加工工件质量及安装位置对滚珠丝杠进给系统动态特性的影响

滚珠丝杠进给系统是数控机床的关键部件,其动态特性与运动精度紧密相关,对数控机床加工精度有重要影响。滚珠丝杠进给系统的动态特性具有明显的时变特征,为探究工件质量及放置位置对滚珠丝杠进给系统动态特性的影响规律,基于集中质量法构建了滚珠丝杠进给系统动力学模型,并利用有限元方法验证了模型精确度。基于所构建的动力学模型开展了工件质量及放置位置对滚珠丝杠进给系统动态特性的影响规律分析,构建了其响应面,结果显示,随着工件质量的增加,滚珠丝杠进给系统固有频率降低;工件位置离工作台重心越近,对系统固有频率影响越小。结果可用于实际加工过程中,指导工件的在工作台面的放置位置选择。     

基于结合部刚度特性的滚珠丝杠进给系统动态特性分析

滚珠丝杠进给系统的动态特性对数控机床的定位精度、加工性能和振动等特性具有重要影响。针对滚珠丝杠进给系统理论建模中结合部刚度难以确定的问题,以自行设计制造的滚珠丝杠进给系统为研究对象,基于吉村允效法计算进给系统固定结合部的刚度;根据滚珠丝杠副、滚动导轨副和轴承结合部的共同特点,提出基于Hertz接触理论的进给系统滚动结合部刚度计算方法,建立进给系统的有限元模型。在此基础之上,对进给系统进行理论和试验模态分析,通过模态振型和固有频率的对比验证了有限元模型和滚动结合部刚度计算方法的正确性。根据所建立的有限元模型,着重分析工作台的质量和位置、滚珠丝杠副的刚度、滚动导轨副的刚度和轴承的刚度等参数对进给系统动态特性的影响。所提出的方法为机床滚动结合部刚度的识别提供了参考,研究结论为滚珠丝杠进给系统的改进设计和动态性能优化提供了依据。     

滚珠丝杠传动机构的微动特性及轨迹跟踪控制

滚珠丝杠传动的机床进给机构在微观运动条件下的各种非线性因素和进给系统较高的机械增益是影响机床运动的控制精度进一步提高的主要因素.本文研究了滚珠丝杠进给机构的微动特性,结果表明库仑摩擦和微弹性现象是滚珠丝杠在微动条件下的主要运动特性.针对这一特性,提出了一种基于误差的增益自适应控制器,该控制器能够有效地提高系统的稳定性,并能保证足够的控制精度.对幅值为1μm的正弦输入,其跟踪控制误差小于0.04μm.对幅值为1mm的正弦输入,其跟踪控制误差为0.5μm.     

面向大型机床再制造的进给系统动态特性

大型机床进给系统的再制造必须考虑大型部件的空间分布特性对进给系统动态响应的影响。针对某大型铣齿机床,采用分布参数建模方法描述细长滚珠丝杠副的传递子系统,采用集中参数建模方法描述交流伺服驱动子系统和工作台驱动子系统,并通过转速关系将3个子系统耦合起来,形成进给系统的分布集中参数模型。通过理论模型仿真与试验结果比较,证明建立的分布集中参数模型符合物理系统的真实性,能够准确地描述大型机床进给系统的动态响应特性。在此基础上进一步讨论不同分布特性影响下,分布集中参数模型和单纯集中参数模型动态响应的变化,结果表明,两种模型的动态响应差异会随着系统惯量的变化而改变,这为大型机床进给系统的设计、控制提供了参考依据。     

影响进给系统动特性的因素分析

以高速高精度PCB数控钻床滚珠丝杠进给系统为研究对象,利用ADAMS软件建立了滚珠丝杠进给系统的多刚体和多柔体动力学模型并进行了动力学仿真.通过时进给系统中主要零部件的刚度、质量等参数对系统动特性影响的研究,发现了提高联轴器以及滚珠丝杠的刚度对改善整个系统响应并不明显,而工作台的质量是系统动特性最为敏感的因素.所以要提高滚珠丝杠进给系统的动特性最有效的方法就是对工作台进行优化设计,在保证不降低其自身刚度的前提下,减少其质量,从而可以有效的提高系统的动特性.     

