超精密滚珠丝杠进给系统谐响应的有限元分析

以超精密滚珠丝杠进给系统试验台为研究对象,使用有限元法对其进给系统的工作台受到轴向正弦力载荷时系统的谐响应进行了分析.由于目前传统的滚珠丝杠进给系统有限元模型不能准确的分析电机轴输出端的转矩动载荷对进给系统产生的谐响应,据此提出了一种新的进给系统有限元模型,保证了其谐响应分析的准确性.并根据分析结果可知,在超精密滚珠丝杠进给系统中,电机轴输出端的转矩动载荷会对进给系统的定位精度产生不可忽视的影响.     

含虚拟材料结合部的高速滚珠丝杠进给系统动态特性分析

为了构建精确的滚珠丝杠进给系统结合部虚拟材料模型,提出基于多目标优化方法获取结合部虚拟材料模型参数的方法。采用分形理论建立滚珠丝杠进给系统结合部虚拟材料参数解析模型,得到结合部虚拟材料参数的初步优化区间。基于多目标优化方法,获得滚珠丝杠进给系统结合部虚拟材料模型的参数,并通过试验对此参数获取方法进行了验证。分析结果表明:滚珠丝杠进给系统的振动模态会随工作台位置的变化而改变,主要因为工作台位置变化会改变伺服电机输出轴和工作台之间丝杠的长度,从而影响系统的刚度。     

滚珠丝杆进给系统的多自由度柔体建模研究

考虑滚珠丝杠进给系统的机电耦合特性,对系统结构进行分块细化,降低系统的耦合复杂度,提出了丝杠进给系统的分-总式建模方法。将滚珠丝杆系统作多自由度柔体处理,综合考虑系统的弯曲、扭转及沿丝杠轴向的变形,基于动力学理论,采用瞬时变分法,推导出滚珠丝杠进给系统动力学模型,分析得出基于系统结构柔性影响与丝杠轴弯曲剪切综合变形而引起的耦合影响,不同于以往滚珠丝杠进给系统集中质量模型(混合模型)下各向振动之间的耦合影响及振动方程。通过振动实验,借助主分量分析法验证了所建立的动力学模型的正确性,为后续的丝杠进给驱动系统的动力学分析提供研究依据。     

基于热阻网络法的一种新型双驱动进给系统热动态特性研究

设计了一种新型的微量进给机构,以"螺母旋转式滚珠丝杠副"为主要传动部件,丝杠和螺母分别由两个电机驱动并同向旋转,其运动合成微量进给,研究在不同电机速度组合下该新型微量进给机构的温度场及丝杠热伸长变化情况。基于传热学理论以双驱动进给系统为研究对象,利用热网络法建立该系统的热平衡方程组,获得温度场分布模型,结合机械热变形理论,用所建立的温度场模型预测双驱动滚珠丝杠的轴向热误差。得到双驱动微量进给机构随螺母、丝杠速度变化的温度场及丝杠热伸长模型,并通过实验验证了所建立模型的准确性。     

高速高精数控车床进给系统热态特性研究

以GSCK200A型数控车床的z轴滚珠丝杠进给系统为研究对象,利用ANSYS软件建立其二维轴对称有限元模型,对其进行热态特性分析,并以求得的温度场为依据进行热-结构耦合分析,计算出丝杠轴的热变形,为数控车床的研发提供依据.     

滚珠丝杠进给系统机电能耗实验研究

为深入探索数控机床能耗规律、发挥能耗匹配在数控机床关键部件选型上的指导作用，针对数控机床滚珠丝杠进给系统的机电能耗进行了实验研究。进给系统总能耗可分为伺服电机电功耗以及由各部件相对运动产生的机械功耗（MPC）。因此，首先通过设计全新的实验装置，在多组转速及负载转矩条件下，对伺服驱动电机的电功耗及电效率进行了测量与分析；进一步，考虑4种不同导程滚珠丝杠，对进给系统各部件的MPC进行实验研究，阐明滚珠丝杠的结构参数对系统功耗的影响，以及进给系统功耗与工作台速度的关系。结果表明：电机的工作状态对其效率以及整个进给系统的功耗有很大影响，且影响功耗的最关键因素之一是电机转速，系统功耗是电机效率和机械部件相对运动产生MPC之间的权衡。研究结果有助于从能耗角度进行滚珠丝杠及伺服电机的合理选型，以及对机床进给参数的优化。     

高速机床进给系统的发展趋势

在明确了高速加工对机床进给进给系统要求的基础上，比较和分析了滚珠丝杠、直线电机和并联虚拟轴机构等三种高速进给系统的性能、特点、存在问题及其解决办法，指出了它们各自的适用范围和应用前景。     

铣车加工中心双驱进给系统静动态特性分析

以铣车复合加工中心双滚珠丝杠进给系统为研究对象,基于有限元方法对其进行静动态特性分析。建立了滚珠丝杠进给系统机械模型,对双驱进给系统提出了一种改进方案,通过静动态特性分析验证了改进方案。分析结果表明该改进方法能够有效的提高双驱进给系统的静动态特性,为双驱进给系统的合理使用和静动态特性的提高提供了可靠的理论依据。     

