一种机床固定结合部动态特性的检测方法

专利名称：：一种机床固定结合部动态特性的检测方法
技术领域：
：本发明属于机床动态特性参数分析的
技术领域：
，涉及一种机床固定结合部的动态特性检测方法。
背景技术：
：整机结构由通过许多结合部连接在一起的许多零件组成。若全面考虑力学特性(如预紧力)、物理属性(如尺寸、表面加工方式、材料特性等)，很难建立结合部动力学的复杂关系。传统的实验模态分析系统已经广泛地用在数控装备结构的模态参数识别上了，在本领域属于公知，例如见中国专利申请号为=200610171541.6，发明名称为数控装备加工动力学特性测试分析系统，基于输入输出信号分析的整套测试分析的软件平台。中国专利申请号为=87107568.7，发明名称为模态分析计算机优化算法，提供了假设输入为白噪声的模态参数提取方法。以上这些系统或者算法都是通过试验设备测试激励响应信号，或假设输入为白噪声的情况下来进行的。而进行机床固定结合部虚拟材料固有属性参数化检测的方法在本领域属于创新。
发明内容本发明的目的旨在克服现有技术之不足，提供一种机床固定结合部动态特性的检测方法，该方法所带来的误差较小。本发明提供的一种机床固定结合部动态特性的检测方法，其特征在于，该方法包括下述步骤第1步将机床上的各固定结合部分别视为一种等截面的虚拟材料，获取各虚拟材料的弹性模量、泊松比和密度；设构成固定结合部的二个零件分别为第一零件与第二零件，则该固定结合部所对应的虚拟材料的弹性模量、泊松比和密度的计算过程为步骤(1.1)获取虚拟材料的弹性模量E和切变模量Gx利用式①、式②计算得到虚拟材料的弹性模量虚拟材料的弹性模量E函数表示为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>虚拟材料的法向载荷P函数表示为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>其中，I表示第一、第二零件实际接触面积，\6表示第一、第二零件实际临界接触面积，D表示第一零件或第二零件的表面轮廓分形维数，E'表示第一、第二零件相接触的等效弹性模量，G表示第一零件或第二零件的分形粗糙度参数，^表示第一、第二零件接触面上最大弹性微接触点的面积，ae表示第一、第二零件接触面划分弹、塑性区域的临界面积；K表示相关系数，表示第一零件和第二零件中硬度较低材料的屈服强度；虚拟材料的切变模量Gx为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>③其中，0表示切向载荷与法向载荷之比，f表示摩擦因数，G'表示两接触粗糙表面的等效切变模量步骤(1.2)根据式④，计算得到虚拟材料的泊松比u<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>④其中，E*表示相应无量纲的虚拟材料的弹性模量，采用式⑤计算<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>G/表示相应的无量纲虚拟材料的切变模量，采用式⑥计算<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>其中，A/表示无量纲实际接触面积，表示无量纲实际临界接触面积，a。*表示无量纲划分弹、塑性区域的临界面积；步骤(1.3)根据公式⑦计算得到虚拟材料的密度。虚拟材料的密度P为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>p工、p2分别表示第一、第二零件的密度，hph2分别表示第一、第二零件的法向高度；第2步将各虚拟材料的弹性模量、泊松比和密度分别输入到有限元软件中，得到各虚拟材料所对应的固定结合部的有限元模型；第3步利用各个固定结合部的有限元模型，按照各零件间刚性连接的方法计算得到包含机床结合部影响的机床整机动态特性。即通过试验测量机床部件的弹性模量、泊松比、密度、屈服强度、硬度和几何尺寸参数，达到机床固定结合部检测的目的。实施本发明提供的一种机床固定结合部的参数化检测的方法，其有益效果是本发明突破了已有传统结合部弹簧_阻尼器理论模型、结合部经验公式的束缚，提出了结合部参数的一套检测方法，在固定结合部特别是在螺栓联接固定结合部参数检测方面具有突破性进展；另外，对一些精密数控机床，在不允许直接对其进行损伤性破坏实验时，使用本方法，实验成本可以大大降低。并且本检测方法所带来的误差较小图1是机床固定结合部的三类连接形式的示意图，其中，(a)为横梁-立柱连接，(b)为横梁-导轨连接，(c)为滑座体-滑块连接；图2是含一个结合部的复杂部件的示意图；图3是含一种虚拟材料的简单零件示意图；图4是两球体微接触点的弹性接触示意图，其中，(a)为两球体微接触点接触无变形，(b)为两球体微接触点接触有变形，(c)为等效球体微接触点与刚性平面的接触；图5是两球体微接触点的切向微滑及粘附接触的示意图；图6是哑铃状测试试件示意图；图7是动力学测试系统的示意图。