（机械制造及其自动化专业论文）龙门加工中心横梁部件结构动力学建模及其颤振预测研究.pdf

摘要 摘要 现代制造业的快速发展给机床装备行业带来了前所未有的机遇和挑战。机床作为 工作“母 机，采用各种切削加工或成型加工方式生产机械零件。为了保证特定的加 工允差，机床的精度必须高于加工零件的精度，而机床的工作精度主要取决于机床结 构的动态性能。研究机床结构动态性能就必须对机床结构进行动力学分析，以往机床 结构的动力学分析主要采用对机床物理样机进行动态测试，以此获得结构的动态特性 参数，然后对数据进行处理来完成的。随着有限元理论的不断发展与完善，在虚拟环 境下建立机床结构动力学模型，并对机床结构进行动力学分析成为可能。本文结合 d f 5 0 2 0 高架桥式龙门加工中心横梁部件结构动力学分析，对横梁部件结合部动力学建 模以及动态特性参数进行针对性研究，在有限元环境下建立横梁部件结构动力学模型， 提出重载情况下的龙门加工中心横梁部件铣削颤振稳定性有限元方法的预测，本研究 工作对促进机床专业技术发展有一定现实意义。主要研究内容如下： ( 1 ) 本论文借助推力球轴承接触刚度的分析理论对横梁部件上的滚动导轨结合部 刚度进行计算，建立滚动导轨结合部动力学模型。通过模态试验识别滚动导轨结合部 刚度特性，验证了刚度理论计算方法的可行性。本论文还提出带预压力的滚珠丝杠结 合部刚度理论计算方法，同时建立滚珠丝杠结合部动力学模型。 ( 2 ) 本论文提出将p r o e 、w o r k b e n c h 与经典a n s y s 结合进行协同仿真，建立考 虑滚动导轨与滚珠丝杠结合部刚度的横梁部件的有限元模型，并进行较深入的分析研 究。 ( 3 ) 本论文将机床结构有限元分析与a l t i n t a s 铣削颤振解析预测理论结合起来， 提出在有限元虚拟样机环境下预测机床结构铣削颤振稳定性的方法，即机床结构铣削 颤振稳定性有限元方法的预测。 ( 4 ) 本论文利用相似性实验原理，设计龙门机床横梁部件实验台，验证本文理论 研究结果，为今后借鉴本论文提出的机床结构动力学建模以及颤振稳定性有限元方法 预测开展相关研究做好实验研究准备。 关键词：龙门加工中心，横梁部件，结构动力学，颤振预测，实验台 广东工业大学硕士学位论文 i i a b s t r a c t a b s t r a c t w i t h r a p i dd e v e l o p m e n t o fm o d e mm a n u f a c t u r i n g i n d u s t r y , i t h a s b r o u g h t u n p r e c e d e n t e do p p o r t u n i t i e sa n dc h a l l e n g e sf o rm a c h i n et o o l se q u i p m e n ti n d u s t r y m a c h i n e t o o l su s ev a r i o u sc u t t i n go rf o r m i n gw a yt op r o d u c em a c h i n e r yp a r t s i no r d e rt og u a r a n t e e t h ep r o c e s s i n go fa s p e c i f i ct o l e r a n c e ，m a c h i n et o o l sp r e c i s i o nm u s tb eh i g h e rt h a nt h e p r e c i s i o no fm a c h i n i n gp a r t s ，m a c h i n et o o l sa c c u r a c yd e p e n d sm a i n l yo nt h ed y n a m i c b e h a v i o ro fm a c h i n et o o ls t r u c t u r e t os t u d yd y n a m i cb e h a v i o ro fm a c h i n et o o ls t r u c t u r e m u s ta n a l y z ed y n a m i c so fm a c h i n et o o l ss t r u c t u r e s i nt h ep a s t , m a c h i n et o o l sp h y s i c a l p r o t o t y p ew a st e s t e dt og e tt h es t r u c t u r ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e rd a t a , a n dt h e n p r o c e s si tt oc o m p l e t ed y n a m i ca n a l y s i so f m a c h i n et o o ls t r u c t u r e b u t ，t o d a yd e v e l o p m e n t a n da p p l i c a t i o no ff i n i t ee l e m e n tt h e o r ym a k ei tr e a lt oe s t a b l i s hv i r t u a lp r