數(shù)控工作臺(tái)非線性動(dòng)態(tài)特性的辨識研究.pdf

1、數(shù)控工作臺(tái)是數(shù)控機(jī)床的主要組成部分之一。各部件之間的彈性變形、摩擦、間隙等已成為進(jìn)給系統(tǒng)定位精度、跟蹤精度等動(dòng)態(tài)性能提高的瓶頸。對數(shù)控工作臺(tái)的動(dòng)態(tài)特性的研究很多，但針對其非線性特征的研究尚不多見。
　　 本文采用 “試驗(yàn)探討——理論分析——試驗(yàn)驗(yàn)證”的研究途徑和“綜合——分析——綜合”的研究步驟，從實(shí)測數(shù)控工作臺(tái)的動(dòng)態(tài)信號入手，對采集的時(shí)間序列進(jìn)行一系列的分析，作出其動(dòng)態(tài)特性的非線性判斷；對數(shù)控工作臺(tái)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)建立了數(shù)學(xué)模型，對

2、剛度和摩擦力的非線性動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了模型結(jié)構(gòu)辨識、分岔與混沌分析，獲得了大量關(guān)于數(shù)控工作臺(tái)非線性動(dòng)態(tài)特性的規(guī)律；通過試驗(yàn)研究進(jìn)行了模型適用性檢驗(yàn)；分析了非線性動(dòng)態(tài)特征對數(shù)控加工性能的影響并提出了相應(yīng)的應(yīng)對措施。主要包括以下幾方面的內(nèi)容。
　　 首先，做出了數(shù)控工作臺(tái)動(dòng)態(tài)特性的混沌特征的判斷，明確了系統(tǒng)的非線性性質(zhì)；建立了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，清晰地表示出了數(shù)控工作臺(tái)各組成部分之間的關(guān)系。
　　 其次，對數(shù)控工作各個(gè)部分的剛度進(jìn)行

3、了研究，分析了滾珠絲杠的四種支承方式的力學(xué)模型和不同支承方式下的滾珠絲杠的軸向剛度、扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲撓度的變化規(guī)律，對軸承剛度、滾珠螺母剛度和支座剛度也作了簡要地分析。著重對剛度的非線性特征進(jìn)行了研究，提出了根據(jù)數(shù)控工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方向和工作位置不同，滾珠絲杠的剛度分別呈軟彈簧特性或硬彈簧特性，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)遵從軟、硬特性的Duffing方程的結(jié)論。該結(jié)論對于研究螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等一類直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及細(xì)長軸類零件加工系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性具有普遍的適用性。

4、
　　 接著，簡單介紹了摩擦力特性和摩擦模型。著重對摩擦力的非線性特征進(jìn)行了研究，提出了根據(jù)工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向，非線性摩擦力的變化規(guī)律在Stribeck摩擦曲線的四個(gè)摩擦特性區(qū)間內(nèi)的非線性摩擦力的響應(yīng)分別遵從不同的規(guī)律。即在全液體潤滑區(qū)域的作用效果相當(dāng)于增加了系統(tǒng)的阻尼；在邊界潤滑和半液體潤滑區(qū)域Stribeck曲線出現(xiàn)負(fù)斜率，其作用效果相當(dāng)于減小了系統(tǒng)的阻尼，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)負(fù)阻尼時(shí)其動(dòng)態(tài)特性遵循Van der pol方程；

5、在靜摩擦區(qū)域Stribeck曲線斜率為正的大數(shù)值，其作用效果使系統(tǒng)阻尼瞬間陡增，遏制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。該上述結(jié)論對于研究機(jī)床導(dǎo)軌副、齒輪傳動(dòng)副、凸輪傳動(dòng)副和摩擦傳動(dòng)副的非線性摩擦特性，以及金屬切削過程的非線性摩擦特性具有普適性。
　　 同時(shí)提出了當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)負(fù)阻尼時(shí)，同時(shí)考慮彈簧力和摩擦力非線性作用，耦合系統(tǒng)遵循Lienard方程的具體形式Van Der Pol-Duffing耦合方程。該上述結(jié)論對于研究螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等一類直線運(yùn)動(dòng)機(jī)

6、構(gòu)以及細(xì)長軸類零件加工系統(tǒng)的非線性剛度和摩擦耦合特性具有普適性。
　　 通過對不同工況下Duffing方程、Van der pol方程和Van Der Pol-Duffing耦合方程的解析分析、數(shù)值仿真、分岔與混沌分析，獲得了大量關(guān)于數(shù)控工作臺(tái)非線性動(dòng)態(tài)特性的規(guī)律。
　　 以華中數(shù)控公司生產(chǎn)的ZJK7532型數(shù)控鉆銑床的工作臺(tái)為測試對象進(jìn)行試驗(yàn)研究，從不同角度驗(yàn)證了理論分析結(jié)論的有效性；根據(jù)理論分析和試驗(yàn)研究的所得的規(guī)律