“高档数控机床与基础制造设备”是《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006～2020)》的16个重大专项之一,同时亦是装备制造业的典范;然而,因结构、势力、非势力等多样化因素的综合非线性影响,使机床在加工过程中产生多种误差从而副作用于工件加工质量;因此,在机床设计过程中即须对其静、动态特性进行研究,并利用相关理论及技术有效降低或避免负面因素对机床性能的不良影响,加之新的行业发展形势对机床提出了更苛刻的要求,故国际科研力量正随着该课题的日益升温而汇聚集成。由势力及非势力引起的部件几何误差预估是机床静力学研究范畴的重要分支,对上述几何误差修正技术的研究亦是该范畴内的热点及难点;近年来,机床结合面参数的识别研究已成为机床动力学研究的重要基础及必要分支,同时,对于复杂、高速、精密的现代数控机床及高柔性、超高速、超精密、高智能化的未来机床而言,其动态特性参数将是衡量其工作性能、产品、及再产品质量的关键指标。本文基于上述内容,以TX1600G镗铣加工中心为研究对象,对其静、动态特性研究中的若干关键技术及理论进行了研究:(1)误差预防与误差补偿相结合的滑枕挠度误差修正技术镗铣加工中心镗削系统的静力学分析揭示其各关键部件的静态位移行为,其中因滑枕及其附属件的自重、镗削力,加之滑枕尺寸及其它结构特征的作用使其挠度误差超差较为严重,针对该问题,本文基于误差预防及误差补偿相结合的方法对其进行修正;对数种误差预防方法进行讨论后确定了基于ISO-SCOM的多因素优化方法,且制定数种方案择优而用,并基于多项式最小二乘曲线拟合法构建了滑枕挠度误差模型,进一步通过刮研法及数控补偿曲线实现了滑枕挠度的结构补偿及数控补偿;其中多因素优化方法因效果好、易实现、低成本等特点,加之误差补偿法无需机械辅助结构、控制过程易实现、成本低等优势,为同类机床滑枕挠度问题的修正提供了有效的途径。(2)基于位变性及结构特征效应的滑枕挠度误差预估模型为在图纸阶段实现对机床滑枕挠度的预测,本文以广泛适用性为出发点、以滑枕设计模型为基础分析了位变性及结构特征对滑枕挠度的作用效应;提出并定义了结构特征正、负效应系数的概念,并基于此对传统的截面惯性矩公式作出修正,进而在论述各类载荷条件对挠度的作用后,基于叠加原理、悬臂梁等理论将其整合,在融入连续性及位变性后获得滑枕挠度误差的预估模型,并通过实例验证了该模型的有效性。与传统的简化悬臂梁模型相比,该模型对滑枕挠度误差预估具有较好的描述精度,从而为同类机床滑枕的结构设计及挠度预估提供了量化依据。(3)三类典型机床结合面的等效参数识别方法本文对机床结构中较为典型的平面固定结合面、平面动联接结合面、圆柱固定结合面等效参数的确定进行了研究:基于吉村允孝法、考虑螺栓预紧力确定了机床结构中平面固定结合面垂直及剪切方向的等效接触刚度及粘性阻尼;根据导轨滑块组载荷、型号、安装方式的差异,提取额定情况下其物理参数的线性关系,结合现有文献结论建立了 F-P-KC模型,并基于此确定了机床平面动联接结合面的相关等效参数;针对微元平面法的不足之处,提出了更贴合工程实际情况的微元柱面法,从而建立了等效旋转接触刚度及等效轴向接触刚度模型,并基于此确定了机床圆柱固定结合面的相关等效参数。上述参数为机床动力学内容的研究提供了量化依据,同时,F-P-KC模型及微元柱面法为同类模型的建立或方法的提出提供了更加完善的新型思路。(4)基于大数据理念的高维非线性动力学理论大数据技术在机械领域内的理论研究及应用情况尚处于起步阶段,本文基于大数据概念、性质、关键技术、应用、挑战、模式等所形成的大数据理念,辅以位变性及位变系统、空间运动观及运动矢量等方法、概念,考虑阶次、输入输出、时变、维度位置、空间运动等因素的影响建立了λ维空间内具有u维特性的高阶多输入多输出型时变非线性机械系统动力学模型,并基于大数据模式及修正后的Tustion法等给出该模型的程式求解过程,之后结合数据库的建立、数据拟合及可视化等内容论述了高维数据的处理及分析思路。上述模型的建立、求解过程及数据处理等均是本文对大数据理念下高维非线性动力学领域的开拓性探索,促进了大数据技术与机械科学技术的课题交叉及学术融合。(5)基于高维非线性动力学理论的机床模态集、广义相对位移比率集、模态柔度集本文以大数据模式为核心思想,基于空间运动观下的高维空间模型,分别建立了机床模态场、广义相对位移场,并通过矢量向性弱化方法及特定换算方法处理后对上述场数据进行逻辑组集获得机床模态集、广义相对位移比率集、模态柔度集;进一步采用分层处理法对上述集数据进行可视化处理、采用多项式最小二乘曲面拟合法对目标数据进行曲面拟合处理,并给出三轴机床高维大规模信息批量可视化处理的建议,从而结合可视化结果对模态跃迁、局部振动及本文提出的模态域等机床动力学行为作出论述、解释及印证。大数据模式破除了传统机械动态特性研究模式的局限性,从而较为全面地获得了上述机床动态参数信息全貌,同时昭示着建立机床动态参数集是机床高精密程度得以体现的必要条件之。综上所述,本文围绕机床静、动态特性研究这一主题,以TX1600G镗铣加工中心为研究对象对其若干关键技术及理论进行研究,上述技术、理论自身及其获得的研究成果对新形势下机床行业的革新发展具有重要的借鉴及参考意义。