开题报告（高速精密冲床动态精度保障的关键技术研究）

1、一、拟选定学位论文的题目名称高速精密冲床动态精度保障的关键技术研究二、选题的科学意义和应用前景1.科学意义近几年来，由于ei零件、精密电子、通讯器材、电机等产业迅猛发展，用户对高速精 密机床的需求日益增长。与普通压力机相比，高速精密冲床具有生产率提高、冲压车间面积 较小、冲压件剪切面质量较高、模具寿命较长等优点。数控高速精密冲床集机床制造技术、 高速精密冲压工艺与模具技术、自动控制技术、可靠性技术等关键技术为一体，具备自动、 高速、精密三个基木特征，可完成板料的口动输送和板料的高效率精密加工。按床身结构可 分类，高速精密冲床分为开式、闭式和四柱式三种。其中，闭式双点结构由于刚性好、抗偏 载能力

2、强、精度高、工作台面大、加工范围广，己成为国际公认的高速冲床最佳结构，代表 了高速精密冲床发展的水平和方向。r nif,高速精密冲床技术主要被瑞士 bruderer公司、口本aida公司、koyri公司、yamada dobby公司和isis公司，美国minster公司，徳国raster公司等所掌握，产品性能己达到 了相当高的水平。如口木kyori公司生产的mach系列超高速精密冲床、瑞士 bruderer公司 800kn冲床可达到looomin-1，冲床卜死点位置精度均可控制在土0.01mm。国内高速精密冲床起始于济南铸造锻压机械研究所“六五”期间承担的原机械部“60 吨闭式高速精密冲床研制

3、”，随后扬州锻压、通辽锻压等企业相继开发了开式、闭式、单点、 双点等各种高速精密冲床，高速精密冲床科研成果的不断推出，大部分厂家都是生产开式床 身600kn以下高速冲床，对大吨位、高速度的高速精密冲床的研究和产品开发相对滞后。冲床动态精度是高速精密数控冲床关键的性能指标，国家标准中没有相应条款，但在设 备使用过程中却是十分关键的技术数据。动态精度关系到加工件的精度和模具寿命，是评定 产品技术水平、制造水平的一项重要指标。一般而言，零件成形的精度越高，对冲床动态精 度的要求也就越高。影响冲床动态精度的因素有很多，如惯性力和反冲压力引起的主传动系 统的变形，设备运行中产生的热变形，导向变形以及运动

4、副间隙等。保障冲床动态精度是研制高速精密数控冲床的一个很重要的关键技术。本课题高速精 密冲床动态精度保障的关键技术研究止是在这中背景下提出的。针对影响高速精密冲床动 态精度的主要因素惯性力和热变形，结合扬州锻压机床有限公司屮报的800min 800rn闭 式数控高速精密冲床进行深入研究。通过减小冲床惯性力的动平衡技术研究，对冲床动平衡 结构进行设计并进行相应的数值仿真和参数优化；通过对冲床热变形机理的数值仿真、热关 键点的优化选择、冲床发热与动态精度关系的数学建模以及热平衡控制技术研究，探讨冲床 热变形对动态精度的影响规律，并给出相应的改善措施。本课题的研究对提高我国高速精密 冲床的设计和制造

5、将有着十分明显的意义，具有重要的研究价值和意义。2.应用前景高速精密冲床（包插成形加工和冲压加工）是近年来开发出来的新型冲压设备，已广泛 应用于家电、电器、电子、通讯、计算机及汽车等行业。闭式双点高速精密冲床代表了目前 高速精密冲床的发展方向。国外工业化水平较高，因而其电子、通讯、计算机、家电及汽车等工业部门，无论在功 能性冲压件还是在外观性冲压件的加工方面，在大量采用高速精密冲压设备的基础上，形成 了一股伺服化的潮流，止在加快用伺服电机作为冲床动力源的数控高速精密冲压设备的开发 应用，其中高速精密冲床的应用比例已接近20%。国内，各类高速精密冲床已广泛应用于家电、电器、电子、通讯、计算机及汽

6、车等领域, 加工各种大批量、标准化、系列化薄板精密零部件。如：屮小型电机的定转子（硅钢片）、 变压器硅钢片、剃须刀、电器接插件、ic引线框架等。但是还缺少主要用于大规模、极大规 模集成电路引线框架，特别是256支以上多脚框架和超窄间距连接线等高精度零件的高速精 密冲压设备，严重的制约了我国电子、通信行业的发展速度。本课题的研究将解决800min-k 800kn高速精密冲床动态精度问题，将从根本上保证以集成电路引线框架为代表的各类精密 器件的加工精度，改变精密冲压设备依赖于进口的状态，提升国内整个行业的技术水平。三、背景科研项目情况简介本选题依托于扬州锻压机床集团有限公司、济南铸造锻压机械研究所

7、、南京理工大学、 南京长江电子信息产业集团有限公司联合申报的“高档数控机床与基础制造装备”科技重大 专项项目：数控高速精密冲床扬州锻压机床集团有限公司是国内最早开展高速精密冲床研究的单位z-，是国内高速 精密冲床制造行业内的排头兵，产品覆盖250-3000kn各类型号的高速精密单、双点冲床。其 中j76-80型800kn闭式双点精密数控冲床冲程次数已达600minl； j76-300型3000kn闭式双点 高速精密冲床冲程次数已达400mi，是口前国内最高冲程次数的闭式双点数控高速精密冲 床；yiit-300型3000k,闭式三点数控高速精密冲床是ft前国内吨位最大、技术最先进的高速 冲床，该