滚珠丝杠动态特性参数识别试验台的设计

滚珠丝杠的动态特性严重影响数控机床进给系统的工作性能,为了能够准确识别滚珠丝杠进给系统的动态特性参数,基于滚珠丝杠副动态特性参数识别的力学模型,分析影响参数识别的主要因素,搭建滚珠丝杠动态特性参数识别试验测试装置,并根据有限元软件对测试装置试验台分析的结果,通过调整试验台筋板布置的密度和厚度,对试验台进行了结构优化,满足滚珠丝杠副动态特性参数识别测试装置的设计要求,有助于提高滚珠丝杠副动态特性参数识别的精度。     

高速实心/空心滚珠丝杠热动态性能分析与研究

针对高速机床滚珠丝杠副摩擦生热导致滚珠丝杠产生轴向热变形,从而影响机床定位精度的问题,提出采取全面冷却与重点冷却相结合的方式冷却滚珠丝杠,即采用空心滚珠丝杠替代实心滚珠丝杠通入冷却介质全面强制冷却,同时对空心螺母局部重点冷却,共同抑制空心丝杠的温升与热变形。对不同进给速度下实心/空心滚珠丝杠的热特性进行理论分析,空心滚珠丝杠的热变形要比实心滚珠丝杠的热变形小(1~2)个数量级,从而提高了伺服进给系统的定位精度。同时,仿真了实心/空心滚珠丝杠模型的温度分布与热变形,分析了空心滚珠丝杠的温度场与热变形规律。总之,为空心滚珠丝杠在高速伺服进给系统的应用提供理论依据。     

高速立式加工中心滚珠丝杠螺母副动态特性分析

为了研究高速立式加工中心的动态特性,对其进给系统进行模态分析和谐响应分析十分必要。根据高速立式加工中心的设计要求,基于SolidWorks软件建立滚珠丝杠螺母副的三维模型并进行相应的简化处理,采用Hypermesh软件进行网格划分,并导入ANSYS软件中建立相应的有限元分析模型。针对滚珠丝杠螺母副的不同支撑方式和螺母所处丝杠位置,对其固有振动特性进行了模态分析,结果表明,两端固定支撑方式比其他支撑方式有更大的刚度。对滚珠丝杠进行了正弦载荷激励下的谐响应分析,找出了丝杠谐响应振幅最大时的频率,指出在实际工作状况中应尽量避免此频率下的动载荷。     

基于ADAMS的进给系统动特性研究

以高速高精度印刷线路板数控钻床滚珠丝杠进给系统为研究对象,利用ADAMS软件建立了滚珠丝杠进给系统的多刚体和多柔体动力学模型并进行了动力学仿真。通过对进给系统中主要零部件的刚度、质量等参数对系统动特性影响的研究,发现了提高联轴器以及滚珠丝杠的刚度对改善整个系统响应并不明显,而工作台的质量是系统动特性最为敏感的因素。所以要提高滚珠丝杠进给系统的动特性最有效的方法就是对工作台进行优化设计,在保证不降低其自身刚度的前提下,减少其质量,从而可以有效地提高系统的动特性,实际应用表明,这种方法是行之有效的。     

不同指令轨迹条件下滚珠丝杠进给系统运动精度特性研究

滚珠丝杠进给系统是高档数控机床重要部件,其运动精度决定了多轴联动加工机床的加工精度,在高速、高精度滚珠丝杠进给系统中,其指令轨迹参数是影响运动精度的重要因素。基于Simulink和Simscape搭建滚珠丝杠进给系统半物理机电耦合仿真模型,考虑不同指令轨迹参数,开展运动精度仿真及分析。结果显示,指令轨迹的位置、速度和加速度等参数对滚珠丝杠进给系统运动精度有重要影响,因此,在多轴联动加工机床中,合理规划进给系统轨迹参数对于提高其运动精度具有重要意义。     

