數(shù)控機(jī)床結(jié)合面參數(shù)實(shí)驗(yàn)識(shí)別及主結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)優(yōu)化

張林林

摘要：數(shù)控機(jī)床的復(fù)雜度較高，其中含有多個(gè)結(jié)合面，結(jié)合面可以分為固定結(jié)合面和動(dòng)態(tài)結(jié)合面兩種，為了能夠讓結(jié)合面的性能參數(shù)提高，要分析結(jié)合面性能之后對(duì)主結(jié)構(gòu)優(yōu)化?；趯?duì)數(shù)控機(jī)床結(jié)合面參數(shù)實(shí)驗(yàn)識(shí)別技術(shù)的分析，本文研究了當(dāng)前數(shù)控機(jī)床中各類(lèi)結(jié)合面的有限元模型，之后通過(guò)對(duì)薄弱點(diǎn)位置的確定，分析了主結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床;結(jié)合面;實(shí)驗(yàn)識(shí)別;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0 ?引言

數(shù)控機(jī)床的結(jié)合面運(yùn)行過(guò)程具有不同的工作特征，對(duì)于固定式結(jié)合面，其強(qiáng)度的30%到50%會(huì)作為后續(xù)的靜態(tài)載荷計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，但是對(duì)于動(dòng)態(tài)情況下的結(jié)合面，其強(qiáng)度參數(shù)和載荷參數(shù)之間的關(guān)系并不明確，需要采取合理的方法核算，此外在結(jié)合面的配置過(guò)程，要研究各個(gè)配件的運(yùn)行流程和工作方式，之后對(duì)整體結(jié)構(gòu)做出升級(jí)，方可讓該區(qū)域的運(yùn)行質(zhì)量維持穩(wěn)定。

1 ?數(shù)控機(jī)床結(jié)合面參數(shù)實(shí)驗(yàn)識(shí)別方式

1.1 結(jié)合面類(lèi)型

結(jié)合面主要有兩種，一個(gè)是固定式結(jié)合面，另一個(gè)是可動(dòng)式結(jié)合面，對(duì)于固定式結(jié)合面，其在運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)通過(guò)某些結(jié)構(gòu)和其余類(lèi)型的固定結(jié)構(gòu)，將兩類(lèi)不同的零件進(jìn)行固定，該結(jié)合面主要的用途包括載荷的傳遞、整體結(jié)構(gòu)的維持、數(shù)控機(jī)床運(yùn)行精度的保障等，結(jié)合面的配置過(guò)程，要根據(jù)傳遞的載荷形式以及對(duì)外部干擾的抵抗水平合理確定[1]。另外在固定式結(jié)合面中，主要采用的參數(shù)實(shí)驗(yàn)識(shí)別方式是，通過(guò)不斷施加外部接觸點(diǎn)的方法，研究各區(qū)域的振動(dòng)模態(tài)參數(shù)，并且需要獲得足量樣本，建設(shè)固定式結(jié)合面的模型。

對(duì)于可動(dòng)式結(jié)合面，其涵蓋多個(gè)構(gòu)件，最主要的構(gòu)件為滑動(dòng)導(dǎo)軌，只有在導(dǎo)軌具有極高的穩(wěn)定度，并且能夠承載動(dòng)載荷的情況下，才可以防止在后續(xù)的運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)精度下降問(wèn)題。

1.2 輪廓接觸作用

實(shí)驗(yàn)識(shí)別技術(shù)的使用過(guò)程，會(huì)向結(jié)合面施加不同的接觸載荷，并且將這類(lèi)接觸點(diǎn)以空間載荷的形式記錄并建設(shè)構(gòu)件模型。在輪廓建設(shè)工作階段，需要確保接觸點(diǎn)的數(shù)量符合指標(biāo)，比如針對(duì)某圓柱體結(jié)合面，通過(guò)施加載荷工作，將該結(jié)合面固定，而在輪廓的接觸過(guò)程，獲取的接觸點(diǎn)標(biāo)注到空間直角坐標(biāo)系中，確定所有的空間點(diǎn)位坐標(biāo)之后建模，可以獲得接觸面的輪廓。

在具體的接觸表現(xiàn)過(guò)程，一方面要確保接觸的點(diǎn)位具有較多的數(shù)量，才可以確保最終獲得的相關(guān)參數(shù)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(nèi)，以防止過(guò)大載荷導(dǎo)致輪廓面變形，具體操作階段，要根據(jù)接觸載荷的測(cè)量設(shè)備合理確定結(jié)合面參數(shù)。