滚珠丝杠副系统抗共振特性分析

为了提高高速运动滚珠丝杠副系统的稳定性,避免结构共振,对滚珠丝杠副系统的模态特性进行有限元分析。探讨了螺母位置、支撑方式、工作台及两端支撑轴承对滚珠丝杠副系统模态特性的影响。最后,通过锤击法对滚珠丝杠副系统进行试验模态分析。结果表明:不同的需求场合需选择不同的支撑方式。工作台质量以及轴承的轴向刚度均影响进给系统的轴向变形模态,而轴承的径向刚度主要影响进给系统的弯曲变形模态,且试验结果与计算结果基本一致,本模型能较好地表征系统的动力学特性。     

数控机床空心丝杠进给轴热误差补偿研究

文章以提高进给轴的精度为研究对象,目的是减小滚珠丝杠系统的热误差对加工精度的影响。改变传统的实心丝杠而设计成空心丝杠进给轴是减少滚珠丝杠内热量,降低成本的有效方法。然而,压力油在丝杠内循环流动只能够带走部分热量,文章在考虑进给轴结构优化的同时也分析了残余热量的热膨胀和热传导的效应,通过误差补偿的方式减小丝杠受热所带来的影响。实验证明这种补偿的方法是有效的。     

Finite Element Modelling of Ball Screw Feed Drive Systems

For full realization of the feasible drive performance on machine tools, the dynamic behaviour of the entire mechatronic system must be analysed and optimized integrally during design of the machine. To permit complete modelling of the machine tool frame structure with integral ball screw feed drive systems by means of the finite element method (FEM) a specific model approach for ball screw drives is presented, which is a prerequisite for the FEM modelling of a complete machine tool based on feed drives of this type. The feed axis of a feed drives test station serves here as an example for demonstration of the modelling of feed drives. The FEM model is integrated into a mechatronic model of the axis control system and the behaviour of the position and speed control loop is simulated.     

加工中心滚珠丝杠对流换热系数的研究

采用热成像仪对VMC立式加工中心滚珠丝杠进给系统温度场进行测量,对丝杠温度数据进行指数函数拟合,根据能量守恒原理进行建模分析计算,获得滚珠丝杠的热边界条件;利用有限元分析软件Workbench对加工中心滚珠丝杠的温度变化规律进行分析,结果与实验数据进行对比,验证滚珠丝杠对流换热系数计算模型的正确性;并修正利用传统经验公式计算得到的对流换热系数,为立式加工中心的热分析提供参考。     

高速直线进给单元设计

对直线进给单元的基本类型和直线电机的结构布局进行了分析,研究了高速直线进给单元的基本结构,并运用有限元法对进给单元工作台设计进行校验,证明研制的高速直线进给单元能较好地满足设计要求。与传统的直线进给系统相比,ＧＤ－３型直线进给系统的速度和加速度能提高５－８倍。     

Thermal error forecast and performance evaluation for an air-cooling ball screw system

In machine tools such as numerical control machines, thermal error in the ball screw induces a direct position error. A high-speed ball screw system naturally generates more heat and results in greater thermal expansion, adversely affecting the accuracy of positioning. In this paper, we discussed the placement of an air cooling system in a ball screw shaft to overcome thermal errors and achieve temperature equilibrium faster. In order to estimate the thermal error of the ball screw system and effectiveness of the air cooling system, thermal behavior models using the finite element method (FEM) and a modified lumped capacitance method (MLCM) were developed separately. This included heat generation from the main heat source of the ball screw system and other boundary conditions. The completed models were used to simulate temperature distribution, thermal deformation and air cooling performance. Comparing the experiments shows that these methods can well predict thermal behavior of the ball screw system and air cooling performance. And the positioning accuracy will significantly improve with the use of the air cooling system in the ball screw drive system.     

数控机床滚珠丝杠副织构化减摩设计及仿真

针对数控机床进给系统滚珠丝杠副高速运行时润滑不良、磨损较大的情况,基于Hertz接触理论对滚珠丝杠副的接触应力进行计算并确定了织构的加工位置,建立了有、无织构的滚珠丝杠副分析模型,对滚珠丝杠副的接触应力和润滑特性进行有限元分析,并对比分析了有、无织构时滚珠丝杠副的接触与润滑性能。结果表明,有织构时虽会增大滚珠丝杠副的接触应力,但在织构两侧产生的流体动压可使滚珠丝杠副形成流体摩擦,极大改善其润滑性能,从而起到很好的减摩效果。     

Expedient modeling of ball screw feed drives

Ball screw feed drives are the most commonly used mechanism to provide linear motion in high speed machine tools. Position accuracy and the achievable closed loop bandwidth of such drive systems are usually limited by the structural vibration modes of the mechanical components. Higher order plant models allow for a better understanding of the system dynamics, improve the design process of feed drives and are essential for the development of sophisticated control strategies. The ball screw shaft, describing a complex flexible structure, is probably the most significant component concerning structural vibration modes of a feed drive. In this paper, the behavior of the shaft and its dominant influence at different operating and coupling conditions is particularly addressed. Using a hybrid modeling technique, the main characteristics of the shaft are derived and projected onto a clearly arranged and versatile lumped mass model. Simulative and experimental examinations are conducted and a parameter analysis is performed. The presented model proofs to be accurate for a great range of parameters and in addition allows for a physical interpretation of the dominant structural vibration modes of a feed drive.