基于模态综合法与动态凝聚的滚珠丝杠进给系统状态空间建模与实验验证

以往研究中为便于机械传动环节与控制系统的集成建模,常将滚珠丝杠进给系统简化为简单机械模型,其在动态性能精确求解等方面存在不足。针对这一问题,充分考虑滚珠丝杠进给系统的结构柔性以及丝杠螺母副的耦合特性,构建滚珠丝杠进给系统多柔体动力学模型;在此基础上,综合模态综合法和动态凝聚法,对进给系统有效简化动力学信息准确提取,加快模型降阶收敛和凝聚自由度响应求解速度,推导得到滚珠丝杠进给系统的状态空间缩聚模型。基于内置传感器信号的动态性能试验测试,对模型的正确性进行验证,其一阶固有频率计算误差为5.54%,实验和仿真计算得到的输入扭矩与输出转速间的频响曲线在一阶频率处极点坐标分别为32.83 d B和35.16 d B。该研究为实现滚珠丝杠进给系统与伺服控制系统的高效高精度集成建模提供了重要的理论基础和方法指导。     

双驱动进给系统动态建模及变化规律研究

为了研究双驱动进给系统的动态特性,利用能量法建立了双驱动进给系统多自由度模型。该方法考虑了丝杠螺母副,支撑轴承及直线滚动导轨结合面参数的影响;根据拉格朗日方程推导了双驱动进给系统的刚度,质量矩阵,工作台的位移计算公式;数值仿真计算出系统的固有频率,并对其影响规律进行了进一步分析;研究表明系统轴向刚度、工作台的质量和位置是影响一阶固有频率的主要因素,增大丝杠跨距可以抑制工作台的扭转振动。试验结果表明该动力学模型能够准确地反映系统的动态特性。     

滚珠丝杠进给系统混合建模及其振动时变性分析

为了研究滚珠丝杠进给系统的振动特性,提出了一种混合建模方法,将丝杠作为分布参数模型,其余部件作为集中参数模型。应用功率平衡法和Ritz级数法,建立了滚珠丝杠进给系统的轴向、扭转和弯曲振动模型,并推导了系统的刚度、质量和阻尼矩阵。数值仿真分析了进给系统振动随工作台位置和质量变化的时变特性,并获得了不同工作台位置下的振型。研究表明工作台位置和质量变化对轴向振动的影响较大,对扭转振动影响较小,且工作台位置对弯曲振动影响较大。实验结果表明该混合模型能够准确预测系统的振动特性。     

带超长滚珠丝杠的立式玻璃磨边机砂轮架模态分析

为进一步改善带超长（3.71 m）滚珠丝杠立式玻璃磨边机的动态特性,减小、抑制磨削振动对加工质量的不良影响,基于ANSYS参数化建模语言建立考虑运动结合面动态特性的砂轮架动态分析参数化有限元模型;据砂轮架实验模态分析结果,对砂轮架模态有限元计算精度进行验证。进一步分析滚珠丝杠直径、滑块安装板厚度、丝杠螺母副及丝杠轴承结合面刚度、砂轮架位置等参数对砂轮架动态特性影响规律,提出新一代数控玻璃磨边机砂轮架的改进设计方案。经生产应用证明砂轮架动态特性改进设计方案的合理性和有效性。     

一种龙门式加工中心横梁的动力学仿真研究

对一种国产龙门式加工中心的横梁关键部件,采用机械系统多刚体动力学仿真软件ADAMS和有限元分析软件ANSYS进行了静动态特性分析;在考虑重力和切削力作用下,由ADAMS计算出导轨与滑块间的作用力,从而计算出横梁部件的静态变形;通过动态测试和参数辨识方法获得导轨结合面特性参数并将其应用到横梁滑箱系统整体有限元模型中,经过模态分析得到系统固有频率和各阶振型图,并进一步分析了结合面参数变化对横梁滑箱系统整体动态特性的影响.     

