機床結合部特性的理論與應用研究

鄭興鳳+趙寶平

摘 要：本文以機床結合部簡單結合狀態與特性為切入點，就機床整機建模中結合部特性的融合與應用，進行細致的探討研究，期望為準確了解、掌握機床結合部的特性，推動其特性在機床整機性能提升中的作用，提供有益的參考。

關鍵詞：機床；結合部；特性；應用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.04.194

0 引言

在機床的結構系統中，除了床身、滑座、工作等基本的結構部件外，還存在有導軌聯結、絲桿聯結等結合部。此類結合部對整個機床結構起著極大的性能與正常運行影響。比如機床的靜剛度大小就由其結合部的剛度特性所決定，或是機床所發生的振動故障有60%是來源于結合部。而目前對機床的研究工作多注重機床結構，而相應缺少結合部特性帶來的性能影響與作用。本文據此以機床結合部的典型結合狀態來做理論剖析，并對其結合部特性對機床整機的性能影響與應用做詳細的探究分析。

1 機床結合部簡單結合狀態理論研究

結合面指的是機床兩個構件之間相互接觸的表面部位，因此結合部就是指結合面與其構件在此結合面位置的部分機械結構。而簡單結合狀態指的是在結合部表面受壓力負荷影響而出現變形作用后，相互接觸的兩個構件在結合面位置的結構形狀依然能維持原有的面貌，進而得出結合部構件的剛度要遠大于結合面剛度的結合部特性推斷結論。當然這一對機床構件在結合部位置的剛度特性推論，并不適用于結合部構件剛度與結合面剛度不屬于同一數量級的條件下。

由于機床結合面本身具備剛度與阻尼兩類特性，所以對于結合面的模擬工作可運用彈簧與阻尼器元件來進行。同時結合面本身也可以視為由無數個結合點相互接觸并構成的，因此對于每一個結合點均能運用一組并聯的彈簧與阻尼元件做模擬置換。而在做具體結合部特性研究時，為了保證研究效率僅能使用有限個點來置換原有結合面上的結合點，用以表述結合部位置的特性，此類有限個替換點也被稱為等效結合點。

而機床的一個結合部通?？墒褂靡粋€或是有限個等效結合點來做模擬替換，具體等效結合點的數量應依照機床結合部的具體特性與結合狀態，以及構件結構來選定。如果使用有限個等效結合點做替換模擬，就可以視為將原本的結合部劃分為多個子結合部，每個子結合部會對應使用一個等效結合點做替換。因此通常一個子結合部會運用一組彈簧與阻尼器元件做模擬置換，進而依照結合面的單位對其特性做研究分析。

其中對機床單平面結合部的靜變形特性研究，是指在一個結合部能使用單獨一個等效結合點做替換的情況下，將此結合部的特性運用等效結合點的六個自由度的剛度與阻尼特性做指代。

因為結合部自身并沒有質量，因此其振動方程式就可以表述為：（k+iωc）x=F。

其中k指的是機床結合部的剛度矩陣，C指的是機床結合部的阻尼矩陣，X指的是機床結合部的相對位移列陣，F指的是機床結合部的力列陣，而ω指代整個系統的諧振頻率。因此就能基于已知參數求出矩陣k與c，進而得到機床結合部的特性數值。

而當機床結合部遭受到靜態或是動態力影響作用情況下，結合面也會發生相對的位移反應，此位移涵蓋結合面微觀上的凸起變形與滑移變化，因此可將其位移作用看做結合面的變形反應。其相對滑移所損耗的能量會令表面生成阻尼，而機床結合部的剛度則來自于相對位移產生的微分，進而能對二者特性做研究解析。

2 機床整機建模中結合部特性的融合應用分析

對機床結構的解析與結合部特性的應用研究，主要目標在于運用一定的結合方法來研究、分析機床結合部位置特性，進而發現其結構設計的隱患問題。并做改進優化，將其與原有設計做比對，以此實現對機床改進發展的目的。而常用的機床整機子結構結合方法，主要是柔性結合手段。

2.1 機床子結構柔性結合應用

所謂柔性結合指的是相互聯接、接觸的兩個機床子結構，在其結合面位置存在相對運動的結合形式。由于聯接的兩個子結構屬于不同的機床構件類型。因此在進行結合部聯接進程中，其結合面上聯結壓力相對有限，而子結構在結合表層又往往存在微觀上的不平整現象。因此在結合部聯接振動時，兩子結構的結合面就會發生相對運動，從而成為結合部柔性結合狀態。柔性結合的結合面可使用一個或有限個等效結合點做模擬替換，每一個等效結合點則可應用并聯的彈簧與阻尼器元件做模型替換?；诖司涂闪谐鰞蓚€機床子結構的柔性結合方程式，并進行結合部特性參數的解析運算。

2.2 對機床結合部的簡化應用

對機床結合部特性參數的精準測算，還需要依照其整機的具體結構設計與受力情況等條件做參照和解析。比如在機床立柱和床身結構之間，通常會使用螺栓做兩構件的聯結固定。相應的在求解立柱與床身構件之間替換結合面的等效結合點數量時，就需與實際所用的螺栓數目保持一致。同時每一個等效結合點的受力狀況，又會受到立柱結構重量、主軸箱重量以及工藝作業產生的切削力所影響。因此需要在進行機床結合部特性參數運算時，將各個影響力與矩陣做等效處理，以保證所運算的各個等效結合點剛度與阻尼數值的精確無誤。

而對滑動導軌等難以研究等效結合點數目與位置的結合部構件，則可以依照機床實際結構系統，在一根導軌條上依照等距間隔設置若干個等效結合點，具體結合點數量由導軌長度所決定。而對于軸承聯結部位的等效結合點數量確定，而通常依照其圓周等角度進行設置，具體結合點數目由軸承的大小規格所決定。

3 結束語

對機床結合部特性的研究，不但應了解其部位的受力情況以及結合面接觸狀態，兩個子結構之間的結合方式也會相應影響結合部特性與受力關系。需要在構建機床整機模型時，基于結合部特性的具體影響因素，以便進行特性參數的解析運算。

參考文獻：

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