滚珠丝杠进给系统刚柔耦合动力学建模与时变动态特性分析

数控机床运行过程中,多轴滚珠丝杠进给系统的刚度和惯量会随着各轴位姿的变化而变化,致使其动态特性呈时变的特点。多轴滚珠丝杠进给系统时变动态特性的高保真建模与分析已成为数控机床轮廓误差精准预测的瓶颈难题之一。针对这一难题,提出基于拉格朗日方程与Ritz级数法的滚珠丝杠进给系统刚柔耦合动力学建模与分析方法。以某型号五轴加工中心的两轴滚珠丝杠进给系统为具体对象,重点考虑丝杠本体轴扭方向的连续弹性体变形影响,采用拉格朗日方程建立滚珠丝杠进给系统的刚柔耦合动力学模型,并采用Ritz级数法对方程求解,得到动力学模型的数值解。利用所建立的动力学模型分析进给轴位姿对两轴进给系统固有频率和模态振型的影响,发现各阶固有频率和模态振型随进给轴位姿的变化规律与对应阶次的主导轴有关。随着主导轴进给台由固定端移动至支撑端,对应阶次的固有频率逐渐减小,对应阶次的振型中丝杠本体的弹性振动幅值逐渐增大。此外,两轴进给系统的低阶模态振型主要由承载轴主导,高阶模态振型主要由附属于承载轴的子轴主导。最后,通过模态实验对所提方法进行应用验证,证明所建立动力学模型的准确性。研究结果对数控机床轮廓误差的精准预测具有重要参考价值。

实心/空心滚珠丝杠动态、静态的热特性分析计算

通过对滚珠丝杠系统的热源、热边界条件的确定和计算,分别建立实心/空心滚珠丝杠系统的热稳态仿真分析模型,利用有限元的方法,得到滚珠丝杠系统的热稳态温度场分布,进而利用多场耦合对滚珠丝杠系统进行热结构耦合分析得到实心滚珠丝杠和空心滚珠丝杠的热变形情况,并分析热变形对滚珠丝杠系统的影响;然后分别对实心/空心滚珠丝杠系统进行模态分析和静态分析,分析滚珠丝杠中空后动静态特性的变化和影响,为立式加工中心的优化和改进提供理论依据。

平面滚珠丝杠副多结合面建模与动态特性分析

为了提高平面运输设备的传送效率与定位精度,针对x‑y轴平面滚珠丝杠副的多机械装配界面,应用吉村允效法确定螺栓联接界面的法向压缩刚度和切向运动刚度,采用赫兹接触理论确定丝杠螺母、轴承和导轨内接触界面的径向或法向压缩刚度。基于ABAQUS软件建立x‑y直线进给系统的动力学模型,通过锤击法模态试验和文献对比研究,证明了所提理论模型以及结合面刚度计算的正确性。数值仿真了工作台质量、滑块间距及导轨间距对于系统动态行为的影响,并给出设计建议值。通过医疗剪刀毛坯平面进给机床设计试验,验证了所获得动态系统设计规律的有效性。

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

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。

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。

不同支撑方式的滚珠丝杠进给系统静/动刚度分析

滚珠丝杠进给系统是数控机床的重要组成部分,其静/动刚度对机床性能和稳定性有重要影响。在工作过程中,滚珠丝杠进给系统的静/动刚度随行程变化而变化。为研究不同支撑方式的滚珠丝杠进给系统静/动刚度特性,采用集中参数法,搭建系统动力学模型,开展行程范围内系统静/动刚度变化规律研究,并关注工件的质量和放置位置对系统静/动刚度的影响。结果显示:负行程中,随着行程增加,两端固定支撑的系统静/动刚度先减小后增大;一端固定一端浮动支撑方式的系统静/动刚度持续减小,且两者相比,两端固定支撑的系统动刚度对工件的质量和放置位置更为敏感,即固有频率变化相对较大。结果可用于指导滚珠丝杠进给系统的优化设计以及工作过程中工件的质量和放置位置的选择。

