面向用户需求的精密数控机床整机静刚度预估方法研究

摘要

在加工过程中，数控机床由于静刚度不足而产生变形，从而使刀具和工件的实际位置和理想位置产生偏差（方向及位置偏差），严重影响其加工精度。静刚度是机床设计的重要指标之一。机床静刚度是指机床本身承受恒定载荷、抵抗变形的能力。静刚度不足，会导致机床变形，影响其加工精度和效率等等。如何解决机床静刚度问题，是当前机床设计的重要内容之一。在对现有机床静刚度的研究基础上，本文以某中型立式加工中心为研究对象，基于需求元模型，利用铣削力系数辨识建模、机床切削力误差建模及整机静刚度建模，对其整机静刚度进行研究，为机床设计提供理论依据和实际指导。本文主要工作如下： （1）总结机床需求元及静态特性研究的国内外现状。提出当前机床静刚度研究的不足之处，根据现有的文献资料，以进行进一步的分析研究。 （2）建立面向精密数控机床用户的需求元模型。总结用户需求的分类及特点，进行需求元描述、需求分解和需求建模，并将客户的最初抽象模糊需求信息分解为设计者的具体明确需求元信息。以数控机床为例，构建基于用户需求的多级递阶需求元模型。 （3）建立铣削力系数辨识模型。以铣削为例，通过铣削力微元建模、瞬时铣削力建模及积分上下限界定构建铣削力系数辨识模型。采用正交试验设计方法试验，由MATLAB进行数据回归分析，获得该铣刀-试件条件下的铣削力系数辨识模型，并验证。 （4）建立切削力误差模型及整机静刚度模型。以某中型立式加工中心为研究对象，基于多体系统理论，利用拓扑结构和低序体序列，推导相邻体间的特征矩阵，由齐次方程变换构建切削力误差模型。分析机床受力及变形，采用静刚度系数确定法，初步构建整机静刚度数学模型。 （5）搭建铣削试验平台，进行整机静刚度试验。试件设计用于铣削试验，力测力仪KISTLER9129用于铣削力测量；三坐标测量仪Croma686用于垂直度测量。在试验数据的基础上，将理论结果与试验结果进行了对比，分析预估机床的整机静刚度。

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