不同指令轨迹条件下滚珠丝杠进给系统运动精度特性研究

滚珠丝杠进给系统是高档数控机床重要部件,其运动精度决定了多轴联动加工机床的加工精度,在高速、高精度滚珠丝杠进给系统中,其指令轨迹参数是影响运动精度的重要因素。基于Simulink和Simscape搭建滚珠丝杠进给系统半物理机电耦合仿真模型,考虑不同指令轨迹参数,开展运动精度仿真及分析。结果显示,指令轨迹的位置、速度和加速度等参数对滚珠丝杠进给系统运动精度有重要影响,因此,在多轴联动加工机床中,合理规划进给系统轨迹参数对于提高其运动精度具有重要意义。

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。

滚珠丝杠进给系统动态特性集中质量建模与仿真

为了研究高速滚珠丝杠进给系统的动态特性,提出一种改进的集中质量建模方法,该方法考虑了滚珠丝杠进给系统基座的质量、柔性及进给系统部件间反向间隙对系统动态特性的影响,并完善了滚珠丝杠进给系统集中质量模型等效参数的计算方法。以MAG某加工中心X轴滚珠丝杠进给系统为实验对象,对该集中质量模型建模方法进行实验验证,仿真结果与实测结果具有相同数量的特征频率,且特征频率的误差在5%以内。滚珠丝杠进给系统的仿真分析表明,螺母位置改变引起的进给系统固有频率变化将影响伺服系统的稳定性,滚珠丝杠进给系统中的反向间隙会激励部件产生高频振动,给进给系统带来不利影响。

进给驱动机构轴向振动与滚珠丝杠滚振研究

考虑扭转和轴向振动的滚珠丝杠副进给驱动机构建立动力学模型,对其固有动力学特性进行数值计算,提出进给驱动系统复杂振动中滚振的概念。利用MATLAB和ADAMS软件建立滚珠丝杠副进给驱动系统机电联合仿真平台,利用高分辨率旋转编码器和直线光栅尺等建立其动力学特性实验平台,对系统轴向和扭转动力学特性进行仿真分析与实验测量。实验结果表明:进给驱动机构第一阶模态在移动部件轴向振动的同时还存在滚珠丝杠的滚振,此滚振虽不会引起丝杠的扭转变形,但因其包含在伺服控制环之内,且频率较低、能量较大,会严重限制伺服控制带宽并影响其稳定性,在高性能进给驱动系统的设计中必须对此加以重视。

考虑摩擦和间隙的柔性滚珠丝杠进给系统建模与分析

为了研究高速滚珠丝杠进给伺服系统的动态特性,提出了一种建立进给系统机械子系统振动模型的混合建模方法,采用带有轴向和扭转自由度的欧拉-伯努利梁单元描述丝杠的轴向、扭转和弯曲振动,采用集中参数方法描述交流伺服驱动子系统和进给系统的其余部件,建立了包含摩擦、间隙非线性因素及外切削力干扰的柔性进给系统模型。实验证明了混合模型能够较准确反映机械系统的振动特性。在此基础上,数值仿真分析表明,低速运动中摩擦和间隙非线性会导致进给系统产生较大的速度波动,在高速运动中机械系统的轴向和扭转振动会导致进给系统不稳定。

数控机床进给单元滚动结合部轴向动态特性参数识别

针对现有结合部参数识别方法不能精确识别装配状态下数控机床进给单元滚动结合部动态特性参数问题,提出进给单元装配状态下滚动结合部轴向动态特性参数识别方法。将丝杠简化为弹性杆件以建立简谐力作用下丝杠及工作台的轴向振动方程,基于该方程建立结合部轴向刚度与阻尼参数识别模型;通过实验测量丝杠支撑点间距离、简谐激振力频率及幅值、丝杠轴端截面轴向振动速度幅值等参数建立识别方程组;基于遗传算法优化求解该方程组,识别出滚动结合部轴向动态特性参数。以自行研制的滚珠丝杠进给实验台为研究对象,基于该方法对其左、右端轴承组及滚珠丝杠副结合部轴向刚度、阻尼参数进行识别,并对识别结果的正确性进行实验验证。结果表明所提方法正确、有效,丝杠轴端截面轴向振动速度幅值的理论计算值与实验测试值绝对误差在7.7μm/s以内,参数识别精度较高。

