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数控机床为国家装备制造行业和国防工业技术的基础,建立准确的机床整机计算模型是提高我国高档数控机床数字化设计水平的一个重要基础和前提。而要建立准确的机床整机计算模型,必须要建立准确的结合面模型,这其中包括结合面等效模型的建立及结合面参数的精确识别。本文研究的目的在于识别机床运动结合面,包括滑动导轨结合面和滚珠丝杠螺母副结合面的动态特性参数,建立准确的机床整机计算模型,并分析结合面对整机性能的影响,进而对各结合面刚度进行灵敏度分析,找到对整机性能影响较大的结合面,为后续优化提供依据。 以下是本文的主要工作和研究成果: (1)基于MATLAB与ANSYS联合优化,采用遗传算法,以结合面参数为设计变量,有限元仿真和模态试验获得的模态参数误差最小为目标函数,完成了机床滑动导轨结合面的参数识别。将识别得到的参数代入滑动导轨有限元模型中,进行约束模态分析,与模态试验的结果作对比,固有频率的最大误差在10%以内,振型一致,阻尼比的最大误差在15%以内,从而验证了结合面参数识别的准确性。 (2)采用试验模态法识别滚珠丝杠螺母副结合面动态特性参数,首先建立滚珠丝杠螺母副轴向单自由度系统模型,进行模态测试,基于分量分析法识别结合面的刚度和阻尼。然后基于弹性力学中的Hertz接触理论建立滚珠丝杠副的理论模型,并分析滚珠丝杠副轴向接触刚度的影响因素。 (3)将识别出的结合面动力学参数代入机床有限元模型中,进行静力学分析、模态分析和谐响应分析,与不考虑结合面的整机分析结果作对比,得出结合面对机床整机性能的影响规律;对不含刀架的机床进行频响函数测试,得到各低阶模态的固有频率,与有限元分析结果进行对比,误差在可接受范围,验证了本论文识别出的机床运动结合面参数的可靠性及机床模型的准确性。 (4)基于机床动态性能对各结合面刚度的灵敏度分析,总结出结合面刚度变化对整机动力学性能的影响规律;进而找到机床结构设计中的薄弱结合面,为后续整机优化提供依据。