进给系统机电耦合仿真建模与误差影响规律分析

由于各种原因引起的复杂机电耦合现象对机床进给系统的动态精度有着重要的影响。进给系统作为加工中心的重要组成部分，其动态特性会直接影响到加工中心的加工质量和效率，因此对于加工中心进给系统动态性能的要求也越来越高。为了研究进给系统机电耦合作用下的动态特性，同时对滚珠丝杠进给系统进行动力学建模与三环伺服控制系统建模，对进给系统动态响应误差影响规律进行分析。首先利用Simulink仿真工具建立进给系统的动力学仿真模型；接着在所构建的机电联合Simulink仿真模型中，综合考虑了系统三环控制参数、丝杠间隙、速度、加速度等因素对系统跟随误差的影响；最后通过所搭建的单轴伺服进给系统实验平台进行了验证，明确了速度、加速度与跟随误差的相关性。     

高速数控机床机械性能仿真分析与研究

建立了滚珠丝杠进给系统仿真参数的同时建立了伺服闭环控制模型,并在此基础上对加工中直线切削和圆周运动存在的各种偏差进行了仿真分析,提出了在高速加工中有效减小滚珠丝杠进给系统弹性变形的措施。     

滚珠丝杠进给系统刚度建模及仿真

以数控机床为研究对象,建立滚珠丝杠进给系统动力学模型,并根据滚珠丝杠的安装方式,建立进给系统轴向刚度和扭转刚度模型.根据刚度对进给系统动态特性的影响,利用动态仿真工具MATLAB/Simulink建立包含刚度环节的进给系统仿真模型,获得了反映系统性能的仿真曲线.为减小刚度因素对系统性能的影响,提出控制补偿策略,仿真结果表明该策略提高了进给系统的稳定性和快速响应特性,减少了系统稳态误差.     

滚珠丝杠进给系统滚动结合部径向动态特性参数辨识

针对滚珠丝杠进给系统滚动结合部径向动态特性参数难以确定的问题,提出了一种进给系统在整机状态下滚动结合部径向动态特性参数辨识方法。该方法将丝杠简化为欧拉-伯努利梁,以建立在简谐激振力作用下丝杠轴向上各截面的径向振动方程;设计实验以测量丝杠上测量点的径向振动位移,结合丝杠径向振动方程所计算的理论值建立优化目标函数,基于人工鱼群算法优化识别出滚动结合部的径向刚度及径向阻尼参数。以自行研制的滚珠丝杠进给实验台为研究对象,采用该方法对其导轨副、两端轴承组及滚珠丝杠副滚动结合部的径向刚度与径向阻尼参数进行识别。实验结果表明：以该方法辨识的结合部的参数所计算的丝杠上测量点的径向振动位移与实验测试值之间的误差在3.0%以内,验证了该方法的正确性和有效性。     

高速直接进给轴伺服动刚度的测试研究

直接进给轴的伺服动刚度特性可影响到工件加工精度和表面质量,研究给出应用脉冲激振法测试直接进给轴伺服动刚度的方法和原理,建立了直接进给轴动刚度的计算模型,分析了伺服动刚度的影响因素,给出动刚度测试系统的构建方案。为了探索这些因素对伺服动刚度的影响规律,在自构建的直接进给轴试验台上进行了测试试验,结果表明在保证闭环系统稳定的条件下,增大速度环增益与位置环增益、减小速度环积分时间常数均有利于伺服动刚度的提高。     

无平衡重的竖直轴进给系统动态特性变化规律研究

针对小型立式加工中心的竖直轴滚珠丝杠进给系统,由于主轴箱等移动部件质量较小而未安装平衡重装置,此时移动部件的重力将直接作用到滚珠丝杠的传动系统上,在重力和初始预紧力综合作用下,丝杠螺母副和轴承副的实际状态将发生变化,进而影响该动结合部的接触刚度。主轴箱等移动部件处于全行程内不同位置时,即丝杠的受力作用点会发生变化,从而改变该系统的传动刚度,最终影响该系统的动态性能。以传统的竖直轴滚珠丝杠进给系统为研究对象,采用集中参数法进行动力学模型等效,建立考虑传动刚度变化的变系数动力学方程。理论计算移动部件重力作用下丝杠螺母副、轴承副的等效轴向刚度,进一步分析考虑丝杠受力作用点改变时传动刚度的变化规律,最终研究进给系统的固有频率和加速度频响在全行程内的变化规律。最后以某三轴立式加工中心的竖直轴进给系统为案例,进行了模态试验,理论与试验结果具有良好的一致性。     