基于DNN整机建模的滚珠丝杠进给系统关键结合部动态特性参数辨识EI北大核心CSCD

针对滚珠丝杠进给系统关键结合部动态特性参数的辨识精度不高等问题。提出利用可表征结合部动态特性参数与整机固有频率之间映射关系的深度神经网络(deep neural network, DNN)建立进给系统整机的等效动力学模型;结合进给系统固有频率的DNN预测值与实验模态分析值,采用粒子群优化(particle swarm optimization, PSO)算法对进给系统关键结合部的不同方向的刚度、阻尼参数同时辨识。以自行设计制造的进给系统实验台为实例进行整机建模、实验、参数辨识等分析;最终的辨识结果达到很高精度,说明该方法是可行、有效的。     

直线滚动导轨的Hertz接触建模及接触刚度的理论求解

直线滚动导轨是数控机床的重要功能部件,对导轨系统进行解析建模可以有效分析导轨的特性参数对导轨力学性能的影响。该文基于Hertz接触原理,对直线滚动导轨进行了Hertz接触建模及接触刚度求解。首先,推导了导轨系统中单个滚珠-沟槽的接触刚度解析表达式。在此基础上,系统地分析了滑块与导轨之间的变形关系,完成了整个导轨的法向接触建模。最后,以NSK直线导轨为对象,分别求解了单个滚珠及4种预紧力等级作用下整个导轨系统的接触刚度,并绘制了载荷-弹性变形以及刚度-弹性变形之间的关系曲线。进一步,利用所创建的模型,分析了外载荷及预紧力对导轨接触刚度的影响。     

考虑关键运动副特点的船用多功能数控机床模态分析

针对船用多功能数控机床在舰船环境下的结构动态性能研究,结合舰船波浪载荷作用下的摇荡特点,揭示了机床的运动坐标体系和布局方案,并进行了机床关键导轨滑块运动副5自由度载荷特点的受力分析;依据机床振动理论构建了导轨滑块运动副粘性阻尼振动模型及其有限元结构模型;采用机床锤击试验模态和机床有限元结构模态相结合的方法验证了包含导轨滑块运动副粘性阻尼系统的有限元机床模型的适用性,并分析确定了机床110Hz内的6阶模态振型及其频率。     

滚珠丝杠进给系统的仿真建模

为了在设计阶段获得滚珠丝杠进给系统相对精确的二阶数学模型,提出了一种基于Lyapunov稳定性理论建立模型参考自适应系统,以二阶系统作为参考模型,以理论模型作为控制对象的仿真建模方法。结合实例,建立了考虑粘性摩擦和传动刚度的滚珠丝杠进给系统理论模型,运用MATLAB/Simulink建立了模型参考自适应系统的仿真模型,并利用仿真结果推导出了进给系统的二阶数学模型。结果表明：二阶模型的输出能够很好地跟踪理论模型的输出;同时对两模型输入1毫秒的单位脉冲信号时,相对误差在0.314%以内。     

直线滚动导轨副动态特性分析

直线滚动导轨（LMG）是高速高精度数控机床的重要功能部件,导轨滑块结合面建模准确性对机床动态特性分析具有重大影响。基于模态理论和拉格朗日方程推导了直线滚动导轨动力学方程,通过MATLAB软件开发了计算程序,得出系统前五阶固有频率,并通过动态实验证明了理论模型的准确性。同时,分析了直线滚动导轨非线性刚度特性,揭示了预紧力和外部激励等因素对系统动态特性的影响,为进一步精确分析机床整机动态特性及性能优化奠定了基础。     

进给系统热变形对机床运动重复性误差的影响研究

为了分析进给系统热变形对机床运动重复性误差的影响，提出了一种基于分层模型-移动热源的进给系统热变形建模方法。将进给系统分为丝杠层和工作台层，将移动结合面等效为弹簧。采用实体单元和接触单元建立了有限元模型，在丝杠和导轨上施加移动热源，获得进给系统的温度场和热变形。在此基础上，分析了工作台进给速度、轴承预紧力矩和滑块支撑距离对机床运动重复性误差的影响，并进行了实验验证。研究表明，工作台进给速度和轴承预紧力距对机床运动重复性误差的影响较大，滑块支撑距离对机床运动重复性误差的影响较小。研究结果为在机床设计和装配中减小机床运动重复性误差提供了依据。     

