论文总字数：28740字

摘 要

数控机床在船舶制造领域起着关键性的作用，进给系统是数控机床的重要组成部分，在很大程度上决定了数控机床的加工精度和效率。摩擦力的存在是影响进给系统的传动精度的主要因素之一，因此对进给系统进行摩擦特性测试与分析十分重要。滚珠丝杠是丝杠进给系统的关键部件，受加工零件和工艺的限制，丝杠各位置段的使用频率不同，因此进给系统在丝杠全程的摩擦力矩处于一种不平衡状态，丝杠的传动精度和使用寿命也会受到一定影响。本文主要针对丝杠位置影响的进给系统摩擦特性进行测试分析，具有一定的理论价值和使用意义。

针对进给系统位置相关的摩擦特性展开研究，确定了滚珠丝杠位置对进给系统摩擦特性的影响研究中的关键技术，并对研究现状进行总结。

针对研究内容的参数辨识部分，本文通过多种算法辨识精度和收敛效率的对比分析，验证了粒子群辨识算法的优越性。

针对位置相关的摩擦特性进行试验方案设计，通过控制温度、泵油量等影响因素，进行多组恒速进给试验，获取相关试验数据。

针对进给系统位置相关的摩擦特性，通过丝杠位置分区间分析，确定了丝杠位置对摩擦的影响变化规律，研究了高速进给和低速进给变化规律不同的现象，并引入弹性流体润滑理论进行原因分析。

关键词：进给系统；摩擦特性；参数辨识；位置相关性

Abstract

CNC machine tools play a key role in the field of shipbuilding. The feed system is an important part of CNC machine tools, which largely determines the machining accuracy and efficiency of CNC machine tools. The friction is one of the main factors that affect the transmission accuracy of the feed system, so it is very important to test and analyze the friction characteristics of the feed system. As a key component of the screw feed system, the frequency of utilization of the ball screw in various positions is due to the limitations of the processing parts and processes different. Therefore, the friction torque of the feed system in the entire process of the screw is in an unbalanced state. Besides the transmission accuracy and service life of the screw will also be affected to a certain extent. This paper mainly tests and analyzes the friction characteristics of the feed system affected by the position of the screw, and has certain theoretical value and significance in using.

This paper focuses on the friction characteristics related to the position of the feed system, and confirms the key technologies in the study of the effect of position on the friction characteristics of the feed system.

For the part of the parameter identification in the research content, This paper verifies the superiority of particle swarm identification algorithm through comparative analysis of identification accuracy and convergence efficiency of various algorithms.

According to the position-related friction characteristics, the test plan is designed to control the influencing factors such as temperature and pump oil volume, and multiple sets of constant-speed feed tests are carried out to obtain relevant test data.

According to the friction characteristics related to the position of the feed system, the change pattern of the influence of the position of the lead screw on the friction was through the analysis of the position of the lead screw determined.

Keywords: the feed system; friction characteristics; parameter identification; position correlation

目 录

第1章 绪论 1

1.1 选题背景与意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 进给系统摩擦特性研究 2

1.2.2 进给系统的摩擦模型研究 2

1.2.3 进给系统的参数辨识算法研究 3

1.3 本文主要研究内容 4

第2章 进给系统摩擦特性试验设计 5

2.1 所采用摩擦模型介绍 5

2.2 试验设备的搭建 6

2.2.1 伺服驱动机构 7

2.2.2 数据采集设备 8

2.3 试验方案 9

2.4本章小结 10

第3章 基于粒子群算法的参数辨识仿真分析 11

3.1 粒子群算法原理 11

3.2 粒子群算法参数设置 12

3.3 基于模拟退火的粒子群算法 13

3.4 粒子群算法仿真实验 14

3.5本章小结 16

第4章 丝杠位置对进给系统摩擦特性的影响研究 17

4.1 Stribeck模型参数辨识 17

4.1.1实际辨识粒子群算法参数设置 17

4.1.2参数辨识及辨识精度分析 19

4.2丝杠位置相关性影响分析 22

4.2.1 丝杠弹性流体润滑相关理论 22

4.2.2丝杠位置相关性试验 24

4.2.3丝杠位置分区间数据分析 26

4.3本章小结 29

第5章 结论与展望 30

5.1全文总结 30

5.2研究展望 30

参考文献 31

本科期间所获得的成果 33

附 录 34

致 谢 36

第1章 绪论

1.1 选题背景与意义

随着科技水平的提高，精密零件的设计和制造在各个方面的重要性逐渐凸显，在国防、微型零件、高端技术等方面具有重要的意义，同时在船舶制造领域也起着关键性的作用，例如螺旋桨、曲轴、轴承等船舶关键部件的加工制造。目前，精密机床是实现精密零件制造加工的基础，我国对精密机床等基础制造装备越来越重视，逐渐启动多个重大科技专项，对精密机床的设计和制造起到了极大的推动作用，但无论是加工精度，还是性能稳定性和可靠性仍与发达国家同类型设备存在一定差距^[1]。

进给系统是精密机床的重要组成部分，主要作用为将输入的要求准确地复制，然后进行输出。进给系统通过将电机的旋转运动转换为机床工作台的直线运动，实现精确的定位和运动过程中的跟踪。定位精度和跟踪误差主要用于评价机床伺服进给系统控制性能，也是决定影响加工精度、表面质量和生产效率的主要因素^[2]。因此，提高进给系统传动精度对提高加工质量有重要意义。

摩擦力严重影响了机床加工的稳定性和加工精度，同时，由于摩擦力的存在，机床进给系统丝杠轴等关键部件磨损加剧，缩减了机床的生命周期。在进给速度较低时，摩擦力随进给速度非线性变化，对摩擦力补偿和控制造成了一定困难，除此之外，非线性特征还会造成进给系统的低速爬行、速度过零死区、稳态时极限环振荡等现象^[2]。

数控机床在长期使用过程中，受安装位置和加工零件的限制，工作台可能长期工作在机床的某个位置，机床这个位置处的丝杠长期处于使用运行状态，会造成该位置段磨损严重，摩擦系数和使用频率较低的位置有明显差异，除此之外，还会引起机床结构和受力变化^[3]。两者综合作用造成全程范围内摩擦力矩不同，极易影响丝杠的传动精度，对工件的加工精度和丝杠的使用寿命造成影响。因此针对丝杠进给轴位置影响的进给系统摩擦特性测试的研究具有以下实际意义：

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