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。     

考虑摩擦影响的重型车床横向进给伺服系统建模与分析

进给伺服系统的性能对数控(Computer numerical control,CNC)机床的跟踪及定位精度、零件加工表面质量等有着重要的影响。摩擦的非线性还会导致系统产生爬行行为。结合Karnopp摩擦模型的建模思想,对导轨接触面建立一种改进的Stribeck摩擦模型,针对闭环控制的某重型车床的横向进给系统,建立综合考虑轴的扭转刚度、齿轮的啮合刚度、丝杠螺母副接触刚度、丝杠轴和轴承轴向刚度、导轨接触面摩擦的进给伺服系统的多自由度力学模型和数学模型,研究低速进给下各个刚度变化对工作台输出的影响,找出机械传动系统中的刚度薄弱环节。现场试验测试工作台不同进给位置下的临界爬行速度,得出临界爬行速度与丝杠的轴向刚度的关系,理论分析与试验结果相吻合。所得结论可为该重型车床横向进给伺服系统的优化设计和性能预测提供理论支持。     

滚珠丝杠进给系统轴向接触刚度研究

为了提高滚珠丝杠进给系统的轴向接触刚度,采用赫兹空间接触理论,推导了滚珠丝杠进给系统轴向接触刚度的理论计算公式,并研究了滚珠丝杠进给系统的结构性能参数对滚珠丝杠进给系统轴向接触刚度的影响。结果表明,滚珠丝杠进给系统的轴向接触刚度随轴向接触载荷、接触角(30°~60°)和滚珠个数的增加而明显增大;随滚道曲率比的增加而明显减小;随螺旋升角(2°~22°)的增加而增大,但增大幅度不明显。     

润滑状态下导轨结合面法向动态接触刚度实验研究

建立了圆柱微凸体的接触模型,该模型在微观层面上以圆柱形微凸体的接触代替两平面的接触,更加符合磨削加工的实际表面。在动态信号测试系统中,测试了直线滑动导轨结合面的动态特性参数,准确获得了法向接触动态刚度,并分析了载荷、速度、有无润滑对动态刚度的影响规律。实验结果表明：增加润滑油膜、降低滑动速度、增大载荷都可以增大导轨结合面的法向动态接触刚度。     

双驱进给系统动态特性研究

以立式铣车复合加工中心双驱滚珠丝杠进给系统为研究对象,利用ANSYS Workbench建立了包含结合部特性的双驱进给系统有限元模型,分析了丝杠跨距和导轨跨距对双驱进给系统动态性能的影响。分析结果表明:在原有丝杠跨距的基础上继续增大丝杠跨距对双驱进给系统的动态性能影响不明显,而增大导轨跨距能够显著提高双驱进给系统的动态特性。     

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。     

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。     

数控机床双丝杠驱动直线进给系统静动态特性分析

双丝杠驱动进给系统在高速、高精和重载的机床上的应用日益广泛,其静动态特性的好坏对机床性能的影响十分突出。以数控机床双丝杠驱动直线进给系统为研究对象,用有限元法对其静、动态特性进行分析,并与单丝杠驱动直线进给系统进行对比。分析和对比结果表明:相对于单丝杠进给系统,在丝杠截面积相同情况下双丝杠进给系统静态刚度提高(34~37)%,沿丝杠轴向振动的振型下的固有频率提高21.2%,绕工作台法向的扭转振型下的固有频率高出34.1%,轴向薄弱环节下的共振频率亦高出21%。     

基于结合部刚度特性的丝杠可靠性试验台模态分析

为获得自主设计的丝杠可靠性试验台的动态特性,对试验台进行有限元动力学建模。针对丝杠系统具有大量可动结合部、但传统有限元方法不能很好模拟结合部接触的特点,采用赫兹弹性体接触理论计算丝杠螺母、导轨和轴承三类结合部的接触刚度,由此建立修正后的有限元模型。利用力锤激励法对试验台进行了试验模态分析,对比试验与修正后模型结果,模态频率最大误差不超过4%,验证了模型的精度,为退化试验后下一步的丝杠故障诊断和寿命预测提供了动力学依据。     

基于结合面的立式加工中心进给系统的动态特性分析

机床进给系统的动态特性的优良直接影响到机床的定位精度,因此对进给系统的动态特性进行分析对提高机床加工精度及加工性能有重要意义。以某立式加工中心的滚珠丝杠进给系统为研究对象,利用Ansys建立包含结合部特性的进给系统有限元模型。在此基础上,通过模态分析和谐响应分析,得到了进给系统的固有频率和振动特性。通过分析改变各个结合面刚度对系统固有频率影响的敏感程度,找到了系统的薄弱结合面,并对这些结合面刚度值进行优化,提高了进给系统的动态特性。     

滚动导轨结合部法向动态特性参数的双自由度测试方法

准确的滚动导轨结合部动态特性参数是进行数控机床整机动态特性分析的关键,因此研究滚动导轨结合部动态特性参数测试方法将具有十分重要的意义.首先,对滚动导轨结构进行分析,将滚动结合部从结构中分离出来,并建立了等效的双自由度滚动导轨结合部动态特性参数测试模型,提出动态特性参数识别方法.其次,在动态特性参数测试模型的基础上研制了测试系统,并对GZB45型滚动导轨结合部的法向接触刚度和阻尼进行测试,多次试验结果显示试验所测移动部件质量与实际移动部件质量相差小于2％,表明该测量模型对滚动导轨结合部法向刚度和阻尼的识别是可靠的.     