1.3 輪廓形狀參數(shù)取得

在輪廓形狀的參數(shù)取得過(guò)程，要根據(jù)接觸載荷獲得的各類(lèi)點(diǎn)位參數(shù)，將各類(lèi)參數(shù)直接輸入到空間直角坐標(biāo)系內(nèi)，之后將各類(lèi)參數(shù)進(jìn)行直接使用即可。在參數(shù)的取得過(guò)程，要求采用的記錄設(shè)施要能夠根據(jù)已經(jīng)制定的工作標(biāo)準(zhǔn)，接觸結(jié)合面上的各個(gè)點(diǎn)，并且通過(guò)制定的計(jì)算軟件，確定各個(gè)點(diǎn)位的空間坐標(biāo)。針對(duì)一些特殊性質(zhì)的結(jié)合面，為了能夠更好的建模，則需要對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)的內(nèi)部和外部進(jìn)行同期性的采樣，在具體的采樣工作過(guò)程，選用的設(shè)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(fā)出設(shè)備配置到該接觸面的內(nèi)部，完成空間坐標(biāo)的后續(xù)處理工作，可以直接獲得該結(jié)合面的內(nèi)部和外部結(jié)構(gòu)面。

1.4 輪廓力學(xué)參數(shù)取得

力學(xué)參數(shù)的取得方法，一個(gè)是實(shí)驗(yàn)測(cè)量施加的載荷，另一個(gè)是該結(jié)構(gòu)面的本身力學(xué)表現(xiàn)，針對(duì)前項(xiàng)工作，可以直接使用專(zhuān)業(yè)的測(cè)量設(shè)備，完成多個(gè)點(diǎn)的測(cè)量任務(wù)即可，通常情況下該設(shè)備經(jīng)過(guò)調(diào)試之后不會(huì)向被測(cè)量結(jié)構(gòu)施加過(guò)大的載荷，而針對(duì)結(jié)合面的本身參數(shù)表現(xiàn)，可以直接使用有限元分析軟件，根據(jù)實(shí)際的運(yùn)行狀態(tài)向其表面施加各類(lèi)載荷[2]。

比如在某固定式結(jié)合面的運(yùn)行過(guò)程，載荷方向?yàn)榘凑請(qǐng)A柱體橫截面垂直方向的載荷，需要根據(jù)該模式向其施加載荷參數(shù)即可，而之后使用模態(tài)分析技術(shù)，研究該結(jié)合面不同區(qū)域的運(yùn)行狀態(tài)和工作性能，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某區(qū)域的實(shí)際載荷量高于設(shè)定值時(shí)，則可確定在后續(xù)的運(yùn)行過(guò)程中容易出現(xiàn)問(wèn)題，則需要在主結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化過(guò)程做出相應(yīng)處理。

1.5 結(jié)合面有限元分析

在有限元分析過(guò)程，核心的工作是分析該結(jié)合面的網(wǎng)格劃分模式，由于在取樣過(guò)程，涉及大量點(diǎn)位參數(shù)的計(jì)算和實(shí)際測(cè)量，并且各類(lèi)點(diǎn)位之間的間距較小，所以可以直接按照點(diǎn)位參數(shù)設(shè)置分析網(wǎng)格，由于各個(gè)點(diǎn)位置間距基本均勻，設(shè)置的網(wǎng)格可以根據(jù)不同點(diǎn)位的間距合理設(shè)定。對(duì)于不規(guī)則的結(jié)構(gòu)，則需要進(jìn)行進(jìn)一步的處理，讓最終制定的網(wǎng)格結(jié)果能夠覆蓋整個(gè)結(jié)合面區(qū)域，由于在本文的研究中，針對(duì)動(dòng)態(tài)結(jié)合面主要分析的構(gòu)件為滑動(dòng)導(dǎo)軌，所以滑動(dòng)導(dǎo)軌只需要根據(jù)其尺寸參數(shù)和外形參數(shù)，設(shè)置相關(guān)數(shù)據(jù)即可，之后通過(guò)劃分網(wǎng)格，研究實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中承受的外部載荷。

2 ?數(shù)控機(jī)床結(jié)合面主結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)優(yōu)化分析