8、三点冲床经江苏省科技厅组织鉴定为国内首创、国际领先产品。南京理工大学项口攻关小组长期从事高速、精密数控冲压技术的研究与开发工作，在数 控高速精密冲床结构优化技术、高速送料技术、关键部件加工工艺技术以及冲床的远程故障 诊断与服务技术等方面进行了深入的研究。冃前团队承担了多项省部级科研项冃，在数控高 速精密冲压技术领域已申请5项发明专利，并在国内外核心期刊发表了20多篇高水平学术论 文。木项目的研究目标为通过对数控高速精密冲床高速卜振动、发热问题所需的运动系统动 平衡技术、热平衡技术等研究，研制出具有国际先进水平的800min 800kn数控高速精密 冲床，建立我国重载数控高速精密冲床研发制造基地

9、和应用示范基地，满足汽车、航空航天、 军工、信息、家电等领域急需。四、学位论文主要研究内容1 问题的提出冲床动态精度是高速精密数控冲床关键的性能指标，国家标准屮没有相应条款，但在设 备使用过程中却是十分关键的技术数据。动态精度关系到加工件的精度和模具寿命，是评定 产品技术水平、制造水平的一项重要指标，主要指滑块的下死点精度及水平方向精度。影响 冲床动态精度的因素有很多，如惯性力和反冲压力引起的主传动系统的变形，设备运行小产 生的热变形，导向变形以及运动副间隙等。对于后两种因素，可以通过提高冲床刚度以及关 键件的加工技术等加以改善，即通过提高冲床静态精度加以改善；并且工作过程中，冲压力 不可避免

10、。因此，控制冲床动态精度主要研究内容为冲床的动平衡和热变形问题。2. 主要研究目标开展对数控高速精密冲床高速状态下的振动、发热问题对冲床动态精度的影响研究。建 立一个惯性力作用下的冲床动态精度力学模型；建立一个估计冲床热误差的数学模型，并给 出相应的改善措施。3. 研究内容木课题围绕高速精密冲床的研发需求，分别对冲床在高速冲压状态下的振动和发热问题 进行深入研究。主耍研究内容包括以下几部分：1）惯性力与冲床动态精度间关系研究高速精密冲床的振动由激振力（动载荷）的大小决定，激振力主要由惯性力、冲裁力以 及离合器的结合、制动器制动时的冲击力等，其屮惯性力比其它力大得多，是冲床振动的主 要影响因素。

11、对于闭式双点高速冲床，由于关键件的加工及装配谋差，曲柄及滑块的惯性力 得不到完全的动平衡，部分惯性力作用于机身，引起机身的剧烈振动，从而使冲床的动态 精度下降，本课题将对以上因素对冲床动态精度的影响规律进行研究。研究内容：动平衡结构参数优化惯性力对冲床的作用力研究作用力与冲床动态精度关系研究2）高速精密冲床发热问题研究 热误并机理数值仿真研究热误差主要由冲床内部温度场分布的变化引起的。冲床热变形是导致热误差的直接原 因，机床内部的轴承、电机及导轨间的摩擦都会产牛大量的热量，使机床内部热平衡被打 破，不断变化的温度场引起机床内部产生热应力，致使机床部件只有通过变形來平衡热应 力的作用。热谋差机理

12、分析包括机床温度场和变形位移场两方面。机床部件的结构形状人 多都是不规则的，这使得内部传热变得极为复朵，用解析法求得机床温度场变化几乎是不 可能的。有限元法已广泛用于这种热结构耦合分析屮，在研究复朵高度非线性的机床热弹 性行为中正在发挥越來越重要的作用。研究内容：冲床建模及模型简化研究数值仿真边界条件简化研究材料热传导及热扩散系数的测定方法研究数值仿真后处理 热关键点的辨识问题研究对于任一具体机床而言，一定的温度场必对应一定的位移场，温度场的变化必导致位移 场的改变，然而，并不是机床上所有点（区域）的温度变化对机床热误差都有影响，而是部 分点（区域）的温度变化对机床热误差起着决定性的作用。在这

13、些点中，一部分点的温升将 对机床热误差影响较大，这些点就是影响机床热误差的关键点，它们的温度变化将反映热误 差的变化。这些点可作为机床热误差建模的温度监测和控制点。研究内容：冲床热源分布、热量传播、敏感部分的理论研究温度及热误差的测量技术研究及试验测量热关键点优化选择方法研究 热误差鲁棒性建模研究在建模方面热误差不同于几何误差，几何误差通常是位置相关的，而热误差常常只是温 度变量的函数，并且冲床部件的热弹性行为也与部件间的运动特点有很人差别。通常用的多 刚体系统动力学建模几何运动误差的方法不适用于热误差模型，冲床热误差在很人程度上取 决于诸如加工条件、加工周期、冷却液的使用以及周围环境等多种因

14、素，而且冲床热误差呈 现非线性及交互作用，所以仅用理论分析来精确建立热误差数学模型是相当困难的。最为常 用的热误差建模方法为实验建模法，即利用实验测得的热误差数据和冲床热关键点处温度值 进行拟合建模。研究内容：不同状态下的热关键点、热误差试验测量研究热误差鲁棒性试验建模研究 热平衡控制研究冲床热平衡过程是冲床工作过程屮一个重要现彖，对冲床加工精度有着重要的影响，合理控制这个过程，减少达到热平衡的时间，提高冲床热态几何精度，是精密冲床制造业的主 要研究难题。研究内容：冷却装置冋油路径设计冷却装置的冷却功率研究热平衡时间预测研究五、预期解决的主要问题（对每个预期解决的问题介绍英难点所在、国内外研究

