数控机床导轨滑块结合部组建模与参数辨识方法研究.docx

2 0 1 4 年 7 月农 业 机 械 学 报第 45 卷 第 7 期doi: 10． 6041 / j． issn． 1000-1298． 2014． 07． 048数控机床导轨滑块结合部组建模与参数辨识方法研究*杨勇1张为民2陈希光1( 1． 同济大学机械与能源工程学院，上海 201804; 2． 同济大学中德学院，上海 200092)摘要: 提出理论建模-动态试验-多目标优化技术的广义结合部组参数辨识方法，该方法在综合考虑结合部组与被 连接件间的双重耦合特性、构建导轨滑块系统广义等效结合部组模型的基础上，通过结构凝聚技术降低计算成本 保证计算精度，最终推导得到约束状态下以阻抗形式表达的整体动力学模型，基于未知传递函数 / 阻抗数据信息获 取，将理论建模、动态试验与多目标优化问题求解相结合对结合部参数进行辨识。实例表明，该广义结合部组参数 辨识方法的辨识精度较高，模态频率及频响函数的误差非常小，该辨识方法有效。关键词: 数控机床 导轨滑块 结合部组 数学模型 参数辨识中图分类号: TH136 文献标识码: A 文章编号: 1000-1298( 2014) 07-0313-08引言在数控机床中，导轨滑块起到导向和支撑作用， 由于其动力学特性直接影响到整个机床的加工精 度、产品质量，一直以来备受国内外学者的关注，围 绕其动力学性能、建 模与参数辨识展开了众多研 究［1 － 6］。目前常采用的结合部模型可以分为: 基于接触 理论的结合面模型，例如 G-W 接触模型［5］、M-B 接 触分形模型［6 － 8］、Hertz 接触理论模型［9］ 等，这些模 型均基于接触力学相关理论，求解过程涉及经验公 式且参数较多，粗糙度给定基于统计学理论，从而造 成数据求解的不稳定及建模精度的可靠性降低; 基 于替代模型的结合部动力学建模，该模型的基本思 想是通过试验设计借助先进的优化算法、回归分析 技术等，建立结合部的动力学替代模型［10 － 12］，实现 结合部参数预测，该方法为了提高预测精度需要做大量的试验，工作较繁琐; 基于有限单元法理论的结 合面模型，其中弹簧-阻尼结合部模型［13 － 14］ 采用弹 簧近似表征结合部动力学性能，简单通用却忽略了各弹簧的耦合效应，对 各自由度耦合效果考虑不 足［15］，而基于接触单元的结合面模型在一定程度解 决了这个问题，该方法将结合面理解为接触单元，通 过构造接触单元等效力学模型［6，15］来实现结合部建 模，此外，部分学者通过等参单元和 IWAN 梁单元来 建立结合部模型［16 － 17］，但这两类模型对于复杂机械 结构的适用性较差。在确定结合部动力学模型的基础上，需要进一步对结合部模型参数进行识别，在对 结合部等效动力学参数确定时常采用以下方法:①理论解析计算法，例如吉村允孝法、法面特性参数 法等［18］，该方法需要累积较全的数据与资料，公式 表达繁琐，参数获取工作量非常大，且不利于结构系 统设计。②试验辨识法［19 － 20］则基于试验数据，通过 实验获得结合部动态信息后，对其等效参数预估识 别，例如文献［19］中提出基于整体结构频响函数对 结合部参数进行解析，但该类方法常需要对结合部 进行数据测试，鉴于连接方式和试验条件限制，其推广应用受到限制，此外，此类方法多需要求逆运算， 从而将测试误差放大。③理论建模-动态试验识别 法则将前两种方法结合，在工程上得到广泛应用，例 如传递矩阵识别法通过将复杂多自由度系统分离后 构造最佳拟合圆方程识别结合部参数，文献［21］则 采用 Inamura-Sata 参数识别法使用模态向量及特征 值对结合部参数进行辨识。实际上，后两类辨识方 法又可以根据不同的试验数据方法分为模态测试辨 识法［21］与频响函数测试辨识法［19］。前者对模态参 数精度的敏感性较强，在测试模态向量空间交角较 小、正交性较差、模态重合较严重的情况下，基于模 态测试的辨识方法将会产生较大的误差; 而后者则 直接利用原始频响函数进行辨识，避免特征模态提 取过程从而在一定程度上降低其对辨识精度的影 响。基于上述分析，本文综合考虑结合部组内以及 结合部组和被连接件之间的双重耦合特性，构建导收稿日期: 2013-08-05修回日期: 2013-08-29*国家科技重大专项资助项目( 2012Z作者简介: 杨勇，博士生，主要从事机床动态特性研究，E-mail: yangyong5114360@ 163． com314农 业 机 械 学 报2 0 1 4 年轨滑块系统广义等效结合部组模型，通过结构凝聚 技术在保证计算精度降低计算成本的情况下借助动 刚度综合法、阻抗综合法构建整体结构动力学模型， 通过未知阻抗函数获取，提出理论建模-动态试验- 多