數控機床結合面參數實驗識別及主結構動態優化

張林林

摘要：數控機床的復雜度較高，其中含有多個結合面，結合面可以分為固定結合面和動態結合面兩種，為了能夠讓結合面的性能參數提高，要分析結合面性能之后對主結構優化。基于對數控機床結合面參數實驗識別技術的分析，本文研究了當前數控機床中各類結合面的有限元模型，之后通過對薄弱點位置的確定，分析了主結構的動態優化方法。

關鍵詞：數控機床;結合面;實驗識別;結構優化

0 ?引言

數控機床的結合面運行過程具有不同的工作特征，對于固定式結合面，其強度的30%到50%會作為后續的靜態載荷計算標準，但是對于動態情況下的結合面，其強度參數和載荷參數之間的關系并不明確，需要采取合理的方法核算，此外在結合面的配置過程，要研究各個配件的運行流程和工作方式，之后對整體結構做出升級，方可讓該區域的運行質量維持穩定。

1 ?數控機床結合面參數實驗識別方式

1.1 結合面類型

結合面主要有兩種，一個是固定式結合面，另一個是可動式結合面，對于固定式結合面，其在運行過程中，會通過某些結構和其余類型的固定結構，將兩類不同的零件進行固定，該結合面主要的用途包括載荷的傳遞、整體結構的維持、數控機床運行精度的保障等，結合面的配置過程，要根據傳遞的載荷形式以及對外部干擾的抵抗水平合理確定[1]。另外在固定式結合面中，主要采用的參數實驗識別方式是，通過不斷施加外部接觸點的方法，研究各區域的振動模態參數，并且需要獲得足量樣本，建設固定式結合面的模型。

對于可動式結合面，其涵蓋多個構件，最主要的構件為滑動導軌，只有在導軌具有極高的穩定度，并且能夠承載動載荷的情況下，才可以防止在后續的運行過程中出現精度下降問題。

1.2 輪廓接觸作用

實驗識別技術的使用過程，會向結合面施加不同的接觸載荷，并且將這類接觸點以空間載荷的形式記錄并建設構件模型。在輪廓建設工作階段，需要確保接觸點的數量符合指標，比如針對某圓柱體結合面，通過施加載荷工作，將該結合面固定，而在輪廓的接觸過程，獲取的接觸點標注到空間直角坐標系中，確定所有的空間點位坐標之后建模，可以獲得接觸面的輪廓。

在具體的接觸表現過程，一方面要確保接觸的點位具有較多的數量，才可以確保最終獲得的相關參數具有精度保持效果，另一方面需要確定兩者的接觸載荷，通常情況下接觸載荷要保持在較小范圍內，以防止過大載荷導致輪廓面變形，具體操作階段，要根據接觸載荷的測量設備合理確定結合面參數。

1.3 輪廓形狀參數取得

在輪廓形狀的參數取得過程，要根據接觸載荷獲得的各類點位參數，將各類參數直接輸入到空間直角坐標系內，之后將各類參數進行直接使用即可。在參數的取得過程，要求采用的記錄設施要能夠根據已經制定的工作標準，接觸結合面上的各個點，并且通過制定的計算軟件，確定各個點位的空間坐標。針對一些特殊性質的結合面，為了能夠更好的建模，則需要對薄壁結構的內部和外部進行同期性的采樣，在具體的采樣工作過程，選用的設備中，要能夠直接獲得該接觸面的外部輪廓，而之后把載荷的發出設備配置到該接觸面的內部，完成空間坐標的后續處理工作，可以直接獲得該結合面的內部和外部結構面。

1.4 輪廓力學參數取得

力學參數的取得方法，一個是實驗測量施加的載荷，另一個是該結構面的本身力學表現，針對前項工作，可以直接使用專業的測量設備，完成多個點的測量任務即可，通常情況下該設備經過調試之后不會向被測量結構施加過大的載荷，而針對結合面的本身參數表現，可以直接使用有限元分析軟件，根據實際的運行狀態向其表面施加各類載荷[2]。

比如在某固定式結合面的運行過程，載荷方向為按照圓柱體橫截面垂直方向的載荷，需要根據該模式向其施加載荷參數即可，而之后使用模態分析技術，研究該結合面不同區域的運行狀態和工作性能，當發現某區域的實際載荷量高于設定值時，則可確定在后續的運行過程中容易出現問題，則需要在主結構的動態優化過程做出相應處理。

1.5 結合面有限元分析

在有限元分析過程，核心的工作是分析該結合面的網格劃分模式，由于在取樣過程，涉及大量點位參數的計算和實際測量，并且各類點位之間的間距較小，所以可以直接按照點位參數設置分析網格，由于各個點位置間距基本均勻，設置的網格可以根據不同點位的間距合理設定。對于不規則的結構，則需要進行進一步的處理，讓最終制定的網格結果能夠覆蓋整個結合面區域，由于在本文的研究中，針對動態結合面主要分析的構件為滑動導軌，所以滑動導軌只需要根據其尺寸參數和外形參數，設置相關數據即可，之后通過劃分網格，研究實際運行過程中承受的外部載荷。

