滚珠丝杠螺母副热态特性建模方法

以某外循环滚珠丝杠螺母副为研究对象,对其热态特性及其建模方法进行研究。在分析滚珠丝杠进给系统的热源和边界条件的基础上,建立了丝杠稳态温度分布的数学模型,并通过软件编程求解得到丝杠温度场和滚道的存在对丝杠稳态温度的影响;建立了考虑滚道影响的滚珠丝杠进给系统有限元分析模型,获得了滚珠丝杠进给系统稳态和瞬态热特性分析结果;最后通过滚珠丝杠螺母副热特性试验,获得了滚珠丝杠进给系统关键点的温度及其变化情况。研究结果表明：所建立的滚珠丝杠螺母副热特性分析数学模型可以较准确地获得滚珠丝杠的温度场,忽略滚道会使滚珠丝杠螺母副的温度场仿真结果产生15%～20%的误差。     

中空滚珠丝杠副热动态特性分析

以传热学理论为基础,研究滚珠丝杠进给系统主要热源分布及热传导计算,分析中空滚珠丝杠副的热态特性及达到热稳定状态后进给系统的温度场。探讨了多热源作用下滚珠丝杠的一维温度响应,给出了滚珠丝杠系统的热传导方程。通过实验验证了理论结果的正确性,根据滚珠丝杠系统各主要部件的升温曲线对比,获得滚珠丝杠系统的温度场变化规律,并在此基础上分析了滚珠丝杠的热变形,确定滚珠丝杠的热伸长量,从而为滚珠丝杠的优化设计提供了参考。     

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。     

实心/空心高速滚珠丝杠轴承副热变形研究

随着机床滚珠丝杠进给系统速度的提高,滚珠丝杠轴承副摩擦产生的热量传递到丝杠,并引起了滚珠丝杠的热变形。通过分析轴承发热原理及理论计算方法,以及实例计算轴承副生热,运用有限元分析软件ANSYS仿真,得到实心滚珠丝杠和空心滚珠丝杠的温度分布和热变形,并分析热变形对滚珠丝杠变形的影响,得出通有冷却液的空心滚珠丝杠可以有效的抑制滚珠丝杠温升并减小热变形的理论,为空心滚珠丝杠热特性研究提出理论依据。     

丝杠-螺母预紧力对机床进给系统热特性的影响分析

滚珠丝杠作为机床进给系统最主要的定位、传动部件,其热变形直接影响着机床的加工精度。为了减小丝杠-螺母副预紧力对机床进给系统热特性的影响,以某高速五轴联动龙门加工中心的X向进给系统为研究对象,充分、合理地模拟实际工况,运用有限元分析软件对比分析丝杠-螺母副在不同预紧力情况下滚珠丝杠进给系统的温升以及变形情况,为机床滚珠丝杠设计阶段预紧力的选取提供理论指导。结果表明:丝杠-螺母副预紧力的变化对丝杠本身的温升影响不大,但对电动机端轴承的发热有较大影响。对于高速机床,选取5%或者8%的预紧力最佳。     

高速实心/空心滚珠丝杠热变形受轴承副摩擦热影响分析

机床高速高精度的发展方向,迫切需要提高机床滚珠丝杠的进给速度,然而随着滚珠丝杠进给速度的提高,轴承副摩擦热也在急剧增加,增大了滚珠丝杠的热变形,进而降低了滚珠丝杠的定位精度,为了解决这一问题,文中提出采用通入冷却油的空心滚珠丝杠抑制温升。先对轴承摩擦生热、热边界条件及滚珠丝杠变形进行理论计算,再通过刚度计算得到与给定空心滚珠丝杠等刚度的实心滚珠丝杠外径,运用有限元分析软件分别对空心、实心滚珠丝杠轴承副热特性进行分析,得出通入冷却油的空心滚珠丝杠可以有效地抑制温升和热变形,最后对不同载荷不同转速下实心滚珠丝杠和空心滚珠丝杠的热特性进行分析,为空心滚珠丝杠的设计和研究提供理论依据。     

TX1600G数控镗铣加工中心滚珠丝杠热特性分析

以TX1600G数控镗铣加工中心为例,主要研究在移动热源施加条件下,不同的进给速度以及冷却液流量对系统热平衡的影响。为得到滚珠丝杠在实际工作中的状态,利用ANSYS建立丝杠的简化三维模型,施加移动热源来模拟螺母和轴承的传动热量,从而得到丝杠的温度模型,建立热误差补偿模型。结果表明,进给速度的增加可以缩短系统的热平衡时间,但热平衡温度有所升高; 冷却液可以有效地降低热平衡温度和缩短热平衡时间。热误差模型建立和温度场分析,为系统的热补偿提供必要的理论依据。     