基于模态分析理论的结合部动刚度辨识

结合部动力学特性对机械系统动力学性能具有显著影响,结合部动力学信息的准确辨识是组合结构动力学建模的重要前提。基于模态分析理论对结合部动刚度辨识方法进行了深入研究:首先,建立了包含结合部动力学信息的广义动力学模型,从模态分析理论出发,讨论了结合部动力学特性对组合结构固有频率的影响,建立了两者的映射关系;进而,采用质量单元与弹簧阻尼单元建立了理想的动力学有限元模型,通过模态分析所得的固有频率对结合部刚度进行辨识,辨识值与理论值之间最大误差为1.92%;最后,对螺栓连接组合结构进行了模态试验,以所测得的法向及切向典型振型对应固有频率为指标,通过搭建的MATLAB-ANSYS集成平台对螺栓结合部刚度进行辨识,并将所辨识的结合部刚度录入有限元模型,栓接结构固有频率的有限元预测值与实测值之间最大误差率为3.01%;数值模拟试验与现场模态试验的辨识效果均较为理想,验证了方法的可行性。同时,以栓接结构典型振型对应固有频率为指标辨识的结合部动力学刚度信息很好预测其他各阶固有频率的分布,表征和印证了栓接结构在较大预紧力作用下,螺栓结合部非线性动力学特性得到了抑制,满足线性条件假设。     

基于模态分析理论的结合部动刚度辨识EI北大核心CSCD

结合部动力学特性对机械系统动力学性能具有显著影响,结合部动力学信息的准确辨识是组合结构动力学建模的重要前提。基于模态分析理论对结合部动刚度辨识方法进行了深入研究:首先,建立了包含结合部动力学信息的广义动力学模型,从模态分析理论出发,讨论了结合部动力学特性对组合结构固有频率的影响,建立了两者的映射关系;进而,采用质量单元与弹簧阻尼单元建立了理想的动力学有限元模型,通过模态分析所得的固有频率对结合部刚度进行辨识,辨识值与理论值之间最大误差为1.92%;最后,对螺栓连接组合结构进行了模态试验,以所测得的法向及切向典型振型对应固有频率为指标,通过搭建的MATLAB-ANSYS集成平台对螺栓结合部刚度进行辨识,并将所辨识的结合部刚度录入有限元模型,栓接结构固有频率的有限元预测值与实测值之间最大误差率为3.01%;数值模拟试验与现场模态试验的辨识效果均较为理想,验证了方法的可行性。同时,以栓接结构典型振型对应固有频率为指标辨识的结合部动力学刚度信息很好预测其他各阶固有频率的分布,表征和印证了栓接结构在较大预紧力作用下,螺栓结合部非线性动力学特性得到了抑制,满足线性条件假设。     

基于CAE/CAT/CAO的齿轮箱轴承结合部等效刚度识别方法

基于CAE/CAT/CAO技术,提出一种有限元模态分析、试验模态分析与Isight集成优化方法相结合的精确识别轴承结合部等效刚度的方法:1采用Abaqus有限元分析软件建立齿轮箱有限元分析模型,通过spring单元模拟轴承三个方向的等效刚度,并将其作为设计变量;2基于LMS模态测试分析系统对齿轮箱进行试验模态分析,得到包含轴承结合部信息的各阶固有频率和振型,并以试验模态分析得到的固有频率值作为优化目标值;3通过Isight软件集成Abaqus对轴承刚度进行寻优,使有限元模态分析的结果与试验模态分析的结果相一致。分析结果表明,该方法综合考虑了齿轮轴、箱体的柔性,具有较高的精度,优化后的齿轮箱有限元模型与试验模型动态性能一致性好。     