具体实施例方式本发明的结合部检测方法能够预测整机结构的动态特性，机床固定结合部的通用连接形式如图1所示，其中L为外结合部的长，b为外结合部的宽，k为内结合部的长，h为内结合部的宽。机床固定结合部动态特性是指被连接零件在外激励下的一种响应，固定结合部多指螺栓结合部，被连接零件通常为2个，机床固定结合部的动态特性包括整机的振型、固有频率、结合部的刚度、阻尼等。含一个固定结合部的部件如图2所示，零件1、2之间有相对位移。现将固定结合部3看成一种等截面的虚拟材料4，通过检测零件1、2的属性(即弹性模量、泊松比、密度、屈服强度、硬度和几何尺寸参数)，计算得到该虚拟材料的弹性模量、泊松比、密度、厚度。假设虚拟材料与固定结合部两侧的零件1、2刚性连接，这样通过增加一个元件(虚拟材料4)即可将图2的复杂部件等效为一个零件，能将固定结合部问题简单化。含一种虚拟材料的简单零件如图3所示。图3中，h表示虚拟材料的厚度。上面说明的是一个固定结合部的通用情况。实际中，一个机床当然会有多个固定结合部，因为利用传统方法单个零件的特性很容易解决，实际机床固定结合部有几个固定结合部，相应就有几种虚拟材料，掌握这几种虚拟材料的参数就可以检测整机的动态特性。结合部检测方法包括如下5个步骤步骤(1)获取虚拟材料的弹性模量和切变模量通过实验的方法只需要检测出结构零件1、2的属性，通过联立公式(1)和公式(2)，可计算得到虚拟材料的弹性模量，虚拟材料的弹性模量E函数表示<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>虚拟材料的法向载荷P函数表示<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(2)相应无量纲的虚拟材料的弹性模量和无量纲的结合部法向载荷分别为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>式中，D——零件1或零件2的表面轮廓分形维数E'-零件1和零件2相接触的等效弹性模量，单位是PaG——零件1或零件2的分形粗糙度参数，单位是maL——零件1和零件2接触面上最大弹性微接触点的面积，单位是m2Ar——零件1和零件2实际接触面积，单位是m2ae——零件1和零件2接触面划分弹、塑性区域的临界面积，单位是m2K——相关系数，H/oyH——零件1和零件2中较软材料的硬度，单位是Paoy—零件1和零件2中较软材料的屈服强度，单位是Pa——材料特性，oy/E'E——虚拟材料的弹性模量，单位是PaP——零件1和零件2结合部的法向载荷，单位是NAre——零件1和零件2实际临界接触面积，单位是m2E*——虚拟材料的无量纲弹性模量，E/E'A；——无量纲实际接触面积，Ar/AaAa——零件1和零件2的表观接触面积，单位是m2Ar；——无量纲实际临界接触面积，Arc/AaG*——无量纲分形粗糙度参数，a；——无量纲划分弹、塑性区域的临界面积，ac/Aap；——虚拟材料的无量纲表观压应力pa——虚拟材料的表观压应力，单位是Pa受法向、切向载荷两球体微接触点的切向接触如图4所示，在保持戶力不变的情况下，再施加平行于x轴作用的么力；么为一个球体微接触点所受的切向载荷。小于极限摩擦力卢的切向载荷么的作用是在一部分交界面Si={(P,e)|c^P0上产生小的相对运动，称之为微滑，其中f为动摩擦的一个常系数，它的值由材料和接触面的物理条件所决定；c为微滑接触圆环的内半径；r为微滑接触圆环的外半径；极半径P=‘2+/；极角0=arctan(y/x)0交界面的其余部分S2={(P，0)|0^P<c,0^0没有相对运动而只发生变形，这种区域中的表面叫做粘连或粘附，其中c也称为粘附接触圆的半径。粘附区S2和微滑区Si组成整个接触表面S={(P，0)P<r，0<e<231}。联立公式(2)和公式(5)，可计算得到虚拟材料的切变模量Gx为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>相应的无量纲虚拟材料的切变模量为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>(5)(6)式中Gx——虚拟材料的切变模量3——切向载荷与法向载荷之比，Qx/PQx——虚拟材料的切向载荷P——虚拟材料的法向载荷G；——虚拟材料的无量纲切变模量，Gx/G'步骤(2)根据公式(3)、(6)和(7)，计算得到虚拟材料的泊松比<虚拟材料的泊松比为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>-零件1和零件2接触表面的等效泊松比步骤(3)根据公式(8)计算得到虚拟材料的密度,虚拟材料的密度为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>式中<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>一零件1、2的密度-零件1、2的法向高度步骤(4)首先根据步骤(1)所计算出的虚拟材料弹性模量、步骤(3)所计算出的虚拟材料泊松比、密度总共3个参数，然后将这3个参数输入到有限元软件(如MSC.Nastran)中，就可得到该虚拟材料所对应的固定结合部的有限元模型。