15、的现状和趋势、解决 问题的基木思路和技术路线、预期解决到什么程度）1、在木学位论文中，拟解决以下关键技术问题：1）惯性力与冲床动态精度间关系研究高速精密冲床的振动和噪声的产生有两个主要原因，一是冋转部件和往复运动部件的动 平衡，主要包括曲轴回转、曲柄滑块机构的不平衡；另一个是冲压过程的冲击力。由于冲压 力不可避免，惯性力平衡就成为降低和减轻压力机的冲击振动噪声的主要途径。随着高速精 密冲床速度的提高，惯性力将急剧提高，如果冋转部件和往复运动部件不能达到动态平衡， 其惯性力的作用就变得相当明显，就会引起剧烈振动，滑块动态性能急剧恶化，轻者影响机 床的精度和模具的寿命，重者使机床无法正常工作。目前

16、国内外常用的动平衡方法有以下几种： 曲柄上反对称偏心块式该方法通过在曲轴偏心的相反方向设置偏心平衡块，该偏心平衡块主耍用来平衡曲柄连 杆部件所产生的旋转惯性力，是一种简单的不完全动平衡。 反方向配置副滑块平衡式该平衡方式是在与主滑块对称的180度位置上布置一个平衡副滑块以及曲柄连杆零件， 以抵消主滑块所产生的惯性力，这是一种较理想的不完全动平衡机构；但该平衡结构主、副 滑块作用机身导轨上的侧向力产生的力矩方向相同，彼此相互迭加加大了机身的倾覆扭转振 动。国内齐齐哈尔第二机床厂引进的舒勒公司sa系列、日本京利pda-v系列及住友公司的 高速压力机均采用这种平衡机构，取得了较好的平衡效果。 多杆配

17、重平衡机构式该平衡方式是设计特殊的滑块驱动装置，一般是多杆装置，其屮一些杆的运动趋势和滑 块的运动趋势相反，只要合理的配置这些杆的质量，就可以起到平衡惯性力的作用。台湾瑛 瑜精密工业股份有限公司的piricaiik-45二点式双肘节高速精密压力机就是采用该结构，由 于采用多杆传动机构，该压力机具有低速锻冲急回特性。缺点是结构比较复朵。 平衡摆块式这种平衡方式采用了平衡杠杆方式，杠杆的一端接在高速压力机驱动机构的往复运动的 较接点上，杠杆的另一端接固定-个一定重量的平衡摆块，杠杆的支点固定在机身上。工作 时，平衡摆块的摆动方向和滑块的运动方向相反,从而起到平衡惯性力的作用oschuler gmb

18、hl 公司的一款下传动高速压力机和日kurimoto公司、aida公司都有采用该种平衡方式的压力 机。对应的原理图如图1-图4所示：图1反对称偏心块式图1反方向上配置平衡滑块式图3 hk-45二点式双肘节平衡机构图图4平衡摆块式图6f本课题研究的800kn> 800次/min高速精密冲床初步确定采用闭式双点单曲柄连杆机构， 其结构图如图5所示，机构的惯性力主要为曲柄旋转运动产生的离心惯性力、滑块往复运动产 生的往复惯性力及连杆平而运动产生的惯性力，平衡方式采用反方向副滑块式。理论上该动 平衡结构对滑块竖直方向的惯性力平衡效果较好，水平方向平衡效果较差，主要原因为主、 副滑块对机身导轨上有

19、侧向力作用，侧向力方向相反，产生同方向的力矩相互迭加，使机身 的倾覆扭转振动加剧。由于工艺上的误差，副曲柄的质心与主曲柄的质心并不完全成180度反向，而是与180度 反向成一定的角度,如图6中的血、血所示,同时，两副曲柄的质心距中心轴的距离rl、r2以 及质量mk m2均冇可能不同，使两副曲柄的惯性力大小和方向不同。因此曲柄的惯性力达 不到完全的动平衡，将加剧机身的振动及对轴瓦的濟损。由于曲柄、连杆、滑块的加工误差，致使双点压力机的曲柄滑块长度不同，以及连杆与 滑块连接处结点产生偏差，导致滑块在运行屮产生倾斜，滑块的惯性力得不到完全的动平衡, 部分惯性力作用于机身，机身在惯性力及惯性力矩作用下

20、剧烈振动，冲床动态精度下降。冲床实际工作屮，由于加工需要，冲床模具可能远离滑块儿何屮心，造成滑块质心与儿 何屮心偏离，如图7所示，从而造成两连杆所承受的惯性力以及滑块对导轨的作用力不同， 并月对机身产生前后、左右方向上的惯性力矩，增加冲床振动，造成机床动态精度下降。本课题将综合分析以上各因索状态下，分析冲床所承受的惯性力及惯性力矩，运用传动 力学及振动知识，研究惯性力及惯性力矩与冲床动态精度z间的关系，并尝试建立惯性力与 冲床动态精度z间关系的数学模型。为各关键件的许用加工误差及模具的装配范围捉供理论 依据。2）热关键点的优化选择研究对于任一具体机床而言，一定的温度场必对应一定的位移场，温度场

21、的变化必导致位移 场的改变，然而，并不是机床上所有点（区域）的温度变化对机床热误差都有影响，而是部 分点（区域）的温度变化对机床热误差起着决定性的作用。在这些点中，一部分点的温升将 对机床热谋差影响较大，这些点就是影响机床热谋差的关键点，它们的温度变化将反映热误 差的变化。这些点可作为机床的温度监测和控制点。通过试验可知，各测温点温度变化就代表了该点附近一个小区域内温度变化的信息。只 要测温点位置和数量选择合理，这些测温点的温度变化也就代表了机床所考察区域温度场变 化的规律和特点。进而可根据所建立的测温点温度与机床热谋差的关系，来辨识齐测温点温 度变化对机床热误差的作用强度，作用强度大的点即为

