高速高精度数控车床结构动力学特性与仿真技术研究

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1、东南大学博士学位论文高速高精度数控车床结构动力学特性与仿真技术研究姓名：吴南星申请学位级别：博士专业：机械制造及其自动化指导教师：孙庆鸿20040801摘要高速高精度数控车床结构动力学特性与仿真技术研究要随着科技和生产的发展，许多高精度、低粗糙度、特硬和有色金属材料制成的小尺寸轴、盘类回转体零件，要求以车代磨一次加工成功，这就对数控车床的速度、精度和刚度提出了很高的要求。因此，包括主轴系统、进给系统乃至整机的动态特性的研究已成为一个十分重要的课题。论文结合江苏省十五重大科技攻关招标项目“高速高精度数控车床”和国家自然科学基金项目“机床结构动态

2、优化创新设计CAE关键技术研究”，针对提高数控车床中主轴系统、进给系统以及整机的动态特性的关键技术进行研究，并与南京数控机床股份有限公司台作设计开发出了拥有国际先进水平和自主知识产权的CKl416高速高精度数控车床。论文的主要创新性成果如下：1．建立了CKl416高速高精度数控车床多体主轴系统的刚柔耦合动力学模型，基于多体系统传递矩阵法，分析、仿真和优化后的主轴系统在运行中始终处于稳定、可靠的工作区内。2．基于弹簧质量力学模型分析了进给系统刚度对定位误差的影响，提出了提高进给系统刚度的措施，取得了明显的效果。3．建立了数控车床进给系统机械传动

3、部件、驱动电机和执行件一体的并考虑了间隙和摩擦非线性因素在内的综合数学模型。着重分析了非线性间隙和非线性摩擦对系统动态特性的影响，分别采用广义最小方差自校正控制方法和基于GA的摩擦补偿方法消除了它们对进给系统动态特性的不良影响，从而提高了系统的响应速度和静动态跟踪精度。4．建立了CKl416数控车床多刚体虚拟样机模型，应用相似理论和AHP法验证了虚拟样机的有效性，为进行车床动态特性研究提供了一个可视化平台。5．基于有限元法及柔性多体系统动力学理论，建立了刚柔耦合数控车床多体动力学模型，模拟仿真了床身的柔性效应对车床动态特性和加工精度的影响，结

4、合模态试验，合理优化了床身结构。论文所完成的研究工作，有力地支持了CKl416型高速高精度数控车床的开发，其各项性能指标均达到了预定的目标，在2003年4月参加了北京国际机床博览会展出，赢得了各界的好评。车床已投放市场，取得了很好的社会经济效益。2004年5月通过了省级鉴定，成果达国际先进水平。关键词：数控车床，动态特一肚，多体系统传递矩阵法，非线性间隙，非线性摩擦，虚拟样机相似理论，刚柔耦合塑!!坠坚STUDYoNSTRUCTURALDYNAMICSCHARACTERISTICSANDSIMULATIoNTECHNoLoGYOFNCLATH

5、EWITHHIGH—SPEEDANDHIGH-PRECISIONABSTRACTWiththerapiddevelopmentofthemodernscience，technologyandproduction，manykindsofsmalldimension，shaftandpanrelolvingbodypartmadeofhighprecisionandhardness，lowroughnessandnonferrousmaterialsrequiresabrasivemachininginsteadoflatheworkonce·t

6、hroughmachining．Thisputsforwardhighrequirementtovelocity,precisionandrigidityofNClathe．SoStodyingonthedynamiccharacteristicsofitsspindlesystem,feeddrivesystemandintegra2tmachinetoolisanimportantsubject．SupportedbyJiangsu』D14Five—YearPlangreatpublicbiddingitemsofhigh—speedan

7、dprecisionNClatheandNationNaturalScienceFundprojectofkeyCAEtechnicalresearchonmachinestructure西,namicoptimizationandor增inalityinnovationdes／gn，keytechnologyofdynamiccharacteristicsofspindlesystem,feeddrivesystemand吐leintegralNClathehadbeenstudied．AtthesaiTletime．theCKl416hi

8、gll·speedNClathewithhigh·precisionbycooperationwithNanjingNCmachinetoolcorporation