2 ?數控機床結合面主結構動態優化分析

2.1 結合面薄弱點確定

在結合面的薄弱點確定中，要根據該數控機床實際運行過程中所承受的外部載荷參數，分析該構件的本身承力性能，根據有限元分析軟件自帶的分析系統，研究結合面系統或者各類構件的薄弱點。比如在某可活動結合面的分析過程，發現通過對滑動導軌的研究，其兩端的運行參數處于高風險狀態，即雖然并未達到彈性模量允許上限，但是實際測量的參數和承力上限之間的差值僅有12%，則可確定該設備在長期的運行過程中，該區域更加容易出現疲勞損壞問題，最終導致滑軌失效，可確定活動式結合面的導軌與固定結構的連接區域需要經過升級，此外，無論是針對可活動式結合面還是固定式結合面，都需要按照實際運行過程中所能夠承載載荷的上限施加激勵，之后分析該結構的具體運行狀態。

2.2 結合面輪廓整體優化

結合面輪廓的整體優化工作中，優化項目包括結合面的面積、結合面的固定模式、結合面的相關運行參數等，其中在振動參數上，主要是研究自然頻率，防止在數控機床的運行過程中，設備產生的振動頻率和該結構的自然頻率相同而產生共振現象[3]。在具體設計階段，則要借助有限元分析軟件，分析在當前的有效載荷情況下，該構件所承受的最大載荷以及產生的振動頻率，而對于使用的材料固定和連接的方式，則可以直接使用數據計算功能探究自然頻率，通過對于相關載荷的加入，分析在該系統當前的運行過程中，振動頻率和自然頻率之間的差值狀況、該結合面所承受的外部激勵、結合面中產生的內部激勵參數等，通過各類數據的對比，分析是否處于安全運行狀態，而在發現存在安全風險時，要通過相關理論知識使用，對該結構面進行初步性的分析和調整，尤其是針對面積方面的調整，可以適當增加或減少，在獲得了預期優化方案后，要將該信息直接更新到有限元分析軟件中，根據相應的分析參數，研究該系統的運行狀態，當發現最終的更新方案具備結構的安全保障效果時，則可確定最終獲得的方案可以處于安全運行狀態。

2.3 結合面構件精細優化

在結合面構件的優化過程，需要分析該結構的當前運行表現，同時也要確保建設的精度符合指標，之后設定該結構的精細化控制指標。比如某結構面的構件包括圓柱結構、圓桿結構和鉚接結構，則具體的優化過程中，要根據各類構件的參數，綜合分析當前建設的模型是否能夠承受較大的載荷，而當發現在長期的運行過程，該系統指標和管理標準不符時，則可確定需要在后續的工作中對其升級，優化方法是研究各個區域的動態模量變化情況，并獲得相關參數，讓各項參數和已經建成的安全運行指標對比，當發現某參數低于設定的標準值時，需要找到該結構上的脆弱點，之后根據該結構的本身作用參數和數控機床的內部空間剩余情況，合理制定優化方案。

2.4 結合面活動結構優化

結合面中通常含有大量的構件，其中可移動式的結合面就包括導軌、小型固定連接機構、其他的固定構件等。在構件的精細優化過程，要研究當前其結構上存在的薄弱點，之后探討該薄弱點的后續優化模式[4]。比如對某導軌的分析發現，薄弱點為兩端結構，由于該導軌使用特定形式和固定構件連接，在長期的運行過程，鉚接結構區域容易出現變形，導致系統的精度控制難度大幅提升，在該結構的后續優化中，一方面要分析導軌材料是否可以進行替換，當發現該導軌的材料運行參數基本上固定時，則該構件在后續的升級過程，只需要采用同一類材料完成設計任務即可，另一方面是分析導軌結構的優化工作方案，要增加某結構的孔位數量，提高鉚接結構的厚度和接觸面積，之后讓該結構可以長期使用，并構筑到同一個管理系統中，之后通過對現相關參數的使用，研究是否可以在有限元模擬分析體系之內，該導軌始終保持穩定運行狀態。

2.5 有限元分析結果取得

在有限元分析結果的取得過程，分析對象是經過了優化的工作項目，實際上結合面的優化升級工作包括三個任務，首先是對其中存在各類獨立性構件的檢測，其次是針對整體的檢測，最后是找到優化結果中存在的問題，結合面由于含有多個構件，所以檢測工作的側重點為結合狀態下該結合面的運行狀態，通過對于各類參數的獲得和使用，和已經設定的運行標準值對比，預測該方案是否可以使用。

3 ?結論

綜上所述，數控機床結合面參數實驗識別工作過程，分析的信息包括結合面的類型、接觸過程施加的載荷、接觸實驗的工作點數量和位置，在所有參數取得具有高精度的情況下，將各類信息直接輸入到空間直角坐標系中，通過連線的方法獲得模型。在優化過程，要根據有限元分析模型分析結合面中存在的薄弱點，之后根據工程經驗和理論體系，制定優化方案并二次模擬以及多次模擬分析。

參考文獻：

[1]劉長山，呂燦燦.有限元分析法在數控機床主軸單元設計中的應用[J].機電產品開發與創新，2019，32（04）：92-94.

[2]高志強.機械結合面接觸剛度及阻尼的理論模型研究[D].西安理工大學，2018.

[3]朱堅民，何丹丹.基于頻響函數分析的主軸-刀柄-刀具結合面軸向分布參數辨識[J].中國機械工程，2017，28（16）：1891-1898.

[4]莊鵬，秦闖，劉戰強.基于柔度耦合子結構法的主軸-卡盤與工件結合面參數辨識[J].機床與液壓，2017，45（07）：38-42，47.