步骤(5)针对整机机床的多个结合部，依据步骤(1)(4)建立各个结合部的有限元模型，从而在有限元软件(如MSC.Nastran)中可以按照现有的各零件间刚性连接的方法实现包含机床结合部影响的机床整机动态特性(如振型、固有频率、位移等)计算。所述有限元软件除MSC.Nastran外，还可以采用ANSYS、ADINA和ABAQUS等软件。2实例分析2.1试件的设计为了充分反映结合部的特性且使结构尽量简化，设计了如图6所示固定结合部的结构，两个内六角螺栓将零件1、2连接，图6所示的固定结合部也称为螺栓结合部，这种结合部是机床结合部的一般形式。2.2动力学实验装置动力学测试框图如图7所示，该设备包括比利时的LMSTest.Lab9B振动测试和分析系统，具体包括输入设备(如力锤)、输出设备(如显示结果的计算机)等，图7中的标记5为螺栓，6为螺栓，7为力锤，8为LMSTest.Lab9B分析软件，9为振动测试和分析系统，10为传感器。在模态测试的过程中，所用力锤是美国PCB公司的086C04压电式冲击力锤，冲击力锤的冲击头是尼龙材料，测试加速度传感器是356A15压电式加速度传感器。2.3机床固定结合部虚拟材料参数的有效性验证精铣加工、丙酮清洗机床固定结合部两接触表面，图5所示零件的物理参数见表1。表1零件1和零件2接触表面的物理参数<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>根据表1数据，在每个螺栓均承受3种拧紧力矩30Nm、60Nm、90Nm工况下，结合部虚拟材料的参数见表2，Yoshimura模型的参数见表3。表23种工况下虚拟材料的参数<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>表33种工况下Yoshimura模型的参数<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>在每个螺栓均分别承受30N·m、60N·m、90N·m工况下，各种模型识别固有频率与实验识别固有频率的比较见表4。Yoshimura模型的相对误差远远大于虚拟材料模型的相对误差，虚拟材料模型的相对误差在(_99)%之间。表4各种模型固有频率(Hz)与实验固有频率的比较<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。权利要求一种机床固定结合部动态特性的检测方法，其特征在于，该方法包括下述步骤第1步将机床上的各固定结合部分别视为一种等截面的虚拟材料，获取各虚拟材料的弹性模量、泊松比和密度；设构成固定结合部的二个零件分别为第一零件与第二零件，则该固定结合部所对应的虚拟材料的弹性模量、泊松比和密度的计算过程为步骤(1.1)获取虚拟材料的弹性模量E和切变模量Gx利用式①、式②计算得到虚拟材料的弹性模量虚拟材料的弹性模量E函数表示为<mrow><mi>E</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>A</mi><mi>r</mi></msub><mo>></mo><msub><mi>A</mi><mi>rc</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>D</mi></mrow><mrow><mn>3</mn><msup><mi>&pi;</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><msup><mi>E</mi><mo>&prime;</mo></msup><msup><mi>G</mi><mrow><mn>1</mn><mo>-</mo><mi>D</mi></mrow></msup><msubsup><mi>a</mi><mi>L</mi><mrow><mn>0.5</mn><mi>D</mi></mrow></msubsup><mrow><mo>(</mo><msubsup><mi>a</mi><mi>c</mi><mrow><mo>-</mo><mn>0.5</mn></mrow></msubsup><mo>-</mo><msubsup><mi>a</mi><mi>L</mi><mrow><mo>-</mo><mn>0.5</mn></mrow></msubsup><mo>)</mo></mrow></mrow>①虚拟材料的法向载荷P函数表示为<mrow><mi>P</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>A</mi><mi>r</mi></msub><mo>></mo><msub><mi>A</mi><mi>rc</