进给系统刚度匹配及动力学特性分析.docx

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进给系统刚度匹配及动力学特性分析

进给系统刚度匹配及动力学特性分析

StiffnessMatchingandDynamicProperties

AnalysisfortheBallScrewFeed

DriveSystem

天津大学研究生学院

二零一三年十二月

独创性声明

本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

学位论文作者签名：

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年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。

特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。

同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。

（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）

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年月日

摘要

滚珠丝杠进给系统是数控机床的重要组成部分，其性能的优劣直接影响到机

床的定位精度和工件的加工精度。

进给系统的刚度和动力学特性会对定位精度和

切削稳定性产生重大影响，因此对于滚珠丝杠进给系统刚度匹配和动力学特性研

究具有很高的工程应用价值。

本文以滚珠丝杠进给系统为研究对象，主要针对进

给系统，从静刚度匹配、有限元建模与仿真分析、机电耦合动力学仿真分析和静

刚度实验方法四个方面进行了研究，具体工作如下：

（1）以赫兹接触理论和基本力学原理为基础，考虑到各环节刚度的串联关系，建立了进给系统静刚度模型。

通过对该模型分析计算，得到了几何参数、预紧力、轴承支承形式等因素对进给系统静刚度的影响规律，结合实际工艺情况，提出了进给系统静刚度匹配的基本原则；考虑导轨滑块结合面刚度，建立了静力切削下的工件变形模型，得到了导轨跨距、滑块布置对于变形的影响规律。

（2）基于SAMCEF软件建立了某卧式加工中心Z轴滚珠丝杠进给系统的有限元模型。

通过对进给系统进行模态分析及谐响应分析，得到了工作台材料属性、丝杠的直径及结合面刚度对于轴向振动固有频率的影响规律。

（3）以基本动力学理论为基础，建立了进给系统机电耦合的动力学模型，该模型在传统模型基础上考虑了进给系统沿丝杠方向刚度不等及非线性摩擦等因素，使之更加接近真实物理模型。

通过SIMULINK软件对模型进行仿真分析，得到了机械结构参数和伺服系统增益对进给系统动力响应的影响规律。

（4）通过使用测力环、千分表、加载装置和相应的辅助工具，针对实际机床结构，提出一种进给系统静刚度测试方法，对某卧式加工中心Y轴进给系统多个轴向位置的静刚度进行了测试。

实验数据与理论计算结果基本一致，证明了静刚度理论模型的有效性。

关键词：

滚珠丝杠进给系统刚度匹配动力学建模

I

ABSTRACT

AsamajorcomponentofamodernNCmachinetool,theperformancesoftheballscrewfeeddrivesystemaffectthepositioningaccuracyandthemanufacturingqualityoftheworkpiecedirectly.Thestiffnessanddynamicpropertiesofthesysteminfluencepositioningaccuracyandcuttingstabilityalot,sotheresearchonstiffnessmatchinganddynamicanalysisoftheballscrewdrivehasahighapplicationvalue.Fouraspectsontheballscrewfeeddrivesystemarestudiedinthedissertation:

stiffnessmatchingmethodontheballscrewdrive,finiteelementmodelingandsimulation,electromechanical-coupleddynamicsmodelingandstaticstiffnessexperimentalresearch.Themainworksandcontributionsareasfollows:

（1）ThestaticstiffnessmodeloftheballscrewfeeddrivesystemisestablishedbasedonHertzcontacttheoryandbasicprincipleofmechanicsconsideringthattherelationofeachstiffnessvalueisinseries.Throughsimulationcalculation,theeffectsofgeometryparameters,pre-loadandthewaybearingssupporttheballscrewonthestaticstiffnessofballscrewdriveareobtained.Consideringtherealcases,thebasicprincipleofstiffnessmatchingoftheballsrewfeeddrivesystemisobtained;consideringtheguiderailandslideinterfacestiffness,theworkpiecedeformationsmodelunderstaticforcearederived.Thespanofguiderailshasaneffectonthedeformations.

（2）Thefiniteelementmodel（FEM）ofamachinecenter’sfeeddrivesysteminZaxisisestablishedwithjointparametersaddedinbasedonSAMCEF.Bymodalandharmonicresponseanalysis,theinfluencesofthematerialpropertiesoftheworktable,diameteroftheballscrewandjointparametersonthenaturalfrequencyofaxialvibrationarederived.

（3）Theelectromechanical-coupleddynamicsmodelofthefeeddrivesystemisestablishedbytakingthenonlinearfrictionandthenon-constantstiffnessalongballscrewaxisintoconsiderationbasedonbasickinetictheory.Themodelismoresimilartotherealphysicsmodelthantraditionalones.ByanalyzingthemodelwithSIMULINK,theinfluencesofmechanicalandservoparametersonthedynamicresponsearederived.