2.1 結(jié)合面薄弱點(diǎn)確定

在結(jié)合面的薄弱點(diǎn)確定中，要根據(jù)該數(shù)控機(jī)床實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中所承受的外部載荷參數(shù)，分析該構(gòu)件的本身承力性能，根據(jù)有限元分析軟件自帶的分析系統(tǒng)，研究結(jié)合面系統(tǒng)或者各類(lèi)構(gòu)件的薄弱點(diǎn)。比如在某可活動(dòng)結(jié)合面的分析過(guò)程，發(fā)現(xiàn)通過(guò)對(duì)滑動(dòng)導(dǎo)軌的研究，其兩端的運(yùn)行參數(shù)處于高風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，即雖然并未達(dá)到彈性模量允許上限，但是實(shí)際測(cè)量的參數(shù)和承力上限之間的差值僅有12%，則可確定該設(shè)備在長(zhǎng)期的運(yùn)行過(guò)程中，該區(qū)域更加容易出現(xiàn)疲勞損壞問(wèn)題，最終導(dǎo)致滑軌失效，可確定活動(dòng)式結(jié)合面的導(dǎo)軌與固定結(jié)構(gòu)的連接區(qū)域需要經(jīng)過(guò)升級(jí)，此外，無(wú)論是針對(duì)可活動(dòng)式結(jié)合面還是固定式結(jié)合面，都需要按照實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中所能夠承載載荷的上限施加激勵(lì)，之后分析該結(jié)構(gòu)的具體運(yùn)行狀態(tài)。

2.2 結(jié)合面輪廓整體優(yōu)化

結(jié)合面輪廓的整體優(yōu)化工作中，優(yōu)化項(xiàng)目包括結(jié)合面的面積、結(jié)合面的固定模式、結(jié)合面的相關(guān)運(yùn)行參數(shù)等，其中在振動(dòng)參數(shù)上，主要是研究自然頻率，防止在數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行過(guò)程中，設(shè)備產(chǎn)生的振動(dòng)頻率和該結(jié)構(gòu)的自然頻率相同而產(chǎn)生共振現(xiàn)象[3]。在具體設(shè)計(jì)階段，則要借助有限元分析軟件，分析在當(dāng)前的有效載荷情況下，該構(gòu)件所承受的最大載荷以及產(chǎn)生的振動(dòng)頻率，而對(duì)于使用的材料固定和連接的方式，則可以直接使用數(shù)據(jù)計(jì)算功能探究自然頻率，通過(guò)對(duì)于相關(guān)載荷的加入，分析在該系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行過(guò)程中，振動(dòng)頻率和自然頻率之間的差值狀況、該結(jié)合面所承受的外部激勵(lì)、結(jié)合面中產(chǎn)生的內(nèi)部激勵(lì)參數(shù)等，通過(guò)各類(lèi)數(shù)據(jù)的對(duì)比，分析是否處于安全運(yùn)行狀態(tài)，而在發(fā)現(xiàn)存在安全風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，要通過(guò)相關(guān)理論知識(shí)使用，對(duì)該結(jié)構(gòu)面進(jìn)行初步性的分析和調(diào)整，尤其是針對(duì)面積方面的調(diào)整，可以適當(dāng)增加或減少，在獲得了預(yù)期優(yōu)化方案后，要將該信息直接更新到有限元分析軟件中，根據(jù)相應(yīng)的分析參數(shù)，研究該系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)最終的更新方案具備結(jié)構(gòu)的安全保障效果時(shí)，則可確定最終獲得的方案可以處于安全運(yùn)行狀態(tài)。

2.3 結(jié)合面構(gòu)件精細(xì)優(yōu)化

在結(jié)合面構(gòu)件的優(yōu)化過(guò)程，需要分析該結(jié)構(gòu)的當(dāng)前運(yùn)行表現(xiàn)，同時(shí)也要確保建設(shè)的精度符合指標(biāo)，之后設(shè)定該結(jié)構(gòu)的精細(xì)化控制指標(biāo)。比如某結(jié)構(gòu)面的構(gòu)件包括圓柱結(jié)構(gòu)、圓桿結(jié)構(gòu)和鉚接結(jié)構(gòu)，則具體的優(yōu)化過(guò)程中，要根據(jù)各類(lèi)構(gòu)件的參數(shù)，綜合分析當(dāng)前建設(shè)的模型是否能夠承受較大的載荷，而當(dāng)發(fā)現(xiàn)在長(zhǎng)期的運(yùn)行過(guò)程，該系統(tǒng)指標(biāo)和管理標(biāo)準(zhǔn)不符時(shí)，則可確定需要在后續(xù)的工作中對(duì)其升級(jí)，優(yōu)化方法是研究各個(gè)區(qū)域的動(dòng)態(tài)模量變化情況，并獲得相關(guān)參數(shù)，讓各項(xiàng)參數(shù)和已經(jīng)建成的安全運(yùn)行指標(biāo)對(duì)比，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某參數(shù)低于設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，需要找到該結(jié)構(gòu)上的脆弱點(diǎn)，之后根據(jù)該結(jié)構(gòu)的本身作用參數(shù)和數(shù)控機(jī)床的內(nèi)部空間剩余情況，合理制定優(yōu)化方案。