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfencedopen='{'close=''><mtable><mtr><mtd><mfrac><mrow><mn>4</mn><msqrt><mi>&pi;</mi></msqrt><mi>D</mi></mrow><mrow><mn>3</mn><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>-</mo><mn>2</mn><mi>D</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><msup><mi>E</mi><mo>&prime;</mo></msup><msup><mi>G</mi><mrow><mi>D</mi><mo>-</mo><mn>1</mn></mrow></msup><msubsup><mi>a</mi><mi>L</mi><mrow><mn>0.5</mn><mi>D</mi></mrow></msubsup><mrow><mo>(</mo><msubsup><mi>a</mi><mi>L</mi><mrow><mn>1.5</mn><mo>-</mo><mi>D</mi></mrow></msubsup><mo>-</mo><msubsup><mi>a</mi><mi>c</mi><mrow><mn>1.5</mn><mo>-</mo><mi>D</mi></mrow></msubsup><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mfrac><mi>D</mi><mrow><mn>2</mn><mo>-</mo><mi>D</mi></mrow></mfrac><mi>K</mi><msub><mi>&sigma;</mi><mi>y</mi></msub><msubsup><mi>a</mi><mi>L</mi><mrow><mn>0.5</mn><mi>D</mi></mrow></msubsup><msubsup><mi>a</mi><mi>c</mi><mrow><mn>1</mn><mo>-</mo><mn>1.5</mn><mi>D</mi></mrow></msubsup><mi>forD</mi><mo>&NotEqual;</mo><mn>1.5</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><msqrt><mi>&pi;G</mi></msqrt><msup><mi>E</mi><mo>&prime;</mo></msup><msubsup><mi>a</mi><mi>L</mi><mn>0.75</mn></msubsup><mi>ln</mi><mfrac><msub><mi>a</mi><mi>L</mi></msub><msub><mi>a</mi><mi>c</mi></msub></mfrac><mo>+</mo><mn>3</mn><mi>K</mi><msub><mi>&sigma;</mi><mi>y</mi></msub><msubsup><mi>a</mi><mi>L</mi><mn>0.75</mn></msubsup><msubsup><mi>a</mi><mi>c</mi><mn>0.25</mn></msubsup><mi>forD</mi><mo>=</mo><mn>1.5</mn></mtd></mtr></mtable></mfenced></mrow>②其中，Ar表示第一、第二零件实际接触面积，Are表示第一、第二零件实际临界接触面积，D表示第一零件或第二零件的表面轮廓分形维数，E′表示第一、第二零件相接触的等效弹性模量，G表示第一零件或第二零件的分形粗糙度参数，aL表示第一、第二零件接触面上最大弹性微接触点的面积，ae表示第一、第二零件接触面划分弹、塑性区域的临界面积；K表示相关系数，σy表示第一零件和第二零件中硬度较低材料的屈服强度；虚拟材料的切变模量Gx为<mrow><msub><mi>G</mi><mi>x</mi></msub><mrow><mo>(</mo><msub><mi>A</mi><mi>r</mi></msub><mo>></mo><msub><mi>A</mi><mi>rc</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mn>16</mn><mi>&pi;</mi></mfrac><msup><mrow><mroot><mrow><mn>1</mn><mo>-</mo><mfrac><mi>&beta;</mi><mi>f</mi></mfrac></mrow><mn>3</mn></mroot><mi>G</mi></mrow><mo>&prime;</mo></msup><mo>[</mo><msup><mrow><mo>(</