滚珠丝杠进给系统仿真建模

为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,提出基于Lyapunov稳定性理论建立模型参考自适应系统,以二阶系统为参考模型,以理论模型为控制对象的仿真建模方法。结合实例,建立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建立模型参考自适应系统仿真模型,并用仿真结果推导出进给系统二阶数学模型。结果表明:二阶模型的输出能很好地跟踪理论模型输出;对两模型输入1ms单位脉冲信号时,相对误差在0.314%以内。

滚珠丝杠进给系统轴向一阶固有频率量变规律

为了定量分析高速机床进给系统部件参数对一阶固有频率的影响,将滚珠丝杠看作弹性杆件,运用拉格朗日方程建立了进给系统轴向运动的动力学模型;利用MATLAB软件对其固有频率进行了求解,给出了进给系统参数变化与轴向一阶固有频率的关系曲线.结合实例分析了工作台质量、各部件刚度变化对轴向一阶固有频率的影响,发现工作台质量和丝杠螺母刚度是轴向一阶固有频率的主要影响因素.计算结果表明,工作台质量减小10%,轴向一阶固有频率提高4.94%;丝杠螺母刚度提高10%,轴向一阶固有频率提高2.5%.

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％.

进给系统振动特性研究及新型加减速控制策略

不平滑的运动指令导致数控机床进给过程中产生振动。本研究基于滚珠丝杠进给系统集中质量动力学模型,建立了伺服电机扭矩激励与进给系统响应的理论模型,分析了运动指令加速度曲线功率谱与进给系统振动响应的相关关系。针对加减速策略中存在的加加速曲线开始点和结束点不连续而引入振动激励的问题,提出一种类余弦加加速加减速控制策略,实现了加加速全过程的平滑过渡。以某滚珠丝杠进给实验台架为例,建立并实验验证了该台架的集中质量动力学模型,在此基础上建立了加减速控制策略激励特性分析的仿真模型,对加减速控制策略的激励特性进行了对比分析。仿真结果表明,类余弦加加速策略的激励特性最小,其工作台响应的功率密度是有限加加速策略的万分之一,是正弦加加速策略的1%。

提高数控机床滚珠丝杠进给系统机械刚度的措施

现代数控机床要求其进给系统在较高进给速度下具有很好的定位精度和较高的速度适应能力,这就要求进给系统要有较高的刚度。文章分析了影响数控机床滚珠丝杠进给系统刚度的主要因素,提出了提高进给系统刚度的技术措施。

基于NNFFC的数控机床进给驱动系统动态性能优化

考虑机械传动环节结构柔性对进给驱动系统整体动态性能的影响,首先构建滚珠丝杠进给系统状态空间模型,在此基础上,基于数字化模块仿真,进一步实现与伺服控制系统的集成建模,并通过实验对集成模型进行了验证。在此基础上,鉴于级联控制及其动态特性非线性特征下伺服控制参数最优值并不固定,通过控制参数值优化选取对进给驱动整体动态性能进行优化具有一定的局限性,提出神经网络自适应电流与速度前馈控制设计策略(NNFFC),基于控制参数时变最优参数组合自适应调节与电流速度前馈,对滚珠丝杠进给驱动动态响应性能进行优化,优化后整体进给驱动系统跟随误差由0.252 6降为0.111 5,干扰峰值由0.019降为0.007 0,上升时间由原来的0.128 3 s减少为0.107 5 s。

双丝杠驱动直线进给系统动态特性分析

双丝杠驱动对于抑制机床在高速和高加减速情况下引起的振动具有显著的作用。以数控机床双丝杠驱动直线进给系统为研究对象,对不同丝杠和导轨跨距下的进给系统进行动态特性分析,得到各阶模态振型和固有频率,并建立了其二自由度系统振动模型,研究丝杠和导轨跨距对进给系统动态特性的影响规律。分析计算结果表明:随着丝杠跨距和导轨跨距的增加,进给系统绕工作台法向的扭转振动的固有频率和绕丝杠轴向的扭转振动的固有频率越高,抵抗扭转振动和变形能力越强,动态特性越好。

