1、在高速高精加工過程中,由于數(shù)控機床力學特性、熱學特性以及力熱耦合特性的影響,機床熱誤差和切削振動已經(jīng)成為制約加工質(zhì)量和效率提高的主要因素。數(shù)控機床作為復雜的機電裝備,是典型的非線性系統(tǒng)。本文以非線性系統(tǒng)辨識及控制為理論基礎,綜合運用赫茲接觸理論、神經(jīng)網(wǎng)絡、有限差分理論和信號分析理論等方法,以數(shù)控機床進給系統(tǒng)和切削過程為對象,深入研究了加工過程中工況參數(shù)(主軸轉(zhuǎn)速、進給量、軸向切深等)與進給軸熱定位誤差以及切削振動的關系模型,提出了基于工

2、況參數(shù)調(diào)整的加工過程進給軸熱定位誤差以及切削振動優(yōu)化方法。
　　以準高速進給系統(tǒng)實驗平臺為對象,分析了各種工況因素對進給系統(tǒng)支撐軸承的溫度變化的影響。以葉輪銑削加工為對象,分析了切削參數(shù)(主軸轉(zhuǎn)速、進給速度、切深等)對切削振動狀態(tài)的影響。實驗分析表明,數(shù)控加工過程中工況參數(shù)是機床動態(tài)特性的決定性因素。在此基礎上,以NARMA-L2非線性系統(tǒng)辨識模型為理論依據(jù),結(jié)合小波神經(jīng)網(wǎng)絡建模方法,提出了WNN-NARMAL2神經(jīng)網(wǎng)絡模型,建立

3、了工況參數(shù)與機床動態(tài)特性的關系模型,實現(xiàn)了變工況條件下的數(shù)控機床動態(tài)特性預測。
　　針對數(shù)控機床進給系統(tǒng)中支撐滾動軸承由于滾動球體與內(nèi)、外滾道之間的不完全接觸而引起的接觸熱阻和摩擦發(fā)熱問題,以赫茲接觸理論為依據(jù),研究了軸承內(nèi)部載荷分布和橢圓接觸區(qū)域參數(shù)的確定方法,結(jié)合半空間橢球坐標系Laplace溫度分布方程,提出了滾動球體與內(nèi)、外滾道之間接觸熱阻的理論計算方法;研究了接觸區(qū)域滾動球體旋轉(zhuǎn)和滑移摩擦力矩的計算方法,提出了滾動球體與

4、內(nèi)、外滾道之間的摩擦發(fā)熱率理論計算方法;分析了不同工況參數(shù)對滾動球體與內(nèi)、外滾道之間接觸熱阻及發(fā)熱率的影響,并在自制準高速進給系統(tǒng)實驗平臺上進行了實驗驗證。
　　以準高速進給系統(tǒng)實驗平臺為對象,通過正交實驗分析了工況參數(shù)對進給系統(tǒng)熱源溫升的影響,通過定義工況距離參數(shù)和進行聚類分析,建立了針對進給系統(tǒng)熱源溫升預測的工況規(guī)則庫。在此基礎上,以WNN-NARMAL2神經(jīng)網(wǎng)絡模型為依據(jù),建立了工況參數(shù)與進給系統(tǒng)熱源溫升的關系模型,實現(xiàn)了基

5、于工況參數(shù)的進給系統(tǒng)熱源溫升預測。
　　以兩端支撐軸承溫度、接觸熱阻和摩擦發(fā)熱量以及絲杠螺母移動熱源為邊界條件,采用改進的分組顯式有限差分方法對進給系統(tǒng)滾珠絲杠熱傳導方程進行數(shù)值求解,得到了不同工況條件下的滾珠絲杠溫度場和熱變形分布。在此基礎上,建立了滾珠絲杠熱變形與進給系統(tǒng)熱誤差的關系模型,實現(xiàn)了以工況參數(shù)為初始輸入的進給系統(tǒng)熱誤差預測;以接觸分析為理論依據(jù),采用ANSYS參數(shù)化設計與分析語言建立了進給系統(tǒng)熱分析有限元參數(shù)化模型

6、,進行了進給系統(tǒng)溫度場和滾珠絲杠熱變形仿真求解,并與數(shù)值求解結(jié)果進行了比較。
　　以葉輪銑削加工為實例,以銑削過程動力學模型為基礎,分析了切削過程中的振動頻率;基于小波包分析理論,分析了切削狀態(tài)變化時振動信號的頻率轉(zhuǎn)移特性和諧振信號幅值變化規(guī)律,提出了振動狀態(tài)預先判別關鍵特征量的提取方法。在此基礎上,基于WNN-NARMAL2神經(jīng)網(wǎng)絡模型,建立了工況參數(shù)與諧振信號幅值的關系模型,實現(xiàn)了基于工況參數(shù)的切削振動幅值實時預測。
　

7、　以最小二乘支持向量機多分類算法為基礎,以支撐軸承以及絲杠螺母溫度信號的均值、方差、均方值和最大值作為特征量,對于數(shù)控加工過程中的進給軸熱定位誤差進行有效識別;基于振動信號的小波包分解,以振動倍頻成分的相對小波包能量以及標準偏差作為特征量,對于加工過程失穩(wěn)而引起的振動誤差進行準確判別;以基于工況參數(shù)的進給系統(tǒng)熱定位誤差和切削振動實時預測為基礎,結(jié)合粒子群多目標優(yōu)化算法,提出了基于多目標優(yōu)化Pareto最優(yōu)解集的工況參數(shù)調(diào)整方法,實現(xiàn)了基