mo><mfrac><msub><mi>a</mi><mi>L</mi></msub><msub><mi>a</mi><mi>c</mi></msub></mfrac><mo>)</mo></mrow><mrow><mn>0.5</mn><mi>D</mi></mrow></msup><mo>-</mo><mn>1</mn><mo>]</mo></mrow>③其中，β表示切向载荷与法向载荷之比，f表示摩擦因数，G′表示两接触粗糙表面的等效切变模量步骤(1.2)根据式④，计算得到虚拟材料的泊松比υ<mrow><mi>&upsi;</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><msup><mi>&mu;</mi><mo>&prime;</mo></msup><mo>)</mo></mrow><msup><mi>E</mi><mo>*</mo></msup></mrow><msubsup><mi>G</mi><mi>x</mi><mo>*</mo></msubsup></mfrac><mo>-</mo><mn>1</mn></mrow>④其中，E*表示相应无量纲的虚拟材料的弹性模量，采用式⑤计算<mrow><mi>E</mi><mo>*</mo><mrow><mo>(</mo><msubsup><mi>A</mi><mi>r</mi><mo>*</mo></msubsup><mo>></mo><msubsup><mi>A</mi><mi>rc</mi><mo>*</mo></msubsup><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>D</mi></mrow><mrow><mn>3</mn><msup><mi>&pi;</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><msup><mrow><msup><mrow><mi>G</mi><mo>*</mo></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>-</mo><mi>D</mi></mrow></msup><mrow><mo>(</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mo>-</mo><mi>D</mi></mrow><mi>D</mi></mfrac><msubsup><mi>A</mi><mi>r</mi><mo>*</mo></msubsup><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mn>0.5</mn><mi>D</mi></mrow></msup><mo>[</mo><msubsup><mi>a</mi><mi>c</mi><mrow><mo>*</mo><mo>-</mo><mn>0.5</mn></mrow></msubsup><mo>-</mo><msup><mrow><mo>(</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mo>-</mo><mi>D</mi></mrow><mi>D</mi></mfrac><msubsup><mi>A</mi><mi>r</mi><mo>*</mo></msubsup><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>-</mo><mn>0.5</mn></mrow></msup><mo>]</mo></mrow>⑤Gx*表示相应的无量纲虚拟材料的切变模量，采用式⑥计算<mrow><msubsup><mi>G</mi><mi>x</mi><mo>*</mo></msubsup><mrow><mo>(</mo><msubsup><mi>A</mi><mi>r</mi><mo>*</mo></msubsup><mo>></mo><msubsup><mi>A</mi><mi>rc</mi><mo>*</mo></msubsup><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mn>16</mn><mi>&pi;</mi></mfrac><mroot><mrow><mn>1</mn><mo>-</mo><mfrac><mi>&beta;</mi><mi>f</mi></mfrac></mrow><mn>3</mn></mroot><mo>[</mo><msup><mrow><mo>(</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mo>-</mo><mi>D</mi></mrow><mi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