數(shù)控工作臺非線性動態(tài)特性的辨識研究.pdf

1、數(shù)控工作臺是數(shù)控機床的主要組成部分之一。各部件之間的彈性變形、摩擦、間隙等已成為進給系統(tǒng)定位精度、跟蹤精度等動態(tài)性能提高的瓶頸。對數(shù)控工作臺的動態(tài)特性的研究很多，但針對其非線性特征的研究尚不多見。
　　 本文采用 “試驗探討——理論分析——試驗驗證”的研究途徑和“綜合——分析——綜合”的研究步驟，從實測數(shù)控工作臺的動態(tài)信號入手，對采集的時間序列進行一系列的分析，作出其動態(tài)特性的非線性判斷；對數(shù)控工作臺動力學系統(tǒng)建立了數(shù)學模型，對

2、剛度和摩擦力的非線性動態(tài)特性進行了模型結構辨識、分岔與混沌分析，獲得了大量關于數(shù)控工作臺非線性動態(tài)特性的規(guī)律；通過試驗研究進行了模型適用性檢驗；分析了非線性動態(tài)特征對數(shù)控加工性能的影響并提出了相應的應對措施。主要包括以下幾方面的內容。
　　 首先，做出了數(shù)控工作臺動態(tài)特性的混沌特征的判斷，明確了系統(tǒng)的非線性性質；建立了系統(tǒng)的數(shù)學模型，清晰地表示出了數(shù)控工作臺各組成部分之間的關系。
　　 其次，對數(shù)控工作各個部分的剛度進行

3、了研究，分析了滾珠絲杠的四種支承方式的力學模型和不同支承方式下的滾珠絲杠的軸向剛度、扭轉剛度和彎曲撓度的變化規(guī)律，對軸承剛度、滾珠螺母剛度和支座剛度也作了簡要地分析。著重對剛度的非線性特征進行了研究，提出了根據(jù)數(shù)控工作臺的運動方向和工作位置不同，滾珠絲杠的剛度分別呈軟彈簧特性或硬彈簧特性，其動態(tài)響應遵從軟、硬特性的Duffing方程的結論。該結論對于研究螺旋傳動機構等一類直線運動機構以及細長軸類零件加工系統(tǒng)的動力學特性具有普遍的適用性。

4、
　　 接著，簡單介紹了摩擦力特性和摩擦模型。著重對摩擦力的非線性特征進行了研究，提出了根據(jù)工作臺的運動速度和運動方向，非線性摩擦力的變化規(guī)律在Stribeck摩擦曲線的四個摩擦特性區(qū)間內的非線性摩擦力的響應分別遵從不同的規(guī)律。即在全液體潤滑區(qū)域的作用效果相當于增加了系統(tǒng)的阻尼；在邊界潤滑和半液體潤滑區(qū)域Stribeck曲線出現(xiàn)負斜率，其作用效果相當于減小了系統(tǒng)的阻尼，當系統(tǒng)出現(xiàn)負阻尼時其動態(tài)特性遵循Van der pol方程；

5、在靜摩擦區(qū)域Stribeck曲線斜率為正的大數(shù)值，其作用效果使系統(tǒng)阻尼瞬間陡增，遏制系統(tǒng)的動態(tài)響應。該上述結論對于研究機床導軌副、齒輪傳動副、凸輪傳動副和摩擦傳動副的非線性摩擦特性，以及金屬切削過程的非線性摩擦特性具有普適性。
　　 同時提出了當系統(tǒng)出現(xiàn)負阻尼時，同時考慮彈簧力和摩擦力非線性作用，耦合系統(tǒng)遵循Lienard方程的具體形式Van Der Pol-Duffing耦合方程。該上述結論對于研究螺旋傳動機構等一類直線運動機

6、構以及細長軸類零件加工系統(tǒng)的非線性剛度和摩擦耦合特性具有普適性。
　　 通過對不同工況下Duffing方程、Van der pol方程和Van Der Pol-Duffing耦合方程的解析分析、數(shù)值仿真、分岔與混沌分析，獲得了大量關于數(shù)控工作臺非線性動態(tài)特性的規(guī)律。
　　 以華中數(shù)控公司生產(chǎn)的ZJK7532型數(shù)控鉆銑床的工作臺為測試對象進行試驗研究，從不同角度驗證了理論分析結論的有效性；根據(jù)理論分析和試驗研究的所得的規(guī)律