22、机床热误差的温度监测点及控制源位 置选择的候选点。一般说来，机床上温度测点数越多，所建立的热谋差预测模型越精确，对热谋差的估计也 越精确.但过多的温度测点数会大大增加数据处理的工作量，同时也考虑到温度测量系统的 成本，有必耍对测温点进行优化运算和处理。测温点的优化行在保证热课弟模型精度的条件 下，以较少的测温点代替众多的测温点，以简化热谋差模型。对测温传感器布点位置优化， 目前国内外采用了以下几种方法： 试凑法它通常是先基于工程判断，在不同位置安装大量传感器，再釆用统计相关分析来选岀少 量的温度传感器用于误差分量的建模。试凑法导致大量的时间和传感器的浪费，i大i为这些浪 费的传感器并不用在最终

23、的谋差建模中。而且试验毕竟只能选择少数的可能测点进行，这样 很可能漏掉真正合适的关键点。 高斯积分法高斯积分是对机床温度场理论建模一种方法，通过构建机床温度场与热变形场的解析方 程并求解，以获得机床热变形模型，并可依据此模型进行后续热谋差补偿odebra a. krulewich 通过高斯积分法，对整个机床温度场进行分析，将温度传感器布置点作为高斯积分点,分布在 预先确定的温度场中。由于可以预先确定温度测点的数量和分布位置,所以避免了为获得机 床温度场所需的大量的测量时间。由于测温点即为方程的输入，因此，测温点的数量只与方程 的维数有关，即满足方程维数所需的测温点数，则模型得以构建，相对于其他

24、方法，试验所 需耍的测温点数显著减少并可预先获得。通过这种方法建立的热课弟补偿模型可以减少主轴 热变形课差。高斯积分法获得的模型是一个简单的理论线性模型，但实际数控机床热变形场 是一个多i大i素作用的非线性系统，理论模型与实际变形过程存在一定的偏差，故高斯积分法 具有很大的局限性。 热模态分析优化法热模态理论是将模态分析方法引入到机床热变形问题中。依据热模态与振动模态的相似 性，忽略量纲上的弟异，可以获得机床的热模态特性。根据热模态理论，运用热模态分析方法, 寻找热敏感度最高的几个点，作为温度传感器的优化布置点。运用热模态分析优化方法，在理论上得到了反复验证，但由于热模态概念并不具有宜观的物理

25、含义,热载荷很难用试验方法获取，因此，热模态分析法实施起來较为困难。 聚类与相关分析法聚类法以及相关分析法是近年来在数控机床热谋差建模屮的温度点优化选择屮使用最频 繁的方法。chihllao lo等在传统方法的基础上作了改进:运用了mallow的g统计分析法，建立 多个热谋茅分量的模型，将温度传感器分组搜索、寻优，利用相关性分组、典型变量搜索和分 组搜索等方法，达到优化温度测点分布的口的。最初在机床上共布置了80余个温度传感器， 但最终经分组选优后，对于主轴坐标系原点在x轴方向的热漂移，最终仅用4个。上海交通大学杨建国等采用基于聚类分析基木原理的变量选择方法，通过分析各变量z 间的相关性,并使

26、用一定的聚合方法将变量进行聚类。根据聚类结果选择一定变量后再利用 逐步冋归的方法进一步剔除冋归模型中不需要的温度变量,建立最优冋归模型。这两种方法 的结合抵消了聚类分析中不同聚合方法产生的结果茅异的影响，并且减少了逐步回归对变 量逐个判别的工作量，可以很方便地选择最少数量的温度变量，建立达到精度要求的模型。 对于变量筛选过程,聚类分析中的距离选择为相关系数，叮以得到变量间的相似矩阵。按照重 心法进行聚类，按相似系数将距离最近的变量合并为一类，再比较新类和剩卜类的相似关系， 选择距离最近的2个类继续合并，直到所有的变量都聚合为一类为止，以此实现温度变量的 优化选择。浙江大学傅建中等，采用主因素策

27、略以及互不相关策略对数控铳床上的14个测温点进行 了优化，最终选出了4个测温点进行热谋差补偿建模。天津大学张奕群等人也采用了模糊聚类 分析方法对机床热误差建模中的温度测点进行选择，并将其应用于立式三轴加工中心，有效 地减少了温度测点的数量。总的来说,通常使用三种方式来确定机床的热关键点：1）根据测量实验数据计算温度变化 和热变形位移，以及各测量位置温度变化之间的相关系数，去掉相关系数小的点;2）分析温度 变化曲线,剔除提供重复信息和处于不皱感位置的温度传感器的测量点;3）在建模预报过程 当小，循环计算,逐一减少测温点建模，找到最佳的测温点个数和位置。遗传算法的基本思想是在遗传计算过程中，适应度

28、较人的个体基因得到遗传，而适应度 较弟的个体基因会逐渐地消失。选择、交叉和变异，是遗传算法的3个主要操作算了,它们构 成了所谓的遗传操作，使遗传算法具有了其它传统方法所没有的特性。遗传算法小包含了如 下5个基本要素:参数编码、初始群体的设定、适应度函数的设定、遗传操作设计、控制参数 设定。这5个要素构成了遗传算法的核心内容。在可查阅的文献报道中,遗传算法并未在机床 热谋差辨识建模领域小的传感器优化问题小得到应用。理论证明，只要选择合适的适应度函 数，遗传算法可以引入到机床温度传感器优化布置领域，以改善其优化结果，作为机床热误差 建模温度传感器优化问题的一个研究方向。木课题将在数控精密机床热关键