数控机床进给系统滚珠丝杠刚度分析

滚珠丝杠作为数控机床进给系统的重要元件,其性能直接影响了进给系统的定位精度。对滚珠丝杠的刚度进行分析,通过理论计算和大型ANSYS分析软件两种方法分析了滚珠丝杠扭转刚度和轴向刚度对失动量的影响,为进给系统的机构设计和定位精度提高提供了可靠的理论依据。     

滚珠丝杠副静力学特性分析

以赫兹接触理论为基础,考虑螺旋角的影响,通过遍历法计算量纲为1的接触位移,建立滚珠丝杠副轴向接触变形与刚度的数学模型.计算结果表明:双螺母滚珠丝杠副的轴向接触变形量比单螺母的减小60％,刚度提高80％,增大螺旋角,有利于提高机床进给系统的定位精度.     

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.     

数控机床滚动导轨结合面刚度的有限元分析

直线滚动导轨是数控机床的重要零部件,其结合面的接触刚度直接影响对数控机床整机动态特性分析。对两种不同直线滚动导轨进行结构简化,运用Pro/E对简化后的滚动导轨进行几何建模,将几何模型转化为IGES中间格式导入ANSYS Workbench有限元分析软件中进行静力学分析。通过对滑块的法向和切向分别施加不同大小的载荷得到变形量的平均值,运用刚度计算公式得到了简化后滑块表面的法向刚度和切向刚度。提出了应用滑块表面刚度来估算结合面接触刚度,并通过反求法进行了验证,最后证明了该方法的正确性。     

影响数控机床工作台振动特性的参数分析

利用拉格朗日方程和能量原理建立了数控机床进给系统的数学模型,分析了各参数对工作台振动位移的影响。按正交试验的结果,得出了影响工作台振动位移最大的3个因素,分别为丝杠的导程h、工作台的质量m和工作台与丝杠连接的纵向接触刚度kn。在进给系统试验台上测量滚珠丝杠的轴向振幅及扭转振幅,得出与理论分析相同的结果,即:丝杠的导程越大,工作台的质量越大,工作台的轴向振幅越大;工作台与丝杠连接的纵向接触刚度越大,工作台的轴向振幅越小。     

基于MATLAB的单、双丝杠进给系统动力学建模分析与比较

以精密卧式加工中心进给系统为研究对象,分别建立其单丝杠驱动和双丝杠驱动进给系统数学模型,对两模型的传动系统动态响应进行分析。计算系统在扭转振动、时变啮合刚度、误差激励等因素作用下的动态响应,分析比较系统动态特性。对比结果显示,相对于单丝杠进给系统,在丝杠轴径比其小一个级别的情况下,双丝杠进给系统的振动速度幅值能减小35%。     

再制造机床滑动导轨结合面的刚度分析

基于分形理论,以数字化机床再制造中的改造导轨为研究对象;通过分形理论建立结合面法向接触刚度分形模型,对贴塑导轨进行分析,求得其法向刚度;并进行了数字仿真,仿真结果与文献实验研究结果相一致,从而为今后的机械动态性能分析奠定了一定的基础.     

QYLC10重型数控机床进给驱动系统设计与仿真

根据机械动力学原理,考虑进给丝杠轴的弹性,建立QYLC10重型数控机床进给驱动系统的数学模型,分析进给轴的刚度对系统性能的影响.基于MATLAB软件利用阿克曼极点配置法设计系统的状态反馈控制器,建立进给驱动系统的状态空间仿真模型,对极点配置的可行性进行仿真分析.研究结果表明:进给驱动系统的刚度越低,系统的稳定性越差;利用阿克曼极点配置法可以把进给系统的闭环极点设置在任何期望的位置上,有效克服了进给系统刚度不足对稳定性的不利影响,使系统获得更理想的动态性能.所进行的研究对于其他高阶系统或多输入/多输出系统的控制器设计具有参考价值.     

基于台架变形修正算法的滚珠丝杠副接触刚度测量

对于现有滚珠丝杠副接触刚度测量中系统复杂、成本高,以及未考虑台架变形因素等问题,对滚珠丝杠副接触刚度测量进行研究。根据接触刚度测量原理,设计并搭建了滚珠丝杠副接触刚度测量试验台架。在对台架变形进行有限元仿真分析的基础上,提出了台架变形修正算法。通过试验对基于台架变形修正算法的滚珠丝杠副接触刚度测量方法进行验证,确认试验曲线与赫兹接触理论曲线基本吻合,说明所使用的测量方法具有较高的测量精度和实用价值。