高档机床运动结合部的非线性振动分析与优化设计研究

在高档机床设计过程中，由于结合部特别是运动结合部（导轨结合部和主轴系统结合部）直接决定和影响着机床的刚度、阻尼、加工精度和工作效率，因此迫切地需要建立起结合部的振动分析理论以指导设计。但是，由于结合部存在着变刚度、变阻尼、迟滞等非线性行为，使结合部的振动分析变得非常困难。由于技术条件限制，目前学者多是基于线性等效进行研究，其研究结果与实际相比往往有很大的误差。为此，本项目将结合国内外动力学、计算与测试技术的最新发展，选用某高速机床为研究对象，从非线性性角度进行研究，内容包括：对运动结合部进行振动测试与分析，表征结合部的非线性振动现象；利用非线性振动理论和非线性有限元对结合部进行建模、参数辨识及响应分析；以提高机床抗振性和稳定性为目标，进行结合部的优化设计研究。通过本项目的研究，将提出一套基于非线性的机床运动结合部振动分析新体系，从而为更好地设计及优化高档机床结构性能和提高其加工精度服务。

在高档机床设计过程中，由于结合部特别是运动结合部直接决定和影响着机床的刚度、阻尼、加工精度和工作效率，因此迫切地需要建立起运动结合部的振动分析理论以指导设计。本项目分别以主轴系统结合部与导轨系统结合部为象，在考虑结合部结构形式和非线性振动特点的基础上，开展了考虑结合部的主轴和导轨系统的动力学建模、分析以及相关测试方法的研究。. 围绕高档数控机床的主轴系统，所完成的研究内容包括：考虑主轴-刀柄-刀具结合部动力学的阻抗耦合子结构法建模与有限元法建模；基于所创建的模型，分析了转速、结合部参数等对主轴系统动力学特性的影响规律；面向真实数控机床主轴系统，进行了高速主轴系统的动力学特性、非线性响应、切削稳定性及非线性稳定性的预估研究，并进行了试验验证。研究表明，主轴-轴承结合部、主轴-刀柄-刀具结合部对高速主轴系统动力学特性、非线性响应及切削稳定性都具有显著影响。. 围绕数控机床的导轨系统，所完成的研究内容包括：提出了多种导轨结合部建模方法，例如弹簧-阻尼模型、假想材料模型、解析模型等；引入导轨结合部模型，分别采用解析和有限元法，完成了直线滚动导轨系统静力学及动力学建模；分析了导轨结合部对机床整机及部件系统动力学特性的影响，并进行了试验验证。研究表明，考虑导轨结合部特性，可有效提高直线滚动导轨、机床整机及部件系统动力学分析的精度。. 此外，还进行了与数控机床主轴系统结合部、导轨结合部动力学特性研究相关的一些研究，例如，数控机床动力学特性测试方法、整机工程化分析方法、固定结合部非线性参数辨识方法等。这些研究对于研究结合部动力学特性具有一定的促进作用。. 通过本项目的研究，提出了一套考虑结合部特性的机床主轴系统、导轨系统振动分析的新方法，为更好地设计及优化高档机床结构性能和提高其加工精度提供了技术支持。在研究中，共发表学术论文21篇（其中含录用3篇），已被EI检索9篇；培养了博士研究生1名，硕士研究生3名。按照项目的研究轨划，已完成了所指定的全部研究内容，并达到了预期的成果。