29、点辨识研究的基 础上，尝试引入遗传算法对高速精密冲床热关键点辨识进行研究。3）热误差鲁棒性建模研究在建模方面热误差不同于几何误差，几何误差通常是位置相关的，而热误差常常只是温 度变量的函数，并且机床部件的热弹性行为也与部件间的运动特:点有很大差别。通常用的多 刚体系统动力学建模几何运动课差的方法不适用于热课差模型，机床热谋差在很大程度上取 决于诸如加工条件、加工周期、冷却液的使用以及周围坏境等多种因素，而ii机床热误差呈 现非线性及交互作用，所以仅用理论分析来精确建立热谋差数学模型是相当困难的。最为常 用的热误差建模方法为实验建模法，即利用实验测得的热谋差数据和机床温度值并用最小二 乘原理进行

30、拟合建模。近年來，神经网络理论、模糊系统理论等也已运用到热误差建模中。 常用的热谋差模型有多变量回归分析模型、神经网络模型、综合最小二乘建模法、止交试验 设计建模法、递推建模法等等。所有这些热误差模型对热误差补偿研究都起到了巨大的推动 作用，但它们自身也都有迄待解决的缺陷。有效防止机床热谋差的方法是可以在制造机床时使用像水泥混凝土和纤维强化塑料这样 的热不敏感材料，但这种方法的技术耍求和成本都相当高，不太适合当前的加工生产条件。 因而，在现有设备的基础上进行相应的热平衡控制成为非常有效的减小热误差的途径。但在 热平衡控制中，准确的热误差模型是控制机床反向误差的基础。现有的热误差数学模型鲁棒性较

31、小，一般随着季节的变化难以长期正确地预报热谋差； 另外，就相同类型、相同规格、相同坏境、相同工作状态的各机床，现有的方法热误差模型 差别较大，同时现有的热谋差模型主要是热谋差与温度场z间的关系。木课题将在热关键点 优化选择基础上，同时考虑温度采集系统的噪声极小化及环境变量影响极小化等相关因素， 采用多种方法进行热误差建模，并对各种建模方法预测精度、鲁棒性等进行比较，选择适合 冲床的热误差建模方法。4）热平衡控制研究冲床热平衡过程是冲床工作过程中一个重要现象，对冲床加工精度有着重要的影响，合 理控制这个过程，减少达到热平衡的时间，提高冲床热态儿何精度，是精密机床制造业的主 要研究难题。冲床热平衡

32、过程是一个比较缓慢的过程，一般需要若干小时，经过这样的一个过程，冲 床的温升逐渐趋于一个稳定值，其热变形也逐渐趋于一个近于稳定的数值。实验表明，冲床 上总有一些点的温度变化对冲床加工精度影响大，而另一些点的影响则相对小，同时，各点 达到热平衡的时间也不尽相同。一些点所需时间氏而另一些点所需时间短。影响冲床加工精 度大的点一旦达到了热平衡，冲床的热态儿何精度也就基本上达到了稳定值。即可以认此时 冲床基本上达到了热平衡状态。因此很有必要考察冲床上各点对冲床精度的影响程度及达到 热平衡的时间，以便进行控制，使冲床尽快达到热平衡状态。由于冲床热平衡过程一般需要 很长的时间，试验工作量很大，因此也就很有

33、必要根据一定时间内的实验数据确定冲床的热 平衡时间及各点热平衡温度时的温度值，从而节省试验时间。高速精密数控冲床在相对运动的摩擦面上存在着较大的相对速度，从而导致摩擦发热量 严重，这样势必加快零件的磨损，恶化冲床的精度，降低其使用寿命。为此在优化关键件的 结构，尽可能实现温度场分布均匀的基础上，减小热量产生及影响。因此，有效的润滑冷却 装置对高速精密冲床非常重要。冲床的发热功率很难进行估算研究，因此，热平衡的控制研 究主要针对冲床的冷却装置研究。现有的冷却装置只是对冲床的关键发热区域进行润滑冷 却，并没有考虑冷却对冲床的热动态特性的影响。本课题将在热关键点的辨识及热谋差建模研究的基础上，对冲床

34、的冷却装置进行研究， 以优化热关键点处的温度为目标，对冷却装置的冋油路径和各部件处的冷却功率进行设计和 优化研究，进而达到控制冲床热变形对动态精度的影响。在热关键点的检测f,木课题同时 对冲床的热平衡时间预测加以研究。2、技术路线：六、学位论文预期的创新点1、建立力与冲床动态精度关系的数学模型综合分析各因素影响下冲床所承受的惯性力及惯性力矩情况，运用传动力学及振动知识, 研究惯性力及惯性力矩与冲床动态精度z间的关系，建立惯性力与冲床动态精度z间关系的 数学模型。该模型可以为各关键件的许用加工谋差及模具的装配范围提供理论依据。2、基于遗传算法的热关键点优化理论证明，只要选择合适的适应度函数,遗传

