主軸系統(tǒng)熱特性及切削振動辨識研究.pdf

1、機床日益朝著精度更高、速度更高的方向發(fā)展，提出了更高的機床設計要求。決定機床精度特性的重要組件是主軸系統(tǒng)，是機床發(fā)展路線的主要方面。主軸系統(tǒng)作為機床中最重要的組件之一，在整機系統(tǒng)中提供動力給刀具或加工件，其性能對機床的制造精度、工件的表面粗糙度和加工效率有著很大的影響。研究影響主軸系統(tǒng)精度的熱特性、動力特性等方面，具有很大的現(xiàn)實意義和理論意義。
　　主軸系統(tǒng)的摩擦熱顯著影響著主軸系統(tǒng)的動力學特性,是影響加工精度和效率的主要因素，而

2、主軸系統(tǒng)所產生的摩擦熱則主要來自軸承滾動體與內外圈的摩擦力，故本文首先詳細分析了主軸軸承的動力及熱特性，利用Hertz接觸理論，推導出了其簡化計算方法，計算了主軸軸承內外圈溝道的接觸區(qū)域參數(shù)和接觸載荷，詳細分析計算了軸承在旋轉中所受的各種作用力，建立了考慮熱特性的主軸軸承計算模型和剛度矩陣。針對主軸軸承的熱特性，利用有限元模型進行了計算，較為準確地顯示了軸承膨脹力和溫度分布。由于有限元網格節(jié)點的適應性，其可隨軸承接觸角的變化而改變，也即

3、可隨主軸轉速、預緊力的不同，而適應不同的有限元網格，從而得到較為準確的軸承熱膨脹力，計入到軸承接觸載荷中。同時，詳細考慮了軸承所受的各種摩擦力矩，計算了軸承的熱流量，并推導出了軸承內外圈與滾動體的表面接觸熱阻，為主軸系統(tǒng)的熱特性分析，建立了理論依據(jù)。
　　本文使用了Timoshenko梁理論推導出了主軸的梁單元運動方程，建立起考慮熱特性的主軸系統(tǒng)通用有限元模型。在此模型中考慮了主軸內部的阻尼作用，建立起主軸的通用有限元模型，公式化

4、為與主軸質量和剛度矩陣相關聯(lián)的線性函數(shù)。結合所建立的考慮熱特性的軸承有限元模型，與主軸有限元模型一起，聯(lián)合建立起了考慮熱特性的主軸系統(tǒng)通用有限元模型。建立的模型把熱影響引入到了主軸系統(tǒng)中，方便地分析了主軸系統(tǒng)在不同轉速和預緊力情況下的動力學特性，使主軸系統(tǒng)有限元模型更加符合實際情況，可以為主軸設計提供參考依據(jù)，以保證主軸的最大動態(tài)剛度和功率利用的最大化。
　　主軸系統(tǒng)的熱特性所產生的影響，會對精度產生很大的影響。本文使用基于數(shù)據(jù)變

5、換方法的ANFIS模型，構建了基于ANFIS的主軸熱位移預測模型。首先通過小波變換和低頻信號重構對主軸的溫度和熱位移數(shù)據(jù)等緩慢變化量進行了信息提取，有效地避免了外界高頻信號的干擾，再使用提出的數(shù)據(jù)空間變換方法，近似變換數(shù)據(jù)到ANFIS模型的輸入空間，再通過ANFIS模型進行準確地映射，保證了映射結果的有效性，其模型的正確性通過實驗進行了驗證。同時，對ANFIS模型使用遺傳算法對原有算法進行了改進，改用遺傳算法后，克服了原有算法陷入局部最

6、優(yōu)的缺點。對加工精度有較大影響的另一個因素是切削加工中主軸系統(tǒng)所產生的振動。本文基于小波包能量熵和高階累計量譜理論提出了一種識別切削振動狀態(tài)的特征識別矢量。基于小波包能量信息熵的特征識別量利用小波包理論對切削振動信號進行了三層小波分解，并對每個子空間的信號進行了重構，使用信息熵來量化其能量分布情況，并研究了其小波包能量的分布狀況?；诟唠A累積量譜的特征識別量利用高階累積量譜理論統(tǒng)計了雙譜對角線切片極大值分布情況，采用概率中的離散系數(shù)來量