● 摘要
数控机床动力学特性分析与仿真技术是现代先进制造工艺与装备技术领域的一个重要研究方向，融合了众多学科领域的先进技术和方法。本论文就机床功能部件及整机动力学建模，导轨静态特性分析，动态特性分析，结合面等效动力学参数获取等关键技术进行了研究。提出了一种考虑切削加工过程动力学的数控机床柔性化子结构多层正向建模方法，详细介绍了机床基本结构零部件与整机的建模方法、结合面建模方法和机床结构与加工动力学相结合的建模方法。结合面建模主要以直线滚动导轨为研究对象，在分析导轨静态特性和动态特性的基础上，提出了一种理论分析与实验测试相结合的导轨结合面等效动力学参数辨识方法，解决了机床功能部件与整机动力学建模中的关键技术问题。结合实际机床产品设计进行仿真、实验验证与分析，为机床动态特性分析和加工性能预测提供了一种技术途径。在直线滚动导轨静态特性研究方面，建立一种“O”型布置滚子的直线滚珠导轨和直线滚柱导轨在承受垂直力、水平力和转矩联合作用下变形与受力关系的理论模型，详细推导了联合力作用下导轨受力变形的基本方程，计算出导轨在给定承载下的变形与静刚度值；编制直线滚动导轨静刚度仿真计算软件，计算出滑块变形和导轨竖直方向静刚度值；搭建导轨静刚度实验测试平台，验证了理论模型的正确。在直线滚动导轨振动特性方面，探索了一种理论分析与实验测试结合的导轨结合部等效动力学参数求解方法。通过拉格朗日方程建立直线导轨的动力学方程，求解出直线滚动导轨基本模态的振动频率，通过锤击实验与单自由度模态拟合方法获得导轨等效模型的刚度和阻尼值。在龙门式加工中心的横梁滑箱系统有限元模型中采用“弹簧-阻尼”单元模拟导轨结合面，并通过锤击实验测试系统固有频率，验证了导轨结合面简化模型和参数的正确性。在此基础上分析了结合面参数变化对横梁滑箱系统整体动态特性的影响。研究了通用结合面的参数辨识，基于频响函数识别法和锤击实验获得任意两个结合面的等效动力学参数，并采用MATLAB GUI编制了结合面参数辨识软件。与实际机床产品研发相结合，以国产某型号龙门式加工中心为研究对象，运用有限元工具建立加工中心模型，通过模态振型和谐响应分析，找出机床结构动态特性的薄弱环节及切削加工中机床应避开的工作频段。将机床结构动力学与加工动力学仿真相结合，采用子结构耦合方法将机床结构动力学模型与刀具耦合获得刀尖点处的频响函数；进行铣削过程颤振研究，获得颤振稳定性叶瓣图；给定加工参数计算出三向铣削力，通过快速傅立叶变换得到频域下的切削力数值，计算出刀尖点处的位移在频域的响应函数。研究成果为机床设计、提高机床的实用性提供参考。最后，总结了本文工作，展望了进一步研究的方向。