高速数控机床固定结合部单元动力学高精度建模方法研究

数控机床的高速化和高精化，对数控机床的动态性能提出了更高的要求。本项目以数控机床动态特性研究中难点问题- - -结合部动力学问题为研究内容，建立一种全新的结合部单元动力学模型，为数控机床整机精确动力学建模提供必要的子结构模型。1研究结合部的载荷分布与结合面上应力分布的规律，为结合部单元划分提供理论依据，进而建立结合部单元划分的准则；2基于有限元理论中"刚度影响系数"的概念，建立结合部单元动力学模型；3基于动力学系统的动力矩阵与频率响应函数矩阵互逆性研究结合部单元动力学模型参数的识别技术与方法；4以正交实验和数理统计理论为基础，建立每类结合部单元的统计模型，进而建立结合部有限单元的动力学模型库。该方法将丰富结合部动力学建模的理论与技术。将该方法用于数控机床整机动力学建模中，可建立数控机床的精确动力学模型，为设计高性能的高速数控机床提供理论指导。

本课题主要针对高速数控机床中固定结合部动力学建模方法展开研究，主要提出了两种机床中固定结合部单元动力学高精度建模方法，即固定结合部单元法和结合部虚拟材料法，其中针对数控机床中两类常见的固定结合部，即螺栓结合部和锥配合结合部，固定结合部单元建模法分为8节点六面体的螺栓结合部单元建模法和32节点八面体的锥配合结合部单元建模法。在分析两类固定结合部的受力情况和相对运动的前提下，基于刚度影响因子和阻尼影响因子理论，得到结合部节点力与节点位移之间的关系，在此基础上提出结合部单元刚度矩阵。并且基于多自由度系统动力矩阵与频响函数矩阵互逆原理提出了一种结合部单元刚度矩阵和阻尼比的参数识别方法。通过对大量的固定结合部动力学实验试件的模态实验得到其频响函数，并参数识别得到其结合部单元刚度矩阵，形成了固定结合部动力学单元建模法的基础数据库。在全面实验的基础上，推导得到螺栓结合部单元刚度关于结合面接触尺寸、结合面接触表面粗糙度、螺栓预紧力以及组成材料四因素的关系，形成了螺栓结合部动力学快速建模方法。结合部虚拟材料建模法是将机床中常见的固定结合部处理成一层虚拟材料，并基于赫兹接触理论和分型理论，推导得到虚拟材料的弹性模量、剪切模量、泊松比和密度的解析解。以上两种固定结合部动力学建模方法都通过大量的实例验证，证明课题提出的这两种固定结合部动力学建模方法的有效性和高精度性。