Acceleration-Dependent Analysis of Vertical Ball Screw Feed System without Counterweight

The distinguishing feature of a vertical ball screw feed system without counterweight is that the spindle system weight directly acts on the kinematic joints.Research into the dynamic characteristics under acceleration and deceleration is an important step in improving the structural performance of vertical milling machines.The magnitude and direction of the inertial force change significantly when the spindle system accelerates and decelerates.Therefore,the kinematic joint contact stiffness changes under the action of the inertial force and the spindle system weight.Thus,the system transmission stiffness also varies and affects the dynamics.In this study,a variable-coefficient lumped parameter dynamic model that considers the changes in the spindle system weight and the magnitude and direction of the inertial force is established for a ball screw feed system without counterweight.In addition,a calculation method for the system stiffness is provided.Experiments on a vertical ball screw feed system under acceleration and deceleration with different accelerations are also performed to verify the proposed dynamic model.Finally,the influence of the spindle system position,the rated dynamic load of the screw-nut joint,and the screw tension force on the natural frequency of the vertical ball screw feed system under acceleration and deceleration are studied.The results show that the vertical ball screw feed system has obviously different variable dynamics under acceleration and deceleration.The influence of the rated dynamic load and the spindle system position on the natural frequency under acceleration and deceleration is much greater than that of the screw tension force.

基于磁流变阻尼器的滚珠丝杠进给系统主动抑振研究

针对滚珠丝杠进给系统轴向振动影响工件的加工质量和精度保持性的问题,将磁流变阻尼器应用于机床滚珠丝杠进给系统轴向抑振。设计磁流变阻尼器,进行磁流变阻尼器阻尼特性试验,采用最小二乘法和BP神经网络对阻尼力进行了辨识。建立带有磁流变阻尼器的机床滚珠丝杠进给系统单自由度振动模型,基于Runge-Kutta法计算了系统的动态响应。通过数值计算发现:阻尼器输入电流由零逐渐增大时,系统能够快速趋向于稳定;由幅频曲线可以看出,磁流变阻尼器抑制滚珠丝杠进给系统的振动是可行的。最后试验验证了磁流变阻尼器能够很好地抑制滚珠丝杠进给系统的振动。

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。

基于滚珠丝杠副进给系统受载响应研究

滚珠丝杠副主要由丝杠、螺母、滚珠和循环系统等组成。其主要作用是将旋转运动转换为直线运动,如车床中的刀架移动。目前在机床、航天、航空、核工业等领域广泛应用。通过建立滚珠丝杠进给系统的动力学方程,来研究系统受到不同冲击情况下的振动响应是十分有意义的。本文首先通过Lagrange第二类方程建立了进给系统的动力学方程,再利用有限元法对方程进行求解,实现了对不同载荷冲击下的滚珠丝杠螺母振动响应仿真。

基于ANSYS的数控机床进给系统热力学仿真与分析

滚珠丝杠是数控机床进给系统的主要传动方式,在工作过程中其热变形是影响加工精度的重要因素。为提高ANSYS计算精度,本文研究分析了滚珠丝杠进给系统的热源、边界条件和热变形机理,基于Hypermesh对初始网格进行优化,建立进给系统的热-力耦合模型。通过改变进给速度、轴向载荷和环境温度等加工参数,分析各工况下的温度变化和热变形。结果表明:热变形与进给速度成正比,热平衡时间与进给速度成反比,轴向载荷对热变形的影响大于进给速度。选用合适的进给速度改进滚珠丝杠的加工方式,能有效降低其温度变化及热变形,对提高数控机床的加工精度和延长使用寿命具有一定的现实意义。

Measurement and Simulation of Energy Consumption of Feed Drive Systems

In this study, in order to investigate the power consumption of feed drive system, mathematical models for the single-axis experimental apparatus are developed. This apparatus can be driven by either of ball screw or linear motor and it is possible to change the mechanical properties of such as grease viscosity of the table. Then, the power consumption is simulated by proposed method based on the mathematical model of feed drive systems and the simulated results are compared with the measured results of the experimental apparatus to confirm the validity of the proposed method. In addition, it is clarified that the energy usages of the feed drive system. The energy losses of the feed drive system are divided into the loss of each part and these energy losses are calculated by the proposed method. Then, it is investigated that the influence of the velocity and friction to the energy consumption of feed drive system. As the results, it is confirmed that proposed method can accurately predict the power consumption of the ball-screw feed drive system. It is also clarified that the energy usage for both of ball-screw and linear motor drive systems.

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。

基于滚珠丝杠传动的机床进给系统建模与分析

为了研究机床进给系统的动态特性,提升摩擦力影响下的运动控制效果,建立机床进给系统动力学模型与机电耦合仿真模型。定义基于赫兹接触理论与吉村允效法的部件结合部刚度,通过控制变量法分析进给系统一阶固有频率的影响因素,利用有限元软件对动力学模型进行验证,解释误差出现的原因。并利用PID控制加前馈控制对比分析有无摩擦补偿下的运动控制效果。结果表明:工作台质量和位置以及丝杠螺母副刚度变化对进给系统一阶固有频率影响显著;加入的前馈补偿能够有效消除因黏性摩擦产生的“平顶”、“死区”不良现象。

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。

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。

基于FEM的滚珠丝杠进给系统动态性能分析

用有限元法对一台数控龙门镗铣床滚珠丝杠进给系统的动态特性进行分析,探讨了有限元模型中结合面的建模方法。通过模态分析和谐响应分析,得出了机床进给系统固有频率和振动特性,为进给系统的结构优化和动态性能的提高提供可靠的依据。通过实验证明了有限元分析结果的正确性。

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。

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。

超精密滚珠丝杠进给系统谐响应的有限元分析

以超精密滚珠丝杠进给系统试验台为研究对象,使用有限元法对其进给系统的工作台受到轴向正弦力载荷时系统的谐响应进行了分析。由于目前传统的滚珠丝杠进给系统有限元模型不能准确的分析电机轴输出端的转矩动载荷对进给系统产生的谐响应,据此提出了一种新的进给系统有限元模型,保证了其谐响应分析的准确性。并根据分析结果可知,在超精密滚珠丝杠进给系统中,电机轴输出端的转矩动载荷会对进给系统的定位精度产生不可忽视的影响。

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。

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。

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。