o t o t y p eo fm a c h i n e t o o l s ，t h e ns i m u l a t et h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c si nav i r t u a le n v i r o n m e n t t h ed i s s e r t a t i o nc o m b i n e d 、析t hd e s i g no fd f 5 0 2 0g a n t r ym a c h i n i n gc e n t e rb e a m s c o m p o n e n t ss t r u c t u r e ，c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sa n dd y n a m i cm o d e lo fj o i nw a sf o c u s e d ， d y n a m i cm o d e lo fb e a mc o m p o n e n t ss t r u c t u r a lw a sb u i l ti nf i n i t ee l e m e n te n v i r o n m e n t ， u s i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o dt op r e d i c to nl o w - s p e e da n dh e a v ym i l l i n gc h a t t e rs t a b i l i t yf o r g a n t r ym a c h i n i n gc e n t e rb e a mc o m p o n e n t s t h er e s e a r c ht a k es o m ep r a c t i c a ls i g n i f i c a n c eo n p r o m o t i n gt h ed e v e l o p m e n to fm a c h i n et o o li n d u s t r y t h em a i nr e s e a r c hw o r k f a l l si n t ot h e f o l l o w i n gp o i n t s ： ( 1 ) l i n e a rg u i d a n c ej o i n ts t i f f n e s si sc a l c u l a t e dw i t ha n a l y s i st h e o r yo fc o n t a c ts t i f f n e s s o fb e a t i n gi nt h ed i s s e r t a t i o n ，a n dt h ed y n a m i c sm o d e lo fl i n e a rg u i d a n c ejo i n tw a s e s t a b l i s h e d i tu s e dt h em o d a li d e n t i f i c a t i o nm e t h o dt ot e s tt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r so ft h el i n e a rg u i d a n c ej o i n t ，a n dp r o v e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h e o r e t i c a lr i g i d i t y c a l c u l a t i o nm e t h o d s t h ed i s s e r t a t i o np r o p o s e sat h e o r e t i c a lm e t h o dt oc a l c u l a t es t i f f n e s so f b a l ls c r e wj o i n tw i t hp r e l o a da n dt h ed y n a m i cm o d e lo fb a l ls c r e wj o i n tw a se s t a b l i s h e d ( 2 ) t h ec o s i m u l a t i o nb a s e do np r o e ，w o r k b e n c ha n dc l a s s i ca n s y sp r o p o s e dt o o v e r c o m et h el i m i t a t i o nd u et ou s i n gs i n g l es i m u l a t i o np l a t f o r mi nt h ed i s s e r t a t i o n i tw a s i i i 广东工业大学硕士学位论文 e s t a b l i s h e dt h a tf i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h eb e a mc o m p o n e n t ss t r u c t u r ec o m b i n e dl i n e a r g u i d ea n