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。     

基于GA-BP神经网络系统的滚珠丝杠热误差建模

滚珠丝杠是数控机床进给系统的关键部件,其热变形影响机床的定位误差。为提高数控机床的精度,提出一种基于GA-BP神经网络的热误差预测方法。以TX1600G镗铣加工中心进给系统的滚珠丝杠为研究对象,运用有限元法对丝杠进行热特性分析,并据此获得其温度和热误差数据。针对BP神经网络模型训练时间长,容易陷入局部极值等缺点,运用遗传算法优化BP神经网络的阈值和权值,并建立滚珠丝杠的热误差预测模型。通过MATLAB完成仿真实验,结果证明,GA-BP神经网络模型比BP神经网络模型拟合性能更好,预测能力更强。     

机床数控化改造中滚珠丝杠的选型及定位误差计算

数控机床进给传动系统的传动精度和刚度主要取决于滚珠丝杠螺母副的传动精度及其支撑结构的刚度，丝杠的直径、支撑、预紧影响系统刚度，丝杠螺母及其支撑部件之间的间隙影响传动精度。因此，在机床数控化改造中，应主要解决滚珠丝杠的选型及预紧计算。本文以M28125轴承磨床数控化改造为例，着重介绍纵向滚珠丝杠的选型计算。     

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。     

基于有限元法的中空冷却滚珠丝杠温升及热变形研究

针对高速机床工作过程中滚珠丝杠进给系统的发热及热变形问题,基于传热学理论,建立了中空冷却滚珠丝杠传动过程中温度场和热变形的数学模型,并通过有限元仿真模拟和丝杠冷却模拟运行试验对该模型进行验证.结果表明,随着丝杠转速的提高和运行时间的增加,丝杠温升和热变形先是逐渐增大,然后趋于一个稳定值.     

双驱滚珠丝杠进给系统温度场计算

在铣车复合加工中心双驱进给系统中,由于滚珠丝杠传动过程中产生的摩擦力矩会生成大量热能,因此需要对滚珠丝杠螺母副的温度场进行计算分析.采用SolidWorks建立滚珠丝杠副的传动系统简化模型,通过计算其相应的摩擦力矩求出发热量,并推导出热分析所需的边界条件,从而为滚珠丝杠进培系统进行热力学稳态温度场分析奠定基础.     

高速机床滚珠丝杠副及其热特性分析

根据高速机床滚珠丝杠副结构组成特点和工作原理,结合高速切削实验结果,分析了引起滚珠丝杠副温升变形的主要热源及其影响因素,获得了温升随丝杠转速和预紧力的变化规律.基于能量守恒定律和傅里叶热传导定律,推导了滚珠丝杠副热传导微分方程并确定了其定解条件,建立了丝杠副温度变化的数学模型,为滚珠丝杠系统温度场仿真分析提供理论依据,可用于进一步研究高速进给系统热变形误差和提高定位精度.     

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。     

高速滚珠丝杠副气液二元冷却系统设计与仿真

针对高速滚珠丝杠进给系统由于摩擦发热而导致丝杠产生热变形误差的问题,提出一种高速滚珠丝杠副整体循环冷却和重点发热区域局部冷却的气液二元冷却方法,用于抑制机床因高速运转产生热变形而导致传动刚度和加工精度的变化。通过对不同冷却方式下滚珠丝杠副温度场的变化,以及不同冷却速度情况下滚珠丝杠热变形的仿真分析,验证了气液二元冷却系统的可行性。     

滚珠丝杠的安装形式与轴承的排列命名

滚珠丝杠副作为数控机床的进给传动链,其装配形式和精度决定了数控机床的定位精度,也影响着进给轴插补运行的平稳性。本文希望通过对滚珠丝杠幅安装形式和丝杠幅定位轴承的排列与命名进行介绍,以期对读者在设备维护和改造工作中有所帮助。     

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。     

滚珠丝杠进给系统结构模态特性对位置环增益的影响性分析

为充分考虑滚珠丝杠结构模态特性对伺服控制器及进给驱动系统整体统态性能的影响,建立了基于特征模态的滚珠丝杠进给系统状态空间缩聚模型,以实现在模态特性影响下求解进给系统动力学响应的同时与伺服控制系统集成;在此基础上,建立了基于滚珠丝杠进给系统状态空间缩聚模型的伺服系统位置调节回路模型,推导了系统模态频率、开环幅值响应激增值与位置环增益之间的约束关系式,进行了滚珠丝杠进给系统模态特性对位置环增益的影响性分析,实现了特征模态影响下位置环增益参数的最优值估计。通过实例验证了基于状态空间的滚珠丝杠进给系统模态特性提取、滚珠丝杠进给系统模态特性对位置环增益的影响性分析结果、结构特征模态影响下的位置环增益参数最优值估计的正确性。     

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。