簧剛度系數，優化識別后頻率精度比較高，表明了實驗模態 測試與有限元方法相結合，能較好地解決機床結合部參數的獲取問題。

上述基本上都是彈簧阻尼模型。雖然模型的彈簧-阻尼器的參數可以通 過理論和實驗相結合的方法來識別，達到比較好的效果，但是這種模型最 大的缺陷是：

其一，忽略了刀柄-主軸錐度結合部節點各自由度之間的耦合關系，因 此結果不具有普遍性。

其二，結合部之間的彈簧-阻尼器的個數沒有明確的數量，不同的模型 其彈簧-阻尼器的個數也不相同，因此沒有通用性。

參考文獻：