db a l ls c r e wj o i n t sd y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s ，a n dc a r r yo u tm o r ei n - d e p t h s i m u l a t i o na n da n a l y s i s ( 3 ) t h ed i s s e r t a t i o nc o m b i n e df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm a c h i n et o o l s s t r u c t u r ea n d m i l l i n gc h a t t e ra n a l y t i c a lt h e o r yb a s e do nt h ea l t i n t a sa n d b u d a k sa p p r o a c h ，a n dp r o p o s e d p r e d i c t i o no nc h a t t e rs t a b i l i t yo fm a c h i n et o o l sb a s e do nf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，w ec a l l e d t h a tf i n i t ee l e m e n tp r e d i c t i o no nt h em a c h i n i n gs t a b i l i t yo fm a c h i n et o o l ss t r u c t u r e ( 4 ) t h ed i s s e r t a t i o nu s e ss i m i l a rp r i n c i p l e so fe x p e r i m e n t a lt od e s i g ns i m i l a r i t yg a n t r y m a c h i n et o o l sb e a mc o m p o n e n t st e s tp l a t f o r m i ti sp r e p a r e dt os t u d yr e l a t e de x p e r i m e n t a l w i t hd y n a m i cm o d e l i n gf o rm a c h i n et o o l ss t r u c t u r ea n dt h em e t h o df o rp r e d i c t i o no nc h a t t e r s t a b i l i t y k e yw o r d s ：g a n t r ym a c h i n i n gc e n t e r , b e a mc o m p o n e n t s ，s t r u c t u r ed y n a m i c s ，c h a t t e r s t a b i l i t y , t e s t i n gp l a t f o r m i v 广东工业大学硕士学位论文 c o n t e n t s a b s t r a c t ( c h i n e s e ) i a b s t r a c t i i i c o n t e n t s ( c h i n e s e ) v c o n t e n t s v i i i c h a p t e r li n t r o d u c t i o n 1 1 1r e s e a r c hb a c k g r o u n d 1 1 2s t r u c t u r ec h a r a c t e ro fh i g hb r i d g et y p eg a n t r ym a c h i n i n gc e n t e ra n db e a m c o m p o n e n t s 3 1 3r e c e n tr e s e a r c ho nd y n a m i c sm o d e l i n gf o rm a c h i n et o o l ss t r u c t u r ea n d p r e d i c t i o no f c h a t t e rs t a b i l i t y 4 1 3 1r e c e n tr e s e a r c ho nd y n a m i c sm o d e l i n gf o rm a c h i n et o o l ss t r u c t u r e 5 1 3 2r e c e n tr e s e a r c ho np r e d i c t i o no fc h a t t e rs t a b i l i t y 7 1 4r e s e a r c hp u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c e 9 1 5r e s e a r c hs o u r c ea n dc o n t e n t s 9 1 6s u m m a r y 11 c h a p t e r 2d y n a m i c sm o d e l i n gf o rj o i n t o nb e a m c