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%。

四坐标数控龙门加工中心进给传动系统设计

进给传动系统负责传递转矩和转速,是数控机床的重要组成部分,其传动精度、灵敏度和稳定性将直接影响工件的加工质量。为了保证机床的定位精度和工作的稳定性,进给传动系统需要具备无间隙、低摩擦、低惯量、高刚性、高谐振以及适宜的阻尼比等特点。

双驱同步控制的误差预补偿算法与试验

针对双驱进给系统的同步控制,设计了一种新的补偿算法。首先,根据双丝杠工作台的结合部刚度,建立滚珠丝杠运动系统的动力学模型。然后在不同进给速度和工作台位置下,对双驱进给的同步误差进行检测,得到同步误差的多元线性回归模型,利用动力学模型与多元线性回归模型可综合得出双驱同步控制的误差预补偿模型。采用自主研发的双驱进给试验平台进行双驱进给的补偿试验,对比传统的虚拟主轴同步控制策略、主从同步控制策略与本文所提出的误差预补偿控制策略,对双驱进给的速度跟随精度与位置同步精度进行对比分析,试验结果表明,双驱同步控制的误差预补偿策略具有同步精度更高,稳定性更好的优点。

适用于机床柔性进给驱动的最优反馈控制技术研究

针对机床柔性进给传动系统的传动控制问题,对滚珠丝杆传动的高速跟踪进行了研究,提出了一种具有较高的动态精度的最优反馈控制方法。利用进给工作台负载侧的反馈测量实现了主动减振和精确跟踪;同时,采用2个权重对传动控制进行了最优调节,实现了干扰抑制和主动减振的功能;在反馈中通过引入模态阻尼对工作台颤振进行了抑制,并结合结构的反谐振抑制了高频干扰。研究结果表明:该方法能够以较低的成本实现精确的高速进给传动控制,在高加速度时的最大误差为±40μm,并获得了大于300 Hz的跟踪带宽,在低频和高频下最优控制效果更好,干扰抑制能力强,在大约157 Hz时可以实现大于5倍的干扰衰减性能。

数控机床进给系统热源发热率辨识与热误差预测

数控机床进给系统具有热源多且各热源发热率时变性强的特点.但以往研究对各热源发热率的时变性关注较小,因此很难实现丝杠温升和热误差的精确预测.本文将Monte Carlo(MC)模拟集成FEM方法捕获到进给系统各热源的发热率,进而确定了各热源发热率占系统总发热率的比例--分配比随系统运行时间的变化规律.然后,基于进给系统各热源的发热率分配比,提出利用进给系统伺服电机的力矩电流计算各热源发热率的方法.最后,基于一维热传导方程的有限差分法,提出了丝杠温升和热误差的数值预测模型,并利用试验验证了模型预测的精确性.

滚珠丝杠进给系统动力学建模与动态特性分析

考虑滚珠丝杠进给系统中各结合面接触刚度的影响,提出一种有限元建模方法,用于研究滚珠丝杠进给系统的动态特性。将丝杠螺母、导轨滑块和滚动轴承简化为弹簧-质量模型。基于Hertz接触理论推导出其接触刚度的计算公式,采用多单元混合的方法划分网格,建立整个进给系统的有限元模型,仿真得到承载台的前五阶模态振型和固有频率;采用锤击激励法对滚珠丝杠进给系统进行模态试验,试验结果表明仿真和试验得到的模态振型基本一致,固有频率的最大误差为8.9%;基于该有限元模型分析了主轴质量、滚动导轨副预紧力以及滑块间距对进给系统振型分布和固有频率的影响。所提出的动力学建模方法和研究结果对滚珠丝杠进给系统的动态特性分析和结构优化具有参考价值。

数控机床进给系统热误差自适应解析模型

提出了基于丝杠热源表面检测温度的滚珠丝杠热误差预测解析模型.首先,基于变量分离法推导出丝杠轴一维热传导方程的解析解.然后,将两个轴承视为固定热源,将螺母简化为连续分布的多个可移动热源,给出了各热源激励起丝杠温度分布的解析表达式,进而依据叠加原理得出了多热源作用下丝杠轴温度的预测方程.依据各热源表面测点和中心温度的有限元计算结果,确定了其温度差随进给速度和时间变化函数曲线的拟合参数,进而提出了丝杠热误差预测的解析模型.最后通过试验验证了预测模型的有效性.