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1、华中科技大学 硕士学位论文 直线滚动导轨结合部动力学模型参数识别研究 姓名：杜圣雨 申请学位级别：硕士 专业：机械设计及理论 指导教师：毛宽民 20070530 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 高速加工是制造业发展的趋势，随机床加工向高切削速度、高进给速度和高加工 精度发展，对数控机床动态性能的要求正逐步提高；为研究数控机床的动态特性，要 对机床进行动力学建模。机床结合部特性是影响机床动态特性的关键因素，而结合部 建模又是机床动力学建模的难点。直线滚动导轨副是数控机床上典型的可动结合部， 对机床动态特性影响很大，本
2、文针对直线滚动导轨副结合部进行了研究。 基于有限元理论，为导轨副结合部建立了 8 节点六面体单元模型。根据节点受力 与其位移之间的关系，推导了结合部单元刚度矩阵。根据结合部的对称特性，对结合 部单元刚度矩阵进行了简化，得到结合部单元刚度矩阵元素中含有 15 个独立变量的结 论，将这 15 个变量作为待识别的结合部动力学模型参数。 用 MATLAB 软件为 HJG-D-A25880 型直线滚动导轨建立了含结合部单元的动力 学模型，以模型的前四阶特征值为优化目标，采用优化算法对结合部参数进行识别。 根据目标函数的特点，优化采用了遗传算法。 利用 LMS 公司的 CADA-X 实验模态分析系统，对
3、HJG-D-A25880 型直线滚动 导轨进行了激振实验，通过模态分析得到其前四阶固有频率及其对应的振型，将前四 阶固有频率引入优化算法中实现了对结合部参数的优化识别。利用实验室在有限元软 件 MSC.Patran 中开发的结合部单元建模模块，将识别结果代入导轨副有限元模型中， 对导轨副进行了有限元模态分析，分析结果与模态试验结果比较吻合，比较的结果为 验证结合部单元模型及其参数识别方法的有效性提供了依据。 关键词：关键词： 直线滚动导轨 结合部单元 参数识别 遗传算法 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract Hi
4、gh-speed machining is the trend of the manufacturing. With the development of machining toward to high cutting speed, high-velocity and high-precision, the requirements of machine tools dynamic characteristics are becoming higher and higher. To study the dynamic characteristics of machine tools, the
5、 dynamic model should be established. The dynamic parameters of joint influence greatly on the machine tools dynamic characteristics. But its difficult to build the joint model. As a representative joint unit, the joint of linear rolling guide has great affect on the dynamic characteristics of machi
6、ne tools, so the joint unit of linear rolling guide is studied in this thesis. Based on the finite element theory, a hexahedron element model with eight-nodes was built for the linear rolling guide joint unit. According to the relationship between the force and the displacement of the nodes, the joi
7、nt element stiffness matrix was deduced. The matrix was simplified by the symmetrical characteristic of the joint unit, and fifteen independent variables were fond in the matrix. The fifteen variables were the joint parameters to be identified. Dynamic model of the HJG-D-A25880 linear rolling guide
8、was built by Matlab software. Regarded the head four eigenvalues of the eigenvalue equation as the optimum target, the joint parameters recognition method was established. With the CADA-X experiment modal analysis system of LMS, shock excitation experiment has been done on the guide, and the head fo
9、ur nature frequencies were obtained by modal analysis. The head four frequencies were introduced in the algorithm and the joint parameters were identified by Genetic Algorithms. Applied the joint unit module developed in MSC.Patran, the identified parameters was introduced in the guide model and mod
10、al analysis was done. The results were compared with the experiment results, and fond that the FEA results were close to the experiment results. So the validity of joint unit model and its parameters recognition method were proved by the compared results. Keywords: linear rolling guide; joint unit;
11、parameters identification; Genetic Algorithms. 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和
12、借 阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 保密，在 年解密后适用本授权书。 不保密。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪绪 论论 1.1 课题的来源课题的来源 本课题来源于国家 973 计划项目“数字化制造基础研究”的课题一“高速数控 机床动态行为演变及其高精度控制(课题编号：2005CB724101)”和国家
13、 863 计划课 题： “基于动态特性的大型数控装备可靠性建模与评估技术(课题编号： 2006AA04Z407)” 。 1.2 课题研究概述课题研究概述 1.2.1 课题研究背景课题研究背景 在制造业中，机械制造业尤其是装备制造业担负着为各行业各部门提供装备的 重要任务，是国民经济发展的基础；而其中，机床制造业又是装备制造业的心脏， 是装备的“母机”1。随着世界科技进步和机床工业的发展,数控机床作为机床工业 的主流产品,已成为实现装备制造业现代化的关键设备，其拥有量及性能水平是衡 量一个国家机械制造工业水平的重要标志，也是衡量一个国家综合实力的重要标 志。数控机床作为世界各国竞相发展的重要产品
14、，在国内外市场竞争空前激烈，开 发具有自主知识产权的数控机床是当前我国机械制造业发展的必由之路。 在机床新产品的设计与制造过程中，传统的方法一般是先进行概念设计和方案 论证，然后进行产品设计，绘制图纸，并依据图纸生产物理样机。然而，新产品动 态性能的好坏，在图纸设计阶段无法预测，只有等待物理样机试制出来之后，通过 实验和使用才能确认。同时在需要修改设计时，如何修改以及修改后的性能如何也 不易得知。因此，要获得较满意的产品，往往要经过反复的“设计试制实 验修改”的过程，致使产品研发及调试周期长，成本高，难以把握市场的有利 时机，降低了企业的市场竞争力。近些年，以 CAD 和仿真技术为核心的虚拟样
15、机 技术的发展，为此问题提供了一条有效的解决途径，即在建造第一台物理样机之 前，设计师首先在计算机上建造产品的整体模型，通过仿真分析并用图形显示该模 型在真实工程条件下的运动特性，以预测产品的整体性能，从而修改并得到最优设 计方案。但是，如何在零物理样机的情况下更加准确地预测机床的动态特性呢？解 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 决这一问题的首要难点就是建立准确的含有机械结合部(面)的机床结构动力学模 型。 虽然国内外自上世纪 50 年代以来对结合部特性的研究工作投入了大量的人 力、物力，但结合部特性的数据如何在实际解析和设计中
16、应用还是一个值得花费时 间和精力去研究的重要课题之一。目前，在解析、设计、制造和装配等领域都己认 识到了结合部特性参数及其应用技术的重要性。现有的实际情况及 CAD 技术的发 展趋势进一步说明了对结合部基础特性研究的重要性和急迫性2。 高速加工是制造业发展的趋势，随机床加工向高切削速度、高进给速度和高加 工精度发展3，对数控机床动态性能的要求正逐步提高；为研究数控机床的动态特 性，要对机床进行动力学建模。机床结合部特性是影响机床动态特性的关键因素， 而结合部建模又是机床动力学建模的难点。直线导轨副作为数控机床中最典型的可 动结合部之一，其动态特性研究成为近年来机床动力学建模研究领域的热点4，特 别是在机床动力学有限元建模中，如何建立有效的结合部模型去模拟结合部的特性 是当前机床动力学建模亟