o m p o n e n t s 1 2 2 1d y n a m i c sm o d e l i n gf o rj o i n to nl i n e a rg u i d e 1 2 2 1 1c h a r a c t e ro f j o i n to nl i n e a rg u i d e 1 2 2 1 2c a l c u l a t i o no f j o i n ts t i f f n e s so nl i n e a rg u i d e 1 4 2 1 3m o d a li d e n t i f i c a t i o nm e t h o df o rj o i n ts t i f f n e s sp a r a m e t e ro nl i n e a r g u i d e 1 6 2 2d y n a m i c sm o d e l i n gf o rj o i n to nb a l ls c r e wd r i v e s 2 1 2 2 1c h a r a c t e ro fj o i n to nb a l ls c r e wd r i v e s 2l 2 2 2c a l c u l a t i o no f j o i n ts t i f f n e s so nb a l ls c r e wd r i v e s 。2 3 2 3s u m m a r y 2 4 c h a p t e r 3f i n i t ee l e m e n tm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nf o rb e a mc o m p o n e n t s 2 5 v i i i o u n l e n i s 3 1c o s i m u l a t i o no fs t r u c t u r ed y n a m i c sb a s e do np r o e ，w o r k b e n c ha n da n s y s 2 5 3 2f i n i t ee l e m e n tm o d e l i n gf o rb e a mc o m p o n e n t ss t r u c t u r e 2 7 3 2 1s i m p l i f yt h el a r g ep a r tg e o m e t r ya n dm a t e r i a lp r o p e r t i e s 2 7 3 2 2f i n i t ee l e m e n tm e s hb a s e do nw 6 r k b e n c h 2 8 3 2 3f i n i t ee l e m e n tm e t h o df o rj o i n tb a s e da n s y s 2 9 3 3m o d a l a n a l y s i sf o rb e a mc o m p o n e n t s 一3 2 3 3 1p r o c e s so f m o d a la n a l y s i s 一3 3 3 3 2r e s u l to f m o d a l a n a l y s i s 3 3 3 4e f f e c to fr i g i dc o n n e c t i o nf o rj o i n to nd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fb e a m c o m p o n e n t s 3 6 3 5h a r m o n i ca n a l y s i sf o rb e a mc o m p o n e n t s 3 9 3 5 1c a l c u l a t i o nf o rm i l l i n gc u t t i n gf o r c e 4 0 3 5 2p r o c e s so f h a r m o n i ca n a l y s i s 4 0 3 5 3r e s u l to f h a r m o n i ca n a l y s i s 4 1 3 6e f f e c to fp r e l o a do f l i n e a rg u i d e so nd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fb e a m c o m p o n e n t s 4 3 3 7s u m m a r y 4 6 c h a p t e r 4 f i n i t ee l e m e n tp r e d i c t i o no nt h em a c h i n i n gs t a b i l i t yo fb e a m c o m p o n e n t ss t r u c t u r e 4 7 4 1t h ea c t u a lw o r k i n gc o n d i t i o no fb e a mc o m p o n e n t ss t r u c t u r ew h e nm i l l i n g s t a b i l i t yw a sp r e d i c t i o n 4 7 4 2a n a l y t i c a lp r e d i c t i o no fc h a t t e rs t a b i l i t yi nm i l l i n g 4 8 4 2 1m o d e l i n go f t h ed y n a m i cm i l l i n gs y s t e m 4 8 4 2 2s t a b i l i t ya n a l y s i so fd y n a m i cm i l l i n g 。