数控机床复杂工况下多层次多自由度静动态载荷谱关键技术研究

The theory of formulating the load spectrum is a basic generality problem urgently to be solved in the industry of NC machine tools. The traditional static load spectrum cannot describe the property of the NC machine tools' dynamic load. From a complete new perspective, this project proposes a method for testing and formulating the static and dynamic loads spectrum on multi-level and with multi-degree-of-freedom: the load model of each key functional component is built by the method of combining the theories, tests and simulations. By the optimum method for test designing, the load measurement test is implemented which solved the lack of representativeness; the simulation method is used to verify the load model, obtaining the transmission laws of the load and overcome the problem of randomness and uncertainty of the load under different working conditions. The wavelet fractal technique is brought in, and by correlation dimension, the complexity and irregularity of the testing signal are described under different scales and frequency bands, realizing the signal separation and extraction, opening up a new method of analyzing the coupling property of the static-dynamic loads. The combination of the adaptive optimization algorithm and the Bayes theory is used to study the mapping relations of factors influencing extreme loads, realizing the accurate measurement of the extreme loads; by considering multi-factors impacting the errors comprehensively, the data envelopment analysis is used to determine the weight of each error-influencing factor to eliminate the subjective influences, thus providing the theoretical foundations for the reliability's probability design and test of the NC machine tools, which has great practical application significance.

载荷谱编制理论是数控机床行业中亟待解决的基础共性问题，也是可靠性设计和试验的先决条件。目前数控机床整机载荷谱未考虑载荷的动态特性，而且也难以满足各关键功能部件设计和试验的要求。本项目从一个全新的角度提出多层次多自由度的静动态载荷测试及编制方法：采用力学理论、试验优化设计与虚拟仿真相结合的方法，建立各关键功能部件间的载荷传递模型，攻克复杂工况下载荷随机性和不确定性的难题；引入小波分形技术，将强干扰环境下的载荷测试信号用关联维数描述其在不同尺度和频带内的复杂性与不规则性，实现载荷信号的分离与提取，为静动态载荷耦合特性分析开辟新途径；结合动态自适应优化算法与贝叶斯理论，研究极值载荷与各因素的映射关系，实现极值载荷的准确度量；为消除人为主观因素影响，综合考虑多种误差因素，用数据包络分析确定各误差因素的权重排序指标，实现载荷谱的智能选择。对于关键功能部件的可靠性设计和试验，具有重要的实际应用价值。

国内研发的数控机床在精度、速度、多轴联动和功能复合化等方面与国外机床相比已经越来越小，但可靠性方面与国外品牌相比依然有较大差距。据相关研究表明，国产机床可靠性水平与发达国家存在差距的主要原因是在设计过程中缺乏具有代表性和典型性的数控机床载荷谱，从而无法实现可靠性设计。.（1）数控机床主轴、导轨、丝杠、工作台等关键功能部件间载荷的传递规律.根据力的相互作用、分解和等效平移定理，研究了数控机床车、铣、钻和镗等切削过程中载荷的传递规律，结合理论、优化试验和仿真方法，建立了数控机床在复杂工况下载荷模型。.（2）采用试验优化设计的方法开展数控机床静、动态载荷测试.针对数控机床运行过程中存在着人为因素差异大、工况千变万化的问题，提出了数控机床车、铣、钻、镗等分工况和准备切削-切削-退出切削的分模式工作体系。根据试验优化设计方法筛选出了最佳的试验组合方案，并开展了静、动态载荷测试试验。.（3）研究静、动态载荷及极值载荷与工艺参数之间的耦合特性.提出了采用小波分形技术对载荷信号进行降噪处理，研究了时域和频域特征。根据统计分析方法，分析了各工艺参数对动态载荷的影响，研究了静、动态载荷与主轴转速、切削深度、进给速度、刀齿数等主要工艺参数的耦合特性。.将极值载荷视为随机变量，利用极值理论和 Bayes 方法推断出了合理的极值载荷，克服了传统概率推断法、保守推测方法和下降法求解的极值载荷偏差较大的不足。最后，用回归分析方法建立了载荷极值与工艺参数的映射关系模型。.（4）融合多种误差信息的载荷谱优选新方法.考虑了拟合累积分布函数与样本分布函数的最大误差、拟合累积分布函数与样本分布函数的其他综合误差、拟合概率密度函数与样本概率密度函数的误差，提出了融合拟多种误差信息的载荷谱优选新方法；同时提出了采用数据包络分析技术确定多种误差信息权重的方法，克服人为主观判断具有随机性的不足，形成了一套准确、实用的数控机床载荷谱优选方法。