中空/实心滚珠丝杆温升及热误差试验与分析

滚珠丝杆的热误差是影响高精高速数控机床进给系统的定位误差主要原因之一。对型号为W2806滚珠丝杠进行3种状态的处理,即实心丝杠、无冷却中空丝杠和油冷却中空丝杠进行试验与对比分析。结果表明:采用油冷却的中空丝杠有效抑制滚珠丝杠在高速进给时的温升与热变形,减小伺服进给系统的定位误差,提高机床的加工精度。     

数控机床进给系统时变特性建模与分析

在数控机床高速运动过程中,由于进给系统速度、加速度的变化,使得丝杠传动系统的固有参数如等效刚度、等效阻尼值发生变化,产生伺服动态误差,进而影响传动系统的动态性能和精度。为获得机床进给传动系统的时变特性模型,首先对其进给系统进行动力学物理模型等效,采用集中参数法和控制理论建立其进给轴伺服模型。基于赫兹接触理论、铁木辛柯梁模型、能量耗散法给出了系统刚度、阻尼的理论计算模型,结合机床进给轴伺服模型,提出了五轴卧式加工中心的时变特性进给轴建模方法。通过给定正弦输入信号,利用MATLAB中Simulink模块仿真得到了时变特性下的进给轴输出值,并与传统伺服系统的输出值进行了对比分析。最后利用球杆仪进行了不同进给速度情况下的联动实验,验证了该模型的准确性。     

基于虚拟材料的滚珠丝杠进给系统建模及其时变特性研究

为了建立准确的滚珠丝杠进给系统的动力学模型并对其时变特性进行分析,提出了单独获取法和整体获取法两种基于多目标优化方法获取结合部虚拟材料模型的参数,从而构建精确的结合部虚拟材料模型,并通过实验对此两种参数获取方法进行了验证。结果表明:基于多目标优化方法整体获取全部结合部虚拟材料模型参数的获取方法计算量大,但操作简单且获取参数更为可靠。工作台负载质量对进给系统固有频率虽有影响,但不如螺母位置对进给系统固有频率的影响大。     

一种新型双轴差速式微量进给系统的建模与分析

常规驱动进给系统(Conventional drive feed system,CDFS)的低速运行动态性能对机床的跟踪及定位精度、零件表面加工质量等有着非常重要的影响。非线性摩擦使CDFS在低速运行时出现爬行现象,从而严重影响其低速性能。为了克服CDFS的精度极限,提出一种新型的双轴差速式微量驱动进给系统(Dual-axis differential micro-feed system,DDMS)。在DDMS中,将常规"丝杠旋转型"滚珠丝杠副替换为"螺母旋转主驱动型"滚珠丝杠副,丝杠和螺母均由伺服电动机驱动。两个驱动轴(电动机驱动丝杠和电动机驱动螺母)的运动方向一致,速度几乎一样,通过"螺母和丝杠复合驱动"的差速式传动结构进行合成,可以使被驱动件在极低速下获得均匀、稳定的微量进给。和CDFS相比,丝杠和螺母都在高速下旋转,所以滚珠丝杠副的非线性摩擦干扰会显著降低。系统的摩擦特性用Lu Gre模型来描述,而且对滚珠丝杠传动副和直线运动导轨处的摩擦分别进行建模。通过仿真和试验研究发现,和CDFS相比,DDMS可以使工作台在极低速下获得稳定的速度响应和极高的分辨率。并且,DDMS在低速下的位置跟踪精度也比CDFS高。因此,提出的DDMS可以有效降低摩擦对系统的不利影响,为低速下驱动进给系统动态性能提高建立了基础。