2.4 結(jié)合面活動(dòng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

結(jié)合面中通常含有大量的構(gòu)件，其中可移動(dòng)式的結(jié)合面就包括導(dǎo)軌、小型固定連接機(jī)構(gòu)、其他的固定構(gòu)件等。在構(gòu)件的精細(xì)優(yōu)化過(guò)程，要研究當(dāng)前其結(jié)構(gòu)上存在的薄弱點(diǎn)，之后探討該薄弱點(diǎn)的后續(xù)優(yōu)化模式[4]。比如對(duì)某導(dǎo)軌的分析發(fā)現(xiàn)，薄弱點(diǎn)為兩端結(jié)構(gòu)，由于該導(dǎo)軌使用特定形式和固定構(gòu)件連接，在長(zhǎng)期的運(yùn)行過(guò)程，鉚接結(jié)構(gòu)區(qū)域容易出現(xiàn)變形，導(dǎo)致系統(tǒng)的精度控制難度大幅提升，在該結(jié)構(gòu)的后續(xù)優(yōu)化中，一方面要分析導(dǎo)軌材料是否可以進(jìn)行替換，當(dāng)發(fā)現(xiàn)該導(dǎo)軌的材料運(yùn)行參數(shù)基本上固定時(shí)，則該構(gòu)件在后續(xù)的升級(jí)過(guò)程，只需要采用同一類(lèi)材料完成設(shè)計(jì)任務(wù)即可，另一方面是分析導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)的優(yōu)化工作方案，要增加某結(jié)構(gòu)的孔位數(shù)量，提高鉚接結(jié)構(gòu)的厚度和接觸面積，之后讓該結(jié)構(gòu)可以長(zhǎng)期使用，并構(gòu)筑到同一個(gè)管理系統(tǒng)中，之后通過(guò)對(duì)現(xiàn)相關(guān)參數(shù)的使用，研究是否可以在有限元模擬分析體系之內(nèi)，該導(dǎo)軌始終保持穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

2.5 有限元分析結(jié)果取得

在有限元分析結(jié)果的取得過(guò)程，分析對(duì)象是經(jīng)過(guò)了優(yōu)化的工作項(xiàng)目，實(shí)際上結(jié)合面的優(yōu)化升級(jí)工作包括三個(gè)任務(wù)，首先是對(duì)其中存在各類(lèi)獨(dú)立性構(gòu)件的檢測(cè)，其次是針對(duì)整體的檢測(cè)，最后是找到優(yōu)化結(jié)果中存在的問(wèn)題，結(jié)合面由于含有多個(gè)構(gòu)件，所以檢測(cè)工作的側(cè)重點(diǎn)為結(jié)合狀態(tài)下該結(jié)合面的運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)對(duì)于各類(lèi)參數(shù)的獲得和使用，和已經(jīng)設(shè)定的運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比，預(yù)測(cè)該方案是否可以使用。

3 ?結(jié)論

綜上所述，數(shù)控機(jī)床結(jié)合面參數(shù)實(shí)驗(yàn)識(shí)別工作過(guò)程，分析的信息包括結(jié)合面的類(lèi)型、接觸過(guò)程施加的載荷、接觸實(shí)驗(yàn)的工作點(diǎn)數(shù)量和位置，在所有參數(shù)取得具有高精度的情況下，將各類(lèi)信息直接輸入到空間直角坐標(biāo)系中，通過(guò)連線的方法獲得模型。在優(yōu)化過(guò)程，要根據(jù)有限元分析模型分析結(jié)合面中存在的薄弱點(diǎn)，之后根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和理論體系，制定優(yōu)化方案并二次模擬以及多次模擬分析。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉長(zhǎng)山，呂燦燦.有限元分析法在數(shù)控機(jī)床主軸單元設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，2019，32（04）：92-94.

[2]高志強(qiáng).機(jī)械結(jié)合面接觸剛度及阻尼的理論模型研究[D].西安理工大學(xué)，2018.

[3]朱堅(jiān)民，何丹丹.基于頻響函數(shù)分析的主軸-刀柄-刀具結(jié)合面軸向分布參數(shù)辨識(shí)[J].中國(guó)機(jī)械工程，2017，28（16）：1891-1898.

[4]莊鵬，秦闖，劉戰(zhàn)強(qiáng).基于柔度耦合子結(jié)構(gòu)法的主軸-卡盤(pán)與工件結(jié)合面參數(shù)辨識(shí)[J].機(jī)床與液壓，2017，45（07）：38-42，47.