51 4 3f i n i t ee l e m e n tp r e d i c t i o no nt h em a c h i n i n gc h a t t e rs t a b i l i t y 5 3 4 3 1 s t a b i l i t yl o b e sd i a g r a mo ft h eb e a mc o m p o n e n t sw h i c hw a sq u i p p e d 、i 也l o wp r e l o a d e dl i n e a rg u i d a n c e 5 3 4 3 1 s t a b i l i t yl o b e sd i a g r a mo ft h eb e a mc o m p o n e n t sw 1 1 i c hw a sq u i p p e d w i t hh i g hp r e l o a d e dl i n e a rg u i d a n c e 。5 5 i x 广东工业大学硕士学位论文 4 4s u m m a r y 5 7 c h a p t e r 5d e s i g nf o rs i m i l a r i t ym o d e lt e s tp l a t f o r mo fb e a mc o m p o n e n t sa n d p r e d i c t i o no nm i l l i n gs t a b i l i 锣o fi t 5 8 5 1d e s i g np r i n c i p l e sf o rm a c h i n et o o l ss t r u c t u r es i m i l a r i t ym o d e lt e s tp l a t f o r m ! ；8 5 2d e s i g nf o rm a i ns t r u c t u r eo fp l a t f o r m 5 9 1 ；3d e s i g nf o rm e c h a n i c a la n de l e c t r i c a ld r i v es y s t e m 6 1 5 3 1b a l ls c r e ws e l e c t i o n 。6 2 5 3 2c a l c u l a t i o no fm o t o rs i z i n gs e l e c t i o n 6 4 5 4m o d a la n dh a r m o n i ca n a l y s i sf o rp l a t f o r i l l 6 7 5 5p r e d i c t i o no nm i l l i n gs t a b i l i t yo f t e s t i n gp l a t f o r m 7 0 5 6s u m m a r y 7 1 c o n c l u t i o n 7 2 r e f e r e n c e s 7 4 t h ep a p e r sp u b l i s h e dd u i u n gs t u d y i n gp e i u o d 7 8 p r o m e c h e a nd e c l a r a t l o n 7 9 a c k n o w l e d g e m e n t s 8 0 x 第一章绪论 1 1 论文研究背景 第一章绪论 机床作为工作“母”机，采用各种加工或成型方式生产机械零件。为了保证特定 的加工允差，机床的精度必须高于加工零件的精度，而机床的精度主要受机床结构动 态性能的影响。现代制造业的快速发展对机床结构的动态特性提出了更高的要求，具 体体现在以下几个方面： ( 1 ) 为了保证精密加工工件的高精度要求，必须要求机床结构具有非常高的静态 及其动态刚度性能； ( 2 ) 通过高动态性能伺服驱动实现高精度定位与快速移动，减少工件加工时间； ( 3 ) 切削加工时刀具轨迹较小的偏置量幢，。 以往，在机床结构的设计阶段，通常借鉴曾经生产制造过的相关机床，或者比较 别人的相关技术来进行，有时也采用测试已经生产出来的机床物理样机性能的方法来 衡量设计出来的机床动态性能是否达到所预定的指标。然而这些过程都存在不同程度 的缺点，例如成本高，周期性长，准确度低等，已成为制约我国现代机床发展的瓶颈。 现在，随着有限元技术的不断发展与完善，机床制造厂商已经可以不需要花费大量的 时间与制造费用，来对机床物理样机进行制造与测试。在设计过程当中，应用计算机 仿真技术建立模拟实际工况的机床结构动力学模型，进行机床结构动力学分析以识别 出其薄弱环节，并预测其切削加工稳定性能，从而达到改进与优化机床结构设计以及 机床加工工艺参数的目的。 机床结构动力学分析就是在已知机床结构外部激振力以及机床实际工况的基础 上，建立机床结构动力学模型，然后对机床结构的动态特性进行分析与研究。具体说， 机床结构动力学分析过程包括三个方面： 第一，机床结构动力学建模。