【正文】 ........................................................... 10 單個軸承的剛度 ........................................................................... 11 多聯(lián)軸承的剛度 ........................................................................... 11 絲杠螺母副靜剛度建模 ......................................................................... 14 鋼球滾珠在滾道中的接觸問題 ................................................... 15 絲杠螺母副軸向剛度建模 ........................................................... 18 幾何參數(shù)及預緊對絲杠螺母副接觸剛度的影響 ....................... 19 滾珠絲杠軸向靜剛度建模 ..................................................................... 20 進給系統(tǒng)靜剛度匹配 ............................................................................. 22 支承軸承數(shù)目對進給系統(tǒng)傳動靜剛度的影響 ........................... 22 絲杠直徑對進給系統(tǒng)傳動靜剛度的影響 ................................... 23 螺母預緊力對進給系統(tǒng)傳動靜剛度的影響 ............................... 24 考慮導軌滑塊接觸剛度切削點靜變形建模 ......................................... 24 滑塊的受力分析 ........................................................................... 25 IV 26 本章小結(jié) ................................................................................................. 29 第三章 基于 SAMCEF 的進給系統(tǒng)模態(tài)和諧響應分析 ......................................... 30 SAMCEF 有限元軟件簡介 ..................................................................... 30 進給系統(tǒng)有限元建模 ............................................................................. 30 進給系統(tǒng)主要部件的材料屬性 ............................................................. 32 33 35 進給系統(tǒng)諧響應分析 ............................................................................. 37 本章小結(jié) ................................................................................................. 38 第四章 滾珠絲杠進給系統(tǒng)機電耦合仿真 ................................................................ 39 伺服進給系統(tǒng)動力學模型的建立 ......................................................... 39 影響進給系統(tǒng)特性相關參數(shù)的計算 ..................................................... 42 42 44 45 Z 軸進給系統(tǒng)中的仿真參數(shù) ........................................................ 46 考慮變剛度和非線性摩擦因素的動力學分析 ..................................... 46 46 49 50 50 50 本章小結(jié) ................................................................................................. 51 第五章 進給系統(tǒng)靜剛度實驗 .................................................................................... 53 實驗原理 ................................................................................................. 53 實驗儀器 ................................................................................................. 54 實驗結(jié)果及分析 ..................................................................................... 55 本章小結(jié) ................................................................................................. 56 第六章 結(jié)論與展望 .................................................................................................... 57 結(jié)論 57 工作展望 ................................................................................................. 