大重型精密数控机床运动结合部精度衰退机理研究

精度保持性是高档数控机床的重要技术指标，而机床运动结合部的精度衰退最容易引起机床的精度恶化。为揭示大重型精密数控机床运动结合部精度衰退的机理，本项目综合考虑机床实际运行中的多重影响因素。研究运动部件结合部在边界润滑状态下，表面特征、运动速度、外加载荷对表面形貌磨损的影响；研究在大行程运动中，大型部件作为柔性体单元，产生的小变形引起的结合部接触应力分布变化对精度衰退的影响；研究数控系统运动控制算法产生的柔性冲击与机床振动之间的关系，及其对运动结合部精度衰退的影响；搭建机床精度加速失效实验台，建立计算机精度衰退仿真系统，为研究精度衰退机理提供实验数据和验证平台；以"SKXC-5000/40"5m重型数控铣齿机床为研究样机，进行实证研究。本项目的研究对于提高我国大重型精密数控机床的质量具有重要的理论意义和实际应用价值。

当前，我国高档数控机床与世界先进技术的差距主要表现在机床的精度保持性方面，而精度保持性中又以运动结合部的精度衰退为主要原因。目前业界对机床精度保持性的认识还局限在维护和保养层面，缺乏有关精度衰退的指导理论和科学方法。本项目旨在按照从磨损引起运动结合部微观精度变化到机床结构精度变化再到机床机电系统精度变化的思路来研究大型、重型精密数控机床的精度衰退机理。.项目首先研究了磨损引起的运动结合部微观精度变化对结合部接触刚度的影响。通过对磨损后接触表面微凸体之间弹塑性变形的分形描述，将大型机床运动结合部的磨损造成的局部接触离散化为微凸体的相互作用，从而建立离散后的微凸体之间的接触刚度模型。研究表明，运动结合部的接触刚度是非线性的，接触载荷的大小与结合部粗糙面的分形维数和弹塑性接触面积有关，接触刚度还与宏观的结合部几何精度演变有关。.然后研究了大型机床大行程运动中的小变形对机床结构动态精度的影响。项目组针对大重型机床中常见的金属-塑料运动结合部，以4m重型铣齿、磨齿机床为研究对象，运用子结构非线性响应耦合法研究大行程运动中运动结合部的小变形对机床结构动态精度的影响，结果表明运动结合部的非线性刚度特征会明显影响机床结构的整体动柔度，进而影响到机床结构精度的变化。此外，研究了加加速限制的运动控制算法产生的柔性冲击对机床机电系统动态精度的影响。针对大型精密磨齿机床，采用数字控制系统，定量分析在控制算法的不同阶段加加速的变化造成的柔性冲击产生的机床振动大小。试验和计算表明在运动控制算法的不同时间段，机床的振动随着电气控制参数的变化呈现不同的变化规律，进而影响机床的动态定位精度。.最后研究大型机床的结合部精度衰退对加工精度的影响。针对大重型机床中各轴运动结合部的精度衰退规律，建立与机床加工精度之间的映射模型，以4m重型高精度磨齿机床为研究对象，探讨各轴在运动结合部的精度衰退对齿轮加工精度的影响规律，通过对运动结合部的精度衰退误差与齿轮加工误差之间的耦合关系进行解耦分析，提出一种基于调整机床修正参数的补偿方法。实验结果表明，通过软件补偿形式可有效修正因机床运动结合部的精度衰退而造成的加工误差。