机床结构的动力学模型是进行机床结构动力学分析 的基础，而其中的结合部动力学建模是关键，只有建立起既能确切代表机床结构实际 工况，又便于计算分析的动力学模型，才有可能对机床的动态性能进行详细的计算研 究； 1 广东工业大学硕士学位论丈 第二，固有特性与动态响应分析。对于机床结构来说，其固有特性包括各阶固有 频率，模态振型和阻尼等。对机床结构进行模态分析，是为了避开机床在切削时的共 振点；而机床结构动态响应分析是指机床在某个特定方向上的激振可能会引起过大的 动态位移，从而影响机床切削时的加工质量，因此，对机床结构在不同的激振力下进 行计算分析，就是为了将其动态响应控制在一定的范围之内。所以机床结构固有特性 与动态响应分析是机床动力学分析的主要内容与途径； 第三，切削颤振稳定性分析，机床在一定的切削条件下，可能会产生切削颤振， 对机床的加工的工件质量造成了极大的危害，机床颤振稳定性分析的目的就是预测发 生切削颤振的临界条件，优化机床加工工艺参数，从而保证机床能在充分发挥其性能 的条件下工作而不出现颤振，这是机床结构动力学分析的目的扭，。 由此可以得出这样的结论，机床结构动力学建模是进行机床结构动力学分析的前 提条件，固有特性与动态响应分析是主要内容与途径，颤振稳定性预测是最终目的， 如图1 1 所示。 图1 1 机床结构动力学分析过程 f i g 1 - 1p r o c e s so fd y n a m i ca n a l y s i so fm a c h i n et o o l ss t r u c t u r e 本文结合d f 5 0 2 0 高架桥式龙门加工中心横梁部件结构的动力学分析，采用有限元 方法综合考虑横梁部件结合部动态参数特性的机床结构动力学模型，对重载情况下的 龙门加工中心横梁部件切削颤振稳定性进行预测。 圈上 第一章绪论 1 2 高架桥式龙门加工中心及其横梁部件结构特点 传统龙门机床工作台质量大，加工对象通常是大重型零件，难以实现速度高，加 速度大的进给加工要求。高架桥式龙门加工中心将横梁、滑鞍，主轴箱等零部件( 以 下简称横梁部件) 从整个龙门架中分离出来，其中工作台，工件、立柱以及纵梁均固 定不动；该加工中心采用的是双墙式侧梁结构来支撑横梁，横梁沿侧梁导轨纵向进给， 由于移动横梁部件质量更轻，有利于提高机床的进给速度n ，。因此，高架桥式龙门加工 中心成为解决大重型工件加工，实现高速迸给加工的重要解决方案。 本论文研究的d f 5 0 2 0 龙门加工中心结构( 如图1 2 所示) 其工作台、工件均保持 静止， 1 、立柱2 、侧梁3 、溜板4 、横梁5 、滑鞍6 、电机座7 、主轴箱8 、主轴9 、床身1 0 、工作台 图1 - 2d f 5 0 2 0 高架桥式龙门加工中心结构 f i g 1 2s t r u c t u r eo fd f 5 0 2 0h i g hb r i d g et y p eg a n t r ym a c h i n i n gc e n t e r 两侧分别采用三个立柱、两个侧梁结构支撑横梁，横梁在侧梁导轨的支撑下沿导轨纵 向进给，由于横梁部件结构更轻，可以获得较高的进给速度、加速度特性；滑鞍在横 梁上沿导轨方向左右滑动，主轴箱在竖直方向上下移动，利用液压装置平衡主轴箱的 重力，进给传动机构采用滚珠丝杠传动，进给直线运动副采用滚动导轨联接；主轴箱 广东工业大学硕士学位论文 底端配置电主轴畸，。龙门加工中心横梁进给运动方向为x 轴方向；滑鞍沿横梁y 轴方 向进给运动；主轴箱沿滑鞍z 轴方向进给运动，即垂直工作台的方向为机床z 轴方向。 高架桥式龙门加工中心的横梁部件( 如图1 3 所示) 主要包括横梁、滑鞍、主轴 箱、主轴等，其自重较大，结构较长，主轴箱工作时上下移动，对横梁形成集中载荷。 图l - 3 横梁部件结构不意图 f i g 1 - 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f b e a mc o m p o n e n t ss t r u c t u r e 为了在加工过程中实现快速、精确移动，横梁部件在受到内外部激励( 如复杂切削力 以及加减速惯性力) 的作用情况下，必须有良好的动态性能。因此，进行该加工中心 结构动力学分析时，横梁部件属于较薄弱环节，其动态特性是重点关注的问题，本论 文将横梁部件从整个龙门加工中心抽象出来进行单独的动力学分析显得尤为重要。 1 3 机床结构动力学建模与切削颤振稳定性预测国内外研究现状 德国a a c h e n 工业大学著名机床研究权威m w e c k 教授曾明确指出：“为了鉴定和 评价机床的全部重要性能，重要客观地检测与表现这些性能的方法。对于切削机床而 言，除几何学、运动学、热学、与声学等方面的性能之外，特别值得注意的是机床切 削点的柔度频率特性( 狭义而言，就是再生颤振倾向) 尤为重要埔，。 由此而言，对于 高架桥式龙门加工中心，其移动横梁部件集中了切削加工的三个进给方向，呈简支梁 结构布置的横梁部件结构在运动惯性力和切削力的作用下，将会吸取振动的能量，产 第一章绪论 生振动的可能，因此研究横梁部件整体结构的动态性能，归根结底是为研究其切削点 的颤振稳定性。 研究机床结构切削部位的柔度频率特性，一般的方法是在物理样机制造出来之后， 对刀具部位采用试验激振测试的方法进行的。目前，现代制造业竞争的日趋激烈，机 床制造商都在寻找一种以最低的成本而获得高效益的途径。有限元技术的发展给机床 行业带来了新的发展机遇和挑战。