大型精密数控机床动态性能稳定性影响机制研究

This project is studied based on two scientific problems. One is to find out the mechanism of dynamic elastic deformation behavior of large-precision machine tools under complex working conditions, and the other is to open out the law of changing of the dynamic stiffness during the long distance motion. First of all, the hybrid measurement system consisting of computed vision and accelerometer will be constructed to record the dynamic elastic deformation behavior of large-precision machine tools, and an approach to describe and identify the dynamic elastic behavior parameters will be studied, and then the effect of dynamic elastic deformation on the dynamic performance will be investigated. Subsequently, the changing of dynamic stiffness with the movement of the machine axes will be investigated by experiments and numerical simulation, and simultaneously the model of moving contact stiffness will be put forward.In this project, an 5m large-precision CNC machine tool for milling gears will be taken as an example, and the research of this project will be useful to evaluate the dynamic performance stability of large-precision CNC machine tools accurately.

本项目围绕复杂动态工况下大型精密数控机床动态弹性变形行为机理和大型精密数控机床大位移运动中动刚度空间变化规律这两个关键科学问题展开研究。通过构建机器视觉与加速度计结合的混合测量系统，准确测量大型精密数控机床的动态弹性变形行为信息，研究动态弹性变形行为的表征和参数辨识方法，在此基础上研究动态弹性变形对动态性能稳定性的影响；通过试验与仿真相结合的方法，提出移动接触刚度的数值计算模型，揭示大型精密数控机床大行程运动中刚度场随坐标移动而呈空间变化的规律，并耦合到整机动态性能分析中。项目以5m大型精密数控铣齿机床为研究对象，进行试验验证研究，从而实现对大型精密数控机床动态性能稳定性的准确评估。

国产大型数控机床发展较快，但在动态性能稳定性和动态精度控制方面一直难以突破。机床运行时的动态性能不稳定不仅直接影响机床的动态精度和工件的加工质量，还会导致生产效率下降、刀具磨损加剧。本项目主要突破动态性能研究仅限在频域内的局限，从时域和频域两个方面综合分析动态性能稳定性影响机理。. 首先研究了大型数控机床移动结合部的动刚度变化规律。通过将大型数控机床移动结合部由于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。考虑移动结合部往复运动产生的磨损对结合部微观形貌变化的影响，基于微观接触理论和变化的Archard磨损模型，建立各变形阶段微凸体的平均接触刚度模型，进而估算整个移动结合部的动态接触刚度。针对在大型数控机床中广泛使用的金属-塑料移动结合部的非线性特征，应用子结构非线性响应耦合方法分析移动结合部非线性的影响，发现在移动结合部非线性的影响下，机床结构的动柔度随着外部激励的增大反而减小，有利于大型数控机床进行重载切削加工；但移动结合部的非线性也使得机床结构的动态响应具有一定的不确定性，系统的共振频率也随着外部激励的变化而改变，不利于系统的稳定性控制。. 然后研究了大型数控转台机电特性对机床动态性能的影响。以3.5米大型数控转台为对象，提出了大型数控转台复杂传动链的详细建模方法和参数确定方法。通过对数控转台转速的动态响应分析，发现数控转台传动链的柔性迟滞了转台的转速响应，同时发现库仑摩擦有利于迅速衰减转台转速响应的振动。通过传动链的模态灵敏度分析，发现电机轴的转动惯量和蜗杆轴的扭转刚度对数控转台传动链的固有频率影响最大。. 接着研究了数控双转台对大型数控机床空间误差的影响。基于一个空间圆弧变换，提出了数控双转台伺服误差的计算方法；基于齐次变换矩阵，提出了数控双转台的几何误差计算方法；并设计了一种倾斜圆锥台的试件来加工检测上述计算模型，结果表明本研究提出的误差计算方法可行，试件模型结构合理。. 最后研究了大型数控机床动态性能评价。项目分析并界定了与大型数控机床动态性能相关的因素，提出了大型数控机床动态性能综合评价体系框架以及多个评价指标，并基于模糊综合评价方法，建立了一套大型数控机床动态性能综合评价方法，从而为全面评价大型数控机床的重要性能提供了一个合理可靠的重要补充。