58 V 參考文獻 ..................................................................................................................... 59 發(fā)表論文和科研情況說明 ......................................................................................... 63 致謝 ............................................................................................................................. 64 VI 第一章 緒論 第一章 緒論 課題研究背景與意義 數(shù)控機床作為裝備制造業(yè)的工作母機，是衡量一個國家工業(yè)水平的重要標 志。機床肩負著為國家各部門提供現(xiàn)代化技術(shù)裝備的重任，為農(nóng)業(yè)、工業(yè)、航空 航天、船舶制造、國防工業(yè)等制造關鍵零部件 [1]。目前中國高端機床市場依然被 國外機床廠商占領 [2]，汽車工業(yè)、船舶制造、航空航天、大飛機、復雜曲面制造 及超精密加工等高技術(shù)行業(yè)大都依賴進口機床。 作為數(shù)控機床中的重要組成部分，進給系統(tǒng)是保證工件和刀尖具有正確相對 位置的功能部件 [3]，因此進給系統(tǒng)的定位精度與速度影響著機床的性能和品質(zhì) [4]。 如圖 11 所示為滾珠絲杠進給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。 工作臺 電機 聯(lián)軸器 軸承 絲杠 軸承 螺母 圖 11 滾珠絲杠進給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 進給系統(tǒng)的伺服剛度、支承軸承剛度、絲杠螺母副剛度、絲杠剛度等需要有 合適的匹配關系。如果某一部分的剛度過大，可能會增加系 統(tǒng)的質(zhì)量，卻不會提 高進給系統(tǒng)的整體性能；相反，如果某一部分的性能過低，會導致系統(tǒng)整體的性 能達不到使用要求 [5]。伺服系統(tǒng)參數(shù)對進給系統(tǒng)動力學響應，定位精度的影響不 亞于機械結(jié)構(gòu)對它們的影響，因此建立進給系統(tǒng)的動力學模型需要將伺服系統(tǒng)考 慮在內(nèi)，不能將機械傳動系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)分開，而是要將這兩部分綜合考慮，形 成完整的機電系統(tǒng)以適應機床的發(fā)展 [6,7]。 當前國內(nèi)的機床廠商設計進給系統(tǒng)時，往往采用類比法，依據(jù)經(jīng)驗和照搬國 際先進機床結(jié)構(gòu)進行設計，由于缺乏理論支撐，各部分剛度匹配不佳，設計出的 1 第一章 緒論 進給系統(tǒng)很難達到國外先進機床的水平，因此對進給系統(tǒng)剛度匹配的研究有很高 的工程應用價值；同時傳統(tǒng)的進給系統(tǒng)動力學模型忽略了很多重要因素，因此有 必要建立新的機電耦合動力學模型并分析。 本課題依托國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃 (863 計劃 )， “箱體類工作母機共性前沿 技術(shù)平臺 ”項目，課題編號： 2022AA040701，以滾珠絲杠進給系統(tǒng)為研究對象， 主要從滾珠絲杠進給系統(tǒng)靜剛度匹配方法、有限元建模與仿真分析、機電耦合動 力學模型建立與分析、靜剛度實驗方法等方面進行研究，旨在指導進 給系統(tǒng)的選 型與設計。 進給系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 當前機床進給系統(tǒng)主要還是使用滾珠絲杠，它將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為驅(qū)動 部件的直線運動。滾珠絲杠自 1874 年在美國誕生以來，經(jīng)歷了 100 多年的發(fā)展。 最初滾珠絲杠被應用為省力傳動裝置，實現(xiàn)運動的轉(zhuǎn)換，直到 1961 年， NSK 公 司首次在機床中采用了精密滾珠絲杠，各種自動化機械的發(fā)展，推動了滾珠絲杠 的生產(chǎn)制造與研究 [8]。滾珠絲杠的優(yōu)點是傳動效率高，傳動精度及定位精度高， 剛度高，允許高速傳動，磨損小，壽命長，經(jīng)過預緊后， 可以消除反向間隙。高 速化是機床未來發(fā)展的趨勢，這不僅可以提高加工效率而且可以提高加工質(zhì)量。 為了配合機床主軸轉(zhuǎn)速的提高，滾珠絲杠進給系統(tǒng)也朝著高速化的方向發(fā)展?，F(xiàn) 在機床滾珠絲杠進給系統(tǒng)的最高線速度能夠達到 120m/min，而 NSK 公司在試驗 條件下已經(jīng)能夠使?jié)L珠絲杠副的線速度達到 200 m/min[9]。 滾珠絲杠進給系統(tǒng)由于有中間的機械傳動環(huán)節(jié)，會導致定位精度一定程度上 降低，同時滾珠絲杠進給系統(tǒng)的高速化發(fā)展也逐漸遇到瓶頸。直線電機驅(qū)動省略 了中間的傳動環(huán)節(jié)，運動速度高，有望解 決滾珠絲杠驅(qū)動產(chǎn)生的問題，因此直線 電機驅(qū)動進給系統(tǒng)也有望越來越多的應用在數(shù)控機床中。直線電機的結(jié)構(gòu)如圖 12 所示。德國的 EXCELLO 公司生產(chǎn)了世界上第一臺使用直線電機的機床， 這臺機床使用的是 Indramat 公司的感應式直線電機。此后直線電機驅(qū)動取得了長 足的發(fā)展，但是它還面臨著結(jié)構(gòu)輕量化，隔磁，減少發(fā)熱量等技術(shù)難題 [10]，同時 成本較高也令中小企業(yè)難以接受。 日本機床制造商森精機公司提出了 “重心驅(qū)動 (DCG)”這一概念，并將其用 于生產(chǎn)實踐。重心驅(qū)動是指將兩套相同的滾 珠絲杠和伺服電機對稱地安裝在運動 組件兩側(cè)，如圖 13 所示，這種結(jié)構(gòu)使驅(qū)動力的合力盡量接近運動部件的重心， 由于驅(qū)動力作用于重心附近，就使得產(chǎn)生的附件扭矩減小，這種驅(qū)動方式可以顯 著地減少高速運動時機床的振動和變形，提高固有頻率，并能實現(xiàn)很高的位置環(huán) 2 第一章 緒論 增益。由于重心驅(qū)動的雙軸結(jié)構(gòu)，相當于增加了進給系統(tǒng)的傳動剛度，從而能夠 有效地抑制由于進給驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模態(tài)引起的共振。雖然從直觀上認識，重心 驅(qū)動會比單驅(qū)動的進給系統(tǒng)性能要優(yōu)越，但是對于深層次的理論 研究還沒有展