35、算法可以引入到机床温度传感器优化布置领 域，以改善其优化结果，作为机床热谋差建模温度传感器优化问题的一个研究方向。本课题将 在数控精密机床热关键点辨识研究的基础上，尝试引入遗传算法对高速精密冲床热关键点辨 识进行研究。3、基于冷却装置设计与控制的热转移现有的冷却装置只是对冲床的关键发热区域进行润滑冷却，并没有考虑冷却对冲床的热 动态特性的影响。木课题将在热关键点的辨识及热谋茅建模研究的基础上，对冲床的冷却装 置进行研究。以优化热关键点处的温度为口标，通过对冷却装置的回油路径和各部件处的冷 却功率进行设计和优化研究，进而达到控制冲床热变形对动态精度的影响。七、开题条件(包括学术条件、设备条件、经

36、费概算及其落实情况)1、学术条件长期以来，课题组与扬州锻圧机床集团有限公司保持着密切的科研合作关系，在压力机 结构优化技术、高速卷料技术、关键部件加工工艺技术以及压力机的远程故障诊断技术等方 面的研究比较深入，对高速精密冲床的原理、结构、工艺非常了解，具有比较明显的优势。 课题组教师团队专业结构合理，由机械设计、机械制造及自动化、机电控制等不同专业领域 的骨干教师构成，具有较强的学术水平和指导能力。近年來在压力机设备方面主耍完成的省部级高水平科研项目有：网络化智能型数控精密成形压力机设计与开发数控高速精密冲压自动化成套装备(江苏省科技成果转化项目)数控高性能深拉深液压机开发及产业化(江苏省科技

37、攻关项目)在学术成果方面，课题组近年来已发表了 20多篇高水平学术论文，并已申请5项发明专 利，拥有开展本课题研究良好的理论基础与学术条件。近年來在该领域积累的学术成果主要 如下：论文发表情况：王尚斌，孙宁，张庆飞，某5000 kn机械压力机机身有限元分析，锻压技术，2009. 34(2).曾梁彬、孙宇、彭斌彬，并联式液压压力机结构的奇杲位形和精度分析，机械科学与技术，已录 用.彭斌彬、曾梁彬、孙宇，基于并联结构的新型液压压力机，锻压技术，2008. 33(5).费月半巍、孙宇，forecasting dissolved gases content in power transformer o

38、il based on support vector machine with genetic algorithm, electric power systems research, 2008,78(3). 张晓斌、孙宁,modelization and simulation of sheet forming process closed-loop control system based on time series analysis theory, international conference on mechanical engineering and mechanics, 2007

39、nov.05, wuxi. 樊纟梅、孙宁，research on fractional order controller in servo press control system, ieee international conference on mechatronics and automationt 2007 aug.5, harbin 樊红梅、孙宇，research on the control system of servo press, international technology and innovation conference, 2006 nov.6, hangzhou.

40、 张晓斌、孙宇，numerical simulation with element-free method based on the wavelet basis function in the sheet metal forming, international technology and innovation conference, 2006 nov.6, hangzhou.张晓斌、孙宇、樊红梅、贾鲁宁，板料成形压边力控制技术研究现状及发展趋势，锻压技术，2007. 32 (6).张晓斌、孙宇、代珊，基于径向神经网络杯形件拉深成形变圧边力预测技术研究，机械设计，2007. 24 (8).樊

41、红梅、孙宁、李林，伺服电机直接驱动的压力机控制系统研究，锻压技术，2007. 32(4).专利申请情况：孙宇，彭斌彬，曾梁彬，黄晓华.多连杆液压压力机.发明专利公开号：cn101239505a, 2008. 8. 13. 彭斌彬，孙宇，曾梁彬,陈小岗伺服压力机发明专利申请号:200910028137. 7, 2009. 1.16.彭斌彬，孙宇等，二自由度平移运动机构,发明专利公开号:cn101224578a, 2008. 7. 23.彭斌彬，孙宇等，转动副驱动的二自由度高速平移运动并联机器人机构，发明专利公开号： cn101224577a, 200& 7.23.王拴虎，孙宇等，弹性元件

42、卸荷的压力机移动工作台，发明专利公开号：cn101244638a, 2008. 8. 20.2、设备条件南京理工大学机械工程学院拥有国防柔性制造重点实验室和与制造业相关的校“211”重 点建设的机电实验中心、机器人工程中心、网络实验室、管理信息系统实验室等。配备有较 为齐全的、总价值超过千万元以上的硬软件系统，如柔性制造系统、数控机床、加工小心、 机器人、电加工设备、智能仪表、虚拟测试仪器、先进控制系统等；国内外各种管理软件、 cad、cam、pdm软件、先进的工业控制软件、各种测试软件等。扬州锻压机床有限公司，是 原机械部定点生产机械压力机的重点企业，国家技术进步示范企业，国家级高新技术企业

43、，江 苏省省级先进企业。企业技术力量雄厚、生产工艺先进及检测设备齐全，是国内高速精密冲 床制造行业内的排头兵，产品覆盖250-3000©各类型号的高速精密单、双点冲床。其中j76-80 型800kn闭式双点精密数控冲床冲程次数已达600min *； j76-300型3000kn闭式双点高速精 密冲床冲程次数己达400min_,是冃前国内最高冲程次数的闭式双点高速精密冲床；yht-300 型3000kx闭式三点高速精密冲床是目前国内吨位最大、技术最先进的高速冲床，该三点冲床 经江苏省科技厅组织鉴定为国内首创、国际领先产品。它为本课题的研究提供了物质上的保 证。3、经费概算和落实情况(1