本论文采用有限元方法建立机床结构动力学模型， 并在有限元环境下，完成对机床切削部位的动态柔度特性的测试，以此预测出机床的 颤振倾向。即本文所提出的机床结构铣削颤振稳定性有限元方法的预测。为了能在虚 拟环境下预测颤振倾向，首先能够较准确地建立以便仿真计算的机床动力学模型，然 后再利用机床结构固有特性以及刀具部位动态响应结果，结合a l t i n t a s 等人提出的两自 由度铣削颤振解析预测理论对横梁部件结构进行颤振稳定性预测。 1 3 1 机床结构动力学建模国内外研究现状 机床结构动力学模型最常见的有：集中参数模型、分布质量梁模型和有限元模型 三种陋，。有限元方法在近三十年来得到了长足的发展，市场上已经出现了许多成熟的分 析软件，目前较流行的有a n s y s ，n a s t r a n ，m a r c ，a b a q u s ，h y p e r w o r k 等商业软件。它 们已成功的被应用于航空，汽车，机床等大型结构的动态分析。本论文是采用有限元 方法对机床结构进行动力学建模。对于机床这种复杂大型结构来说，它是由许多零部 件通过不同种类的结合部联接而成，零部件之间相互结合的部位称为“结合部 。机床 上的结合部分为固定结合部与可动结合部两种，固定结合部起固定联接作用，例如最 为普遍的螺栓联接、锥度配合、压配合等，而可动结合部通常是实现零部件之间的传 动联接，例如滚动导轨结合，轴和轴承的结合，丝杠与螺母的结合等。理论与实验分 析表明，零部件与零部件联接处的结合条件对结构的动力学分析计算精度影响很大， 例如，一些学者估计，一台机床9 0 以上的阻尼与5 5 的动柔度都来自于结合部，所 以建立一个较精确的结构动力学模型，进行结构的动力学分析计算，就必须较准确地 对结合部进行动力学建模一，。而在龙门加工中心横梁部件结构中最主要的结合部是滚动 导轨与滚珠丝杠这两种可动结合部，螺栓联接的固定结合部，而其中两种可动结合部 相对于固定结合部属于刚度偏低的薄弱环节，因此对这两种可动结合部的动力学建模 是建立整机结构动力学模型的前提条件。 广东工业大学硕士学住论文 ( 1 ) 滚动导轨结合部动力学建模。 东南大学张建润、倪向阳、郑佳明等人认为滚动导轨可近似为单自由度系统，采 用模态实验识别出滑块两个方向上的结合部参数，然后将其应用于整机有限元建模以 确保建模精度哺儿们n ”。 华中科技大学毛宽民等人提出一种具有通用性的结合部单元，该单元考虑滚动导 轨五种模态振型，采用自定义的刚度与阻尼系数矩阵，建立相应的结合部有限元模型，。 东北大学李景奎，蔡光起，刘阳等人采用滚动导轨静刚度实验确定垂直与切向静 刚度值；然后将滚动导轨简化为单自由度系统，通过稳态正弦激励动态实验，根据半 功率法获取峰值响应下的阻尼特性参数，并以此作为滚动导轨结合部有限元模型中的 弹簧阻尼单元的参数，从而建立滚动导轨结合部动力学模型n 铂n ”。 台湾中兴大学c h a n g 和w u 认为滚动导轨结合部是面与面之间的接触方式，引入 了零厚度接触单元对滚动导轨结合部建模n “。勤益科技大学j u ip i nh u n g 等人忽略滚珠 的质量，将滚动导轨中的单个滚珠简化为弹簧，利用赫兹接触理论计算出单个滚珠的 法向接触刚度值，并以此作为弹簧刚度n ”。 日本长冈技术科技大学h o h t a 等人对滚珠导轨结合部建模成滚动沟槽之间的点 接触方式的质量弹簧有限元模型，每一个滚珠用等质量点代替，质量点通过两个弹簧 单元分别与滑块、导轨相连接，弹簧刚度值通过理论计算得出n ”。 ( 2 ) 滚珠丝杠结合部动力学建模。 东南大学程序等人运用机械阻抗凝聚法与子结构综合法，且对丝杠与螺母之间用 若干个粘弹质量单元组成，其列数等于滚珠圈数，建立了滚珠丝杠结合部动力学模型，。 蒋书运利用带刚度的弹簧单元代替整个滚珠丝杠副，建立了带滚珠丝杠副轴向刚度的 有限元整机模型，但忽略对滚珠丝杠副的物理建模n “。 台湾工业技术研究院c h i n gy u a nl i n 等人建立带径向刚度的滚珠丝杠结合部有限 元模型，尽管没有忽略滚珠丝杠的物理模型，但是却没有考虑丝杠与螺母之间的轴向 接触刚度n 。 德国m i i n c h e n 工业大学m f z a e h 等人对丝杠用梁单元进行建模，以质量节点代 替螺母，以弹簧刚度矩阵对螺母与丝杠节点之间的接触进行模拟，建立滚珠丝杠的有 限元模型啪，整个建模过程比较复杂。本论文提出对丝杠进行有限元实体单元建模，以 提高建模精度，且建立一种考虑径向与轴向接触刚度滚珠丝杠结合部动力学模型。 第一章绪论 1 3 2 机床切削颤振稳定性预测国内外研究现状 在切削加工时，工件与刀具之间产生了自激振动，加工就不能继续下去，即使进 行下去，也不能得到良好的加工质量，这种在金属切削过程中的自激振动叫做颤振乜”。 切削颤振问题是机床在切削加工过程中所面临的最难解决的问题，一般颤振分为三类， 第一类为摩擦型颤振，第二类为振型耦合颤振，第三类是再生型颤振陋，。研究表明，再 生颤振是实际切削中最常见的颤振型式，它是由于刀具在切削前一次或者前一刀齿程 所遗留的振纹表面时，切削力与机床一工件系统所构成的闭环回路系统发生不稳定的现 象。本文主要针对铣削时再生颤振进行研究。 有关铣削再生颤振问题的研究，除了一般再生颤振的时间延迟问题外，最困难的 问题在于铣削系统是一个周期性时变系统，这个是乃奎斯特准则无法处理的。为了简 化再生颤振问题，一般假设铣刀为直刃铣刀，且总切削力的方向与切削表面的垂直方 向之间的夹角为固定值，。 1 9 5 8 年，英国b i r m i n g h a m 大学t o b