（4）Byusingadynamometer,dialindicator,loadingdeviceandotherassistivetools,a

II

methodformeasuringthestaticstiffnessofthefeeddrivesystemisachieved.BycontrastingthestaticstiffnessexperimentalvaluesofthefeeddrivesysteminYaxisofamachinecenterindifferentpositionswiththeoreticalvalues,thestaticstiffnessmodelisprovedright.

KEYWORDS:

BallScrew,FeedDriveSystem,StiffnessMatching,Dynamics

Modeling

III

目录

摘要................................................................................................................................

I

ABSTRACT.................................................................................................................

II

第一章绪论..................................................................................................................

1

1.1

课题研究背景与意义...............................................................................

1

1.2

进给系统国内外研究现状.......................................................................

2

1.2.1

进给系统静刚度建模.....................................................................

3

1.2.2

进给系统动力学建模.....................................................................

4

1.2.3

进给系统控制补偿方法.................................................................

5

1.3

论文的主要工作及内容...........................................................................

6

第二章滚珠丝杠进给系统传动静刚度匹配.............................................................

8

2.1

滚珠丝杠进给系统传动静刚度模型.......................................................

8

2.2

滚动轴承轴向静刚度建模.......................................................................

9

2.2.1

轴承组配形式...............................................................................

10

2.2.2

轴承预紧.......................................................................................

10

2.2.3

单个轴承的刚度...........................................................................

11

2.2.4

多联轴承的刚度...........................................................................

11

2.3

丝杠螺母副静刚度建模.........................................................................

14

2.3.1

钢球滚珠在滚道中的接触问题...................................................

15

2.3.2

丝杠螺母副轴向刚度建模...........................................................

18

2.3.3

几何参数及预紧对丝杠螺母副接触刚度的影响.......................

19

2.4

滚珠丝杠轴向静刚度建模.....................................................................

20

2.5

进给系统静刚度匹配.............................................................................

22

2.5.1

支承轴承数目对进给系统传动静刚度的影响...........................

22

2.5.2

丝杠直径对进给系统传动静刚度的影响...................................

23

2.5.3

螺母预紧力对进给系统传动静刚度的影响...............................

24

2.6

考虑导轨滑块接触刚度切削点静变形建模.........................................

24

2.6.1

滑块的受力分析...........................................................................

25

IV

2.6.2

切削点处的变形...........................................................................

26

2.7

本章小结.................................................................................................

29

第三章基于SAMCEF的进给系统模态和谐响应分析.........................................

30

3.1SAMCEF有限元软件简介.....................................................................

30

3.2

进给系统有限元建模.............................................................................

30

3.3

进给系统主要部件的材料属性.............................................................

32

3.3.1

模态仿真结果分析.......................................................................

33

3.3.2

不同参数对固有频率的影响.......................................................

35

3.4

进给系统谐响应分析.............................................................................

37

3.5

本章小结.................................................................................................

38

第四章滚珠丝杠进给系统机电耦合仿真................................................................

39

4.1

伺服进给系统动力学模型的建立.........................................................

39

4.2

影响进给系统特性相关参数的计算.....................................................

42

4.2.1

非线性摩擦模型建模...................................................................

42

4.2.2

扭转系统等效转动惯量的计算...................................................

44

4.2.3

系统中阻尼的计算.......................................................................

45

4.2.4Z轴进给系统中的仿真参数........................................................

46

4.3

考虑变刚度和非线性摩擦因素的动力学分析.....................................

46

4.3.1

非线性摩擦力的影响...................................................................

46

4.3.2

传动刚度的影响...........................................................................

49

4.3.3

不同丝杠导程的影响...................................................................

50

4.3.4

位置环增益的影响.......................................................................

50

4.3.5

阻尼的影响...................................................................................

50

4.4

本章小结.................................................................................................

51

第五章进给系统静刚度实验....................................................................................

53

5.1

实验原理.................................................................................................

53

5.2

实验仪器.................................................................................................

54

5.3

实验结果及分析.....................................................................................

55

5.4

本章小结.................................................................................................

56

第六章结论与展望....................................................................................................

57

6.1

结论

.........................................................................................................

57

6.2

工作展望.................................................................................................

58

V

参考文献59

发表论文和科研情况说明63

致谢64

VI

第一章绪论

第一章绪论

1.1课题研究背景与意义

数控机床作为装备制造业的工作母机，是衡量一个国家工业水平的重要标

志。

机床肩负着为国家各部门提供现代化技术装备的重任，为农业、工业、航空航天、船舶制造、国防工业等制造关键零部件[1]。

目前中国高端机床市场依然被国外机床厂商占领[2]，汽车工业、船舶制造、航空航天、大飞机、复杂曲面制