44、)经费概算课题总经费支出预算单位：万元科冃预算金额备注1、购置设备和开发软件(1)设备购置2(2)设备试制1.5(3)软件购置0.52、业务费(1)试验材料费1.5(2)出版物/文献/信息传播/知识产权事务费1(3)会议费及差旅费13、现有仪器设备使用费14、协作研究支出1.5合计10(2)落实情况八、文献综述(通过对文献的整理和归纳，对应“学位论文主要研究内容”-栏所列出的问题，详细介 绍国内外学者对这些问题的研究结來及对其丽景的看法。综述的重点放在“介绍文献作者的见解、做法和 思路”上，在每一小节末尾可以简单谈一下自己对这些学者所发表意见的观点。)1) 高速精密冲床动平衡研究综述高速精密冲

45、床的振动和噪声的产生有两个主要原因，一是回转部件和往复运动部件的惯 性力，主耍包括曲轴回转、曲柄滑块机构的不平衡；另一个是冲压过程的冲击力。由于冲压 力不可避免，惯性力平衡就成为降低和减轻压力机的冲击振动噪声的主要途径。随着高速精 密冲床速度的提高，惯性力将急剧提高，如杲回转部件和往复运动部件不能达到动态平衡， 其惯性力的作用就变得相当明显，就会引起剧烈振动，滑块下死点动态性能急剧恶化，轻者 影响机床的精度和模具的寿命，重者使机床无法正常工作。为了平衡高速压力机曲柄连杆滑块机构在工作时所产生的不平衡惯性力1,应对其止确 计算。由达朗伯尔原理对曲柄连杆滑块机构进行惯性力分析可得如图9的结果，该惯

46、性力通过 作用于曲轴支承端处的垂直力陥、水平力兀和作用于滑块导轨面上的力q而使机身产生振动。文献2给出了图1中、f°2和q的表达式。图9 |11|柄滑块机构受力简图图10异向冋转|11|柄压力机f0 = + /?0 cos a+ cq cos 2a - dq cos 3a - eg cos4a(1)f02 = fq sin a 一 g()sin 2a + h sin 3a + z0 sin 4a + j() sin 5a(2)q = kq sin a + /0 sin 2a + mq sin 3a(3)常用的较小惯性力方法有以下儿种：(1) 尽量减小回转部分及往复部分的质量从惯性力的

47、表达式可看出，降低曲柄、连杆及滑块质量可减少惯性力，但考虑到高速压 力机的行程较小，因此b曲柄部分质量也很小，再使其减少难度较大。为减少连杆部分的质量, 可将其屮部挖孔。再考虑到由于连杆系数很小，因此b连杆与滑块相连的小端处相对摆动的角 度很小，因此b在有些高速压力机中为降低连杆的质量可考虑在连杆小端处采用稀油循环润滑 的静压滑动轴承，而不采用尺寸很大的滚动轴承。文献3把j75-60型高速压力机原有的铸铁滑块改为轻合金铸铝滑块，使往复运动质量减 轻了60%,从而大大降低了不平衡质量所产生的惯性力，使其下死点动态精度得到提高。（2）尽可能采用双点或四点的传动方式单点压力机抗偏载能力较差，为此，在

48、高速压力机的传动方式中应尽可能采用双点或四 点结构，再加上旋转方向相反的两曲轴方式则更好。文献4的高速压力机传动系统就采用双 曲轴双点结构原理，原理图如图8所示。由于两曲轴的转向相反，曲轴连杆水平惯性力相互抵 消，工作过程中水平惯性力就没有了，故在设计动平衡装置时仅需考虑垂直惯性力的平衡问 题，相应地提高了高速压力机动态特性。同时采用双点或四点方式，可使滑块的受力状态得 到改善。但这种结构，要求两曲轴上相互啮合的齿轮加工一致性要好，曲柄的相位角差将导致 滑块产生倾斜5。文献6分析表明，文献4的平衡方式并不能达到完全动平衡的目的，分 析屮指出，如果要达到完全动平衡，那么副滑块很多情况下质量都为负

49、值，这是明显不合理 的。针对部分学者提出的平衡缸式动平衡机构，文献6同时指出，该平衡机构不适合单独用 于高速冲床。（3）采用先进的动平衡机构由前述分析可知，高速压力机的惯性力包括水平、垂直及扭转三部分力，为此其动平衡 机构应能对此三个惯性力均能起到良好的平衡作用。目而国内外研发出了各种新型动平衡机 构，常用的动平衡机构主要有以下几种7： 曲柄上反对称偏心块式 反方向配置副滑块平衡式 多杆配重平衡机构式 平衡摆块式相应的原理图如图14所示文献针对降低肘杆式压力机的振动的平衡装置的设计提岀了一利两步”的优化方法。 这种优化方法基于一个初期估计进行多目标优化，从而获得几种可行的设计方案。这些设计 方

50、案对比于通常的平衡装置设计具有更好的效杲。文献9-10提岀了一种综合利用杆件平衡和副滑块平衡减小高速机械压力机的惯性力的 方法。通过以一个六杆结构压力机为例，利用一个曲柄滑块连杆结构作为平衡装置，分别就 杆系平衡和副滑块平衡进行研究，分析了杆系平衡装置和配重块在降低振动中发挥的不同作 用：研究表明杆系平衡结构降低了两个极限位置的系统惯性力约10%,而副滑块平衡则能够 降低惯性力矩的波动程度。高速压力机在国内的发展相对滞后，振动控制及隔振措施很多都是借鉴普通机床的相关 技术，华屮理工大学和南昌大学在上世纪90年代对大吨位压力机的振动机理、振动测试分析、 振动有限元分析及隔振机构设计等方面做了大量

