数控机床结合面参数实验识别及主结构动态优化

张林林

摘要：数控机床的复杂度较高，其中含有多个结合面，结合面可以分为固定结合面和动态结合面两种，为了能够让结合面的性能参数提高，要分析结合面性能之后对主结构优化。基于对数控机床结合面参数实验识别技术的分析，本文研究了当前数控机床中各类结合面的有限元模型，之后通过对薄弱点位置的确定，分析了主结构的动态优化方法。

关键词：数控机床;结合面;实验识别;结构优化

0  引言

数控机床的结合面运行过程具有不同的工作特征，对于固定式结合面，其强度的30%到50%会作为后续的静态载荷计算标准，但是对于动态情况下的结合面，其强度参数和载荷参数之间的关系并不明确，需要采取合理的方法核算，此外在结合面的配置过程，要研究各个配件的运行流程和工作方式，之后对整体结构做出升级，方可让该区域的运行质量维持稳定。

1  數控机床结合面参数实验识别方式

1.1 结合面类型

结合面主要有两种，一个是固定式结合面，另一个是可动式结合面，对于固定式结合面，其在运行过程中，会通过某些结构和其余类型的固定结构，将两类不同的零件进行固定，该结合面主要的用途包括载荷的传递、整体结构的维持、数控机床运行精度的保障等，结合面的配置过程，要根据传递的载荷形式以及对外部干扰的抵抗水平合理确定[1]。另外在固定式结合面中，主要采用的参数实验识别方式是，通过不断施加外部接触点的方法，研究各区域的振动模态参数，并且需要获得足量样本，建设固定式结合面的模型。

对于可动式结合面，其涵盖多个构件，最主要的构件为滑动导轨，只有在导轨具有极高的稳定度，并且能够承载动载荷的情况下，才可以防止在后续的运行过程中出现精度下降问题。

1.2 轮廓接触作用

实验识别技术的使用过程，会向结合面施加不同的接触载荷，并且将这类接触点以空间载荷的形式记录并建设构件模型。在轮廓建设工作阶段，需要确保接触点的数量符合指标，比如针对某圆柱体结合面，通过施加载荷工作，将该结合面固定，而在轮廓的接触过程，获取的接触点标注到空间直角坐标系中，确定所有的空间点位坐标之后建模，可以获得接触面的轮廓。

在具体的接触表现过程，一方面要确保接触的点位具有较多的数量，才可以确保最终获得的相关参数具有精度保持效果，另一方面需要确定两者的接触载荷，通常情况下接触载荷要保持在较小范围内，以防止过大载荷导致轮廓面变形，具体操作阶段，要根据接触载荷的测量设备合理确定结合面参数。

1.3 轮廓形状参数取得

在轮廓形状的参数取得过程，要根据接触载荷获得的各类点位参数，将各类参数直接输入到空间直角坐标系内，之后将各类参数进行直接使用即可。在参数的取得过程，要求采用的记录设施要能够根据已经制定的工作标准，接触结合面上的各个点，并且通过制定的计算软件，确定各个点位的空间坐标。针对一些特殊性质的结合面，为了能够更好的建模，则需要对薄壁结构的内部和外部进行同期性的采样，在具体的采样工作过程，选用的设备中，要能够直接获得该接触面的外部轮廓，而之后把载荷的发出设备配置到该接触面的内部，完成空间坐标的后续处理工作，可以直接获得该结合面的内部和外部结构面。

1.4 轮廓力学参数取得

力学参数的取得方法，一个是实验测量施加的载荷，另一个是该结构面的本身力学表现，针对前项工作，可以直接使用专业的测量设备，完成多个点的测量任务即可，通常情况下该设备经过调试之后不会向被测量结构施加过大的载荷，而针对结合面的本身参数表现，可以直接使用有限元分析软件，根据实际的运行状态向其表面施加各类载荷[2]。

比如在某固定式结合面的运行过程，载荷方向为按照圆柱体横截面垂直方向的载荷，需要根据该模式向其施加载荷参数即可，而之后使用模态分析技术，研究该结合面不同区域的运行状态和工作性能，当发现某区域的实际载荷量高于设定值时，则可确定在后续的运行过程中容易出现问题，则需要在主结构的动态优化过程做出相应处理。

1.5 结合面有限元分析

在有限元分析过程，核心的工作是分析该结合面的网格划分模式，由于在取样过程，涉及大量点位参数的计算和实际测量，并且各类点位之间的间距较小，所以可以直接按照点位参数设置分析网格，由于各个点位置间距基本均匀，设置的网格可以根据不同点位的间距合理设定。对于不规则的结构，则需要进行进一步的处理，让最终制定的网格结果能够覆盖整个结合面区域，由于在本文的研究中，针对动态结合面主要分析的构件为滑动导轨，所以滑动导轨只需要根据其尺寸参数和外形参数，设置相关数据即可，之后通过划分网格，研究实际运行过程中承受的外部载荷。