基于机电-刚柔耦合特性的进给系统动态误差影响因素分析

进给系统动态误差是决定数控机床加工精度的关键因素,明确机械系统和控制系统参数以及两者之间耦合作用对进给系统动态误差的影响是当前面临的重要课题。以某五轴联动加工中心的进给系统为研究对象,充分考虑进给系统传动件结合面间刚度和滚珠丝杠柔性特征,搭建了进给传动系统动力学模型,并利用有限元软件进行了验证。利用典型三环PID（proportion integration differentiation,比例积分微分）控制结构搭建了机电-刚柔耦合进给系统动力学模型,通过仿真分析研究了机械系统参数和控制系统参数对进给系统动态误差的影响规律。结果表明,机械系统参数中,滚珠丝杠导程和螺母副轴向刚度对进给系统动态误差的影响显著,支撑轴承轴向刚度的影响不明显;控制系统参数中,位置环比例增益对进给系统动态误差的影响显著,速度环比例增益的影响不明显。研究结果为实现进给系统动态误差的可预知和可控性奠定了理论基础。     

基于分形理论的结合面法向接触刚度模型

基于修正的分形理论,以尺度系数定义微凸体大小,在充分考虑微凸体接触变形过程的基础上,对赫兹接触模型进行补偿修正。建立了结合面法向接触刚度模型,研究了法向接触刚度与分形维度之间的关系,并进行了仿真;以螺栓结合面为实验对象,采用结构函数法获取分形参数,进而求出结合面法向接触刚度值并录入有限元模型,在此基础上应用m+p噪声振动测试系统开展模态实验,通过对比理论模态与实验模态的振型和固有频率来验证理论模型的正确性。实验和仿真结果表明:理论模型和实验模型前8阶模态的振型一致,前8阶固有频率误差在-10.2%～-1%。     

滚珠型弧面凸轮分度机构动力学模型的建立及模态分析

应用拉格朗日方程对一种新型的滚珠型弧面凸轮分度机构进行了动力学建模。忽略滚珠的质量,将滚珠与凸轮之间的接触刚度以及滚珠与分度盘之间的接触刚度近似看作为两个接触刚度的串联,得到等效接触刚度。在建模过程中,利用回转变换张量法对机构中广义坐标几何位移关系进行了分析,建立了考虑扭转弹性模量的滚珠型弧面凸轮分度机构的动力学方程。由动力学方程得到了机构固有频率及其相对应的振型。结果表明,固有频率在分度时期随凸轮转角变化,在停歇时期为恒定值,并且不同阶的固有频率变化趋势也不相同。     

衬套刚度对扭力梁悬架模态分布影响研究

为分析和解决汽车扭力梁悬架系统振动引致的整车NVH问题,建立施加约束边界的悬架系统有限元模型并计算其系统模态。为了更确切地模拟悬架橡胶衬套在实际工作状态下所表现出的动态刚度特性,在有限元建模中提出一种衬套动刚度的当量方法,并结合试验验证阐明该方法的正确性。基于验证后的模型,以衬套刚度为影响因素,对悬架系统的低阶模态频率进行灵敏度分析,并讨论衬套刚度约束方向与模态振型之间的联系,最终揭示出衬套刚度对系统模态分布的影响规律。     

高速曲面胶印机橡皮滚筒动态特性分析

目的在考虑轴承支承刚度的情况下,对橡皮滚筒进行模态分析和谐响应分析。方法采用有限元分析软件Ansys对橡皮滚筒进行有限元建模。结果分析得出其前五阶模态振型和固有频率,以及轴承支承刚度对橡皮滚筒固有频率的影响,通过谐响应分析得出橡皮滚筒在载荷冲击下的位移频率响应曲线。结论分析结果表明,该型曲面胶印机橡皮滚筒动态特性良好,可有效保证印刷质量。     

带滚珠丝杠副的精密定位平台轴向刚度建模与测试

为了满足大尺寸光栅拼接架五维调整的要求,在每个方向上设计了由滚珠丝杠副组成的精密定位平台。精密定位平台中的可动结合部刚度特性决定了平台的定位性能。基于赫兹接触理论以及虚拟材料参数化建模方法分别建立了平台轴向静刚度的力学模型和有限元模型,并进行了对比分析。最后通过实验验证了两种建模方法的合理性。