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。

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。

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。

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。

滚珠丝杠副静动态特性分析

针对滚珠丝杠副在外力作用下容易产生变形、振动等特点,以滚珠丝杠副为研究对象,应用Solid Works软件建立滚珠丝杠副三维装配体模型,经适当简化后导入到ANSYS Workbench软件中,在对模型设置约束条件和施加合理载荷后,对其进行静力结构有限元仿真分析,得出滚珠丝杠副中滚珠、丝杠、螺母在工作过程中的等效应力、应变。通过对装配体模型进行模态分析,得出不同支撑方式下滚珠丝杠副的固有频率和振型。结果表明:有限元仿真分析结果与真实情况相近,为滚珠丝杠副的优化设计、合理使用及避免共振提供了参考依据。

基于ANSYS的滚珠丝杠进给系统静动态特性分析

对一台数控车床滚珠丝杠进给系统的静、动态特性进行有限元分析,讨论了ANSYS中滚珠丝杠副结合面的建模方法。通过进给系统的死区误差和定位误差分析,校核了机床X向的定位精度和重复定位精度。并通过模态分析和谐响应分析,得到了机床进给系统固有频率和振动特性,为进给系统的合理使用和静、动态性能的提高提供了可靠的依据。

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。

基于ANSYS的供球机构摆动轴静动态特性分析

供球机构摆动轴的静动态特性对稳定供球、提高供球成功率和提高植球良率有着重要意义。因此,有必要对摆动轴静动态特性进行仿真分析。通过建立简化的摆动轴力学模型,并应用有限元分析软件ANSYS对摆动轴摆动角0°中间位置和±45°QUOTE极限位置进行了静态分析,得到了摆动轴在这些位置的应力、变形云图。对摆动轴进行模态分析,得到了摆动轴前6阶固有频率以及振形。分析结果表明,摆动轴的初步设计符合设计要求,同时判断出摆动角±45°QUOTE位置是摆动轴危险位置,为植球机供球机构的下一步设计与优化提供了参考。

铣车加工中心双驱进给系统静动态特性分析

以铣车复合加工中心双滚珠丝杠进给系统为研究对象,基于有限元方法对其进行静动态特性分析。建立了滚珠丝杠进给系统机械模型,对双驱进给系统提出了一种改进方案,通过静动态特性分析验证了改进方案。分析结果表明该改进方法能够有效的提高双驱进给系统的静动态特性,为双驱进给系统的合理使用和静动态特性的提高提供了可靠的理论依据。

直线导轨进给机构动态特性参数测试方法

依据机械阻抗原理,提出一种有限元计算与实验测试相结合的方法,确定带滚珠丝杠副的直线导轨进给机构的动态特性参数.把进给机构分为三个子结构建立其动力学模型,利用有限元谐响应方法计算单个部件上测点之间的频响函数;通过实验测定装配后的结构上测点之间的传递函数;应用频响函数识别法求解进给机构在三个方向上的刚度和阻尼参数.将识别出的刚度与阻尼值代入进给机构的有限元模型,计算所得模态频率和振型与模态实验所测结果一致,各阶固有频率的平均相对误差为2.43%.本方法既发挥了有限元方法计算单个零件动力学特性的准确性,又避免了实验测量单个大型零件频响函数的不便,具有良好的工程实用价值.

高速精密滚珠丝杠副的动力学分析

利用软件Pro/E5.0对滚珠丝杠副进行三维建模,详细介绍了内循环滚珠丝杠副中反向器回珠曲线的创建方法。借助于动力学分析软件ADAMS对滚珠丝杠副模型进行了动力学仿真,分析了不同转速下丝杠、螺母的运动特性以及滚珠与丝杠、螺母、反向器的接触特性。借助有限元软件ANSYS分析了丝杠的固有频率,为避免共振提供了理论依据。研究发现高转速对滚珠丝杠副的动态特性有着很大的影响。

FMXT-2000落地镗铣床y向双驱进给系统静态特性分析

双驱进给系统在各类机床上的应用越来越广泛,系统静态特性对机床该方向的定位精度影响很大。运用ANSYS Workbench软件对FMXT-2000落地镗铣床的y向双驱进给系统进行静态分析,根据所得数据拟合补偿曲线。经试验证明,补偿之后的定位精度可达到0.008 mm,高于国家标准要求。依据分析结果,考虑切削力、主轴箱质量及滚珠丝杠副刚度对y向双驱进给系统的影响,提出了几种优化方案,可供同类镗铣床垂直进给系统的设计和改进时参考。