随着科技的进步,数控机床的精度要求越来越高,仅考虑机床中几何误差对数控机床的影响已经不能满足高精度机床的精度分析要求,机床中的受力变形误差以及热变形误差等也逐渐成为高精度机床精度分析的重要内容。数控机床作为制造业的“工作母机”,包含多个功能部件。部件间的联接特性,即结合面接触特性十分复杂,往往具有非线性刚度特性。而高精度机床中关键结合面的刚度又对机床的精度及精度保持性有着重要影响。因此,针对高精度机床关键结合面刚度的建模及其退化特性研究对于机床的综合精度建模及分析有着重要的理论价值与现实意义。本文以建立综合几何误差以及结合面受力变形误差的高精度机床精度模型为目的,重点研究了数控机床中关键结合面,即固定结合面和滚动结合面的接触特性,建立了相应的结合面刚度模型,并用于数控机床精度的综合建模与分析。同时,针对固定结合面在蠕变下的刚度衰退进行了研究,建立了固定结合面的刚度衰退综合模型,分析了固定结合面的蠕变对机床精度保持性的影响。本课题开展中作出了以下创新性研究:(1)以高精度机床中关键滚动结合面为研究对象,建立了一种考虑各滚动结合面综合变形的高精度机床模块化精度模型。将机床中的运动系统分为两类:直线进给系统和主轴回转系统。分别针对两种模块中的滚动结合面进行研究,以坐标变换法和赫兹理论为基础分析不同类型的滚动结合面的接触特性,研究各滚动结合面的非线性以及不同滚动结合面之间的耦合关系。最终实现数控机床模块化精确建模,提高数控机床精度分析的精确性和效率。(2)提出了一种宏观变形代替微观相互作用的高效精确的粗糙结合面接触建模方法。在传统的GW模型的基础上,基于Green函数与穷举法,研究了微凸体间相互作用对粗糙结合面接触刚度的影响以及考虑相互作用的微凸体变形分布规律,通过与宏观变形分析结果进行对比,提出了一种宏观变形代替微观相互作用的高效精确的粗糙结合面接触建模方法。该方法在保证分析精度的前提下,极大程度的降低了分析过程中的计算量,有效提高了分析效率,对于研究粗糙结合面的接触特性具有重要意义。(3)从微观角度研究了粗糙结合面微凸体蠕变导致的结合面刚度变化特性,并建立了结合面刚度衰退模型。本文基于蠕变力学,结合两粗糙表面中各微凸体之间的几何约束关系,建立了两粗糙表面微凸体蠕变模型。针对微凸体蠕变过程中各微凸体的应力随时间变化产生的分析难点,采用了离散式分析方法。通过研究不同单位时间步长取值对计算结果的影响,间接验证了离散式分析方法的正确性。本文利用该模型分析了考虑结合面蠕变的螺栓联接刚度衰退特性,并用于高精度机床的动静态精度保持性分析。本论文主要研究内容如下:(1)研究了高精度数控机床的几何误差建模方法。在整理和研究已有的几何误差建模方法的基础上,重点研究了多体系统误差分析建模方法,并将其应用于五轴数控机床的几何误差建模中,研究了机床几何误差对高精度机床精度影响。(2)以数控机床关键运动系统中滚动结合面作为研究对象,分析了各滚动结合面的接触特性,并建立了各关键运动系统中滚动结合面的变形误差综合模型。以赫兹理论以及坐标变化法为基础,针对数控机床中的关键滚动结合面进行了刚度建模与研究,并考虑了不同滚动结合面之间的耦合特性,实现了结合面模块化式刚度建模,并通过有限元方法对所提出的建模方法进行了验证。(3)建立了考虑微凸体相互作用的螺栓结合面刚度模型。在传统GW接触模型的基础上,考虑了微凸体之间的相互作用,利用穷举法研究了考虑相互作用后微凸体变形量的分布规律,发现其变形仍近似满足正态分布。通过数据分析及对弹性理论等的研究,提出了一种新的粗糙结合面的微观接触模型,实现了高效、精确的粗糙结合面刚度计算与分析。利用所建立的微观接触模型,对螺栓结合面进行了刚度建模,获得了考虑微凸体相互作用的螺栓结合面刚度模型。(4)建立了综合几何误差以及结合面变形误差的高精度机床精度模型,并研究了机床关键结合面刚度对高精度机床精度的影响。将本文所建立的各结合面刚度模型进行综合建模,并综合考虑几何误差对机床精度的影响,建立了一种综合几何误差以及结合面变形误差的高精度机床精度模型。以模型中各结合面参数作为分析对象,研究了各结合面参数对数控机床精度的影响。为将本文所建立的机床精度模型与机床实际工况下动态载荷相联系,本文还提出了一种铣削力的准静态等效模型,通过典型机床铣削试验,根据测试数据的分析,结合动静态载荷下作用点(即刀尖)的平均挠度相等的等效准则,实现了动静态载荷的等效。(5)研究了蠕变对固定结合面刚度的影响,建立了固定结合面刚度衰退模型。以陈化理论为基础,研究单个微凸体的蠕变,在此基础上结合两粗糙表面中各微凸体之间的几何约束关系,建立了粗糙表面微凸体的蠕变模型。为研究蠕变对固定结合面刚度的影响,采用离散式分析方法对粗糙表面微凸体的蠕变模型进行了求解与分析。结合螺栓以及连接件的蠕变,最终建立了螺栓连接刚度衰退模型。(6)从动态和静态两方面研究了固定结合面刚度退化对机床精度保持性的影响。通过研究固定结合面在预紧力作用下因蠕变导致的变形,分析因结合面蠕变导致的机床精度的变化,从静态方面研究了固定结合面刚度退化对机床精度的影响,并给出了螺栓预紧顺序指导方案。通过分析螺栓结合面因蠕变导致的刚度衰退特性,研究因结合面刚度衰退导致的机床动态性能的影响,结果显示结合面刚度衰退对机床动态性能的影响较小。