2  数控机床结合面主结构动态优化分析

2.1 结合面薄弱点确定

在结合面的薄弱点确定中，要根据该数控机床实际运行过程中所承受的外部载荷参数，分析该构件的本身承力性能，根据有限元分析软件自带的分析系统，研究结合面系统或者各类构件的薄弱点。比如在某可活动结合面的分析过程，发现通过对滑动导轨的研究，其两端的运行参数处于高风险状态，即虽然并未达到弹性模量允许上限，但是实际测量的参数和承力上限之间的差值仅有12%，则可确定该设备在长期的运行过程中，该区域更加容易出现疲劳损坏问题，最终导致滑轨失效，可确定活动式结合面的导轨与固定结构的连接区域需要经过升级，此外，无论是针对可活动式结合面还是固定式结合面，都需要按照实际运行过程中所能够承载载荷的上限施加激励，之后分析该结构的具体运行状态。

2.2 结合面轮廓整体优化

结合面轮廓的整体优化工作中，优化项目包括结合面的面积、结合面的固定模式、结合面的相关运行参数等，其中在振动参数上，主要是研究自然频率，防止在数控机床的运行过程中，设备产生的振动频率和该结构的自然频率相同而产生共振现象[3]。在具体设计阶段，则要借助有限元分析软件，分析在当前的有效载荷情况下，该构件所承受的最大载荷以及产生的振动频率，而对于使用的材料固定和连接的方式，则可以直接使用数据计算功能探究自然频率，通过对于相关载荷的加入，分析在该系统当前的运行过程中，振动频率和自然频率之间的差值状况、该结合面所承受的外部激励、结合面中产生的内部激励参数等，通过各类数据的对比，分析是否处于安全运行状态，而在发现存在安全风险时，要通过相关理论知识使用，对该结构面进行初步性的分析和调整，尤其是针对面积方面的调整，可以适当增加或减少，在获得了预期优化方案后，要将该信息直接更新到有限元分析软件中，根据相应的分析参数，研究该系统的运行状态，当发现最终的更新方案具备结构的安全保障效果时，则可确定最终获得的方案可以处于安全运行状态。

2.3 结合面构件精细优化

在结合面构件的优化过程，需要分析该结构的当前运行表现，同时也要确保建设的精度符合指标，之后设定该结构的精细化控制指标。比如某结构面的构件包括圆柱结构、圆杆结构和铆接结构，则具体的优化过程中，要根据各类构件的参数，综合分析当前建设的模型是否能够承受较大的载荷，而当发现在长期的运行过程，该系统指标和管理标准不符时，则可确定需要在后續的工作中对其升级，优化方法是研究各个区域的动态模量变化情况，并获得相关参数，让各项参数和已经建成的安全运行指标对比，当发现某参数低于设定的标准值时，需要找到该结构上的脆弱点，之后根据该结构的本身作用参数和数控机床的内部空间剩余情况，合理制定优化方案。

2.4 结合面活动结构优化

结合面中通常含有大量的构件，其中可移动式的结合面就包括导轨、小型固定连接机构、其他的固定构件等。在构件的精细优化过程，要研究当前其结构上存在的薄弱点，之后探讨该薄弱点的后续优化模式[4]。比如对某导轨的分析发现，薄弱点为两端结构，由于该导轨使用特定形式和固定构件连接，在长期的运行过程，铆接结构区域容易出现变形，导致系统的精度控制难度大幅提升，在该结构的后续优化中，一方面要分析导轨材料是否可以进行替换，当发现该导轨的材料运行参数基本上固定时，则该构件在后续的升级过程，只需要采用同一类材料完成设计任务即可，另一方面是分析导轨结构的优化工作方案，要增加某结构的孔位数量，提高铆接结构的厚度和接触面积，之后让该结构可以长期使用，并构筑到同一个管理系统中，之后通过对现相关参数的使用，研究是否可以在有限元模拟分析体系之内，该导轨始终保持稳定运行状态。

2.5 有限元分析结果取得

在有限元分析结果的取得过程，分析对象是经过了优化的工作项目，实际上结合面的优化升级工作包括三个任务，首先是对其中存在各类独立性构件的检测，其次是针对整体的检测，最后是找到优化结果中存在的问题，结合面由于含有多个构件，所以检测工作的侧重点为结合状态下该结合面的运行状态，通过对于各类参数的获得和使用，和已经设定的运行标准值对比，预测该方案是否可以使用。

3  结论

综上所述，数控机床结合面参数实验识别工作过程，分析的信息包括结合面的类型、接触过程施加的载荷、接触实验的工作点数量和位置，在所有参数取得具有高精度的情况下，将各类信息直接输入到空间直角坐标系中，通过连线的方法获得模型。在优化过程，要根据有限元分析模型分析结合面中存在的薄弱点，之后根据工程经验和理论体系，制定优化方案并二次模拟以及多次模拟分析。

参考文献：

[1]刘长山，吕灿灿.有限元分析法在数控机床主轴单元设计中的应用[J].机电产品开发与创新，2019，32（04）：92-94.

[2]高志强.机械结合面接触刚度及阻尼的理论模型研究[D].西安理工大学，2018.

[3]朱坚民，何丹丹.基于频响函数分析的主轴-刀柄-刀具结合面轴向分布参数辨识[J].中国机械工程，2017，28（16）：1891-1898.

[4]庄鹏，秦闯，刘战强.基于柔度耦合子结构法的主轴-卡盘与工件结合面参数辨识[J].机床与液压，2017，45（07）：38-42，47.