51、研究11-13,取得了很好效果，其方法可以 应用于高速压力机。2）机床热变形的数值仿真研究对机床热误差的研究通常是从两方面入手的，即理论分析（即仿真计算）和试验法。理 论分析直接由加工条件和机床各热源分如及其热功率等边界条件进行传热计算，得到整个机 床的温度场分布情况，进而通过热一一结构耦合得到机床变形位移情况。试验法是通过大量 试验直接测得机床温度场和变形位移场。理论分析会使机床内部传热规律比较淸晰，能够从 事物的本质出发解决问题，但由于机床传热过程很复杂，边界条件很难准确把握，这大大限 制了仿真理论分析的精确度。试验法虽然能得到真实的温度及变形位移，但由于实际条件的 限制（如温度及位移传感

52、器的数量等），它不可能得到机床整体的温度场及变形位移场情况， 因此在哪些点上布置传感器将会影响试验法建立的热误差模型精度，另外试验法的成本也比 仿真分析的成本高得多。两种方式貝有很强的互补性，因此，都得到了较广泛的应用。随着计算机技术的发展，数值分析方法已广泛应用于工业工程技术中用来求解超大规模 的、复杂的、高度非线性的问题，模拟真实的机器系统，对设计方案进行预测计算，可行性 分析等。仿真分析首先要掌握机床各部件材料的热特性及整个机床系统的所有热源分布及其 功率大小。最重要的材料热属性就是热传导和热扩散系数，因此精确掌握材料的热传导及热 扩散系数是直接法建模成败的关键因素之一。利用逆热传导计算

53、可以解决如何从己知的物体 内部温度场或热流通量变化确定材料的热传导系数、热容、初始条件、边界条件和热源 14-17 o有很多文献讨论了精确测定材料的热传导及热扩散系数的方法。文献18建立了一 个线性逆模型计算了一维热传导问题中随温度变化的热传导系数。这个模型是从控制方程的 逼近模型建立起来的。与传统模型相比，它只需进行一次迭代并在线性范围内即可求得逆问 题的解，比传统模型有更高的效率。三个实例证实当测量课差可忽略时，此模型可以找到逆 问题的精确解。文献19讨论了使用热传导问题的逆解來估算热扩散系数的新方法。此方法 的优点是求解时不受表面条件的影响，通过使用一种参考材料把已知的热量传递给被测材料

54、, 可同时测量材料的热扩散系数和热传导系数。实验证实热扩散系数的估算精度在2-3%以内。常用的数值分析方法主要有两种：差分法和有限元法，均在传热分析中均得到了广泛应 用。p. tuoniaala20对平板ii舜态热传导有限元模型的结点分布问题进行了研究，指出合理的 非均匀网格比均匀密集网格具有更好的计算精度和效率。文献21利用差分法分析了多种材 料构成的系统的非线性热传递过程。实例证实此法具有如下优点：对于稳态传热和随时间变 化的传热问题都可得到精确解；在时间和空间域均具有二阶精度；可迭待求解且快速收敛； 在处理多种材料传热时精度高，这对于机床来说更具实际意义，因为机床就是由多种材料构 成的机

55、械系统。b. p. naganarayana24利用文献22 23中提出的基于连续函数理论的高阶 剪切变形元素对热应力问题进行了深入的分析，指出不一致的初始应变场也能干扰高阶剪切 变形元素的位移恢复，从而引起误差。如想使用此元素进行热应力分析并得到优化解，必须 构建一致的热应变场，横向正应变和热应变项应相对于面内正应变场进行一致插值来弥补常 规方程中的不足。由于机床关节压力分布的非均匀性，接触热阻应被看作是位置相关的而不是一个平均值。 jedrzejewski et al. 25也使用有限元方法计算了机床温度场分布，然后导出位移和热变形,他在产生热的那些元素和包括热源的那些元素处进行结构和参数

56、优化，主要优化fi标是减少 由于热变形引起的加工误茅。kim ct al. 26用双线性类型元素分析了滚珠丝杠系统的温度 分布。此处摩擦热是主耍热源，依赖于预载荷、润滑条件和装配条件。有限元模型是在假设 螺母和丝杠分别是实体和空心轴的前提下建立的，并且假设憐态热传导发生在无热辐射、介 质不变形的情况卜，发热的间隙元素被置于丝杠和螺母中间。vcnugopal et al. 27认为在 某一特定时刻的变形依赖于那个瞬时的物体温度，采取的研究程序是在感兴趣的部位计算热 剖面图，然后通过有限差分方法求解相关的热弹性方程來得到最终变形。3）热关键点优化选择研究实验表明，数控机床表面及内部各点的温升对机床

57、热误差的影响程度不同,总存在这么一 些点,这些点的温升变化将引起机床热误差的明显变化，在热误差补偿系统中，只有将这些点 作为模型的输入,才能在保证精度的情况下，使测温点数最少，实时补偿时计算速度快，补偿 效果最佳，这些点被称为影响数控机床热误差的敏感点28 o在早期的热误差补偿系统中，温度传感器确定的过程在一定程度上是根据经验进行试凑 的过程。通常是先基于工程判断，在不同位置安装大量的传感器,再采用统计或分析方法选岀 少量的温度传感器用于误差分量的建模29。试凑法导致大量的时间和传感器的浪费，因为 这些浪费的传感器并不用在最终的误差建模中。而且试验毕竟只能选择少数的可能测点进行, 这样很可能漏掉真正合适的关键点。debra a. krulewich30通过高斯积分法,对整个机床温度场进行分析，将温度传感器布 置点作为高斯积分点，分布在预先确定的温度场中。由于可以预先确定温度测点的数量和分布 位置,所以避免了为获得机床温度场所需的大量的测量时间。由于测温点即为方程的输入，因 此，测温点的数量只与方程的维数有关，即满足方程维数所需的