【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 開(kāi)。由于是兩組絲杠驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件，也會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)不同步的問(wèn)題，這樣才能使得 進(jìn)給系統(tǒng)的性能更加優(yōu)越。 圖 12 直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng) 圖 13 重心驅(qū)動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng) 當(dāng)前數(shù)控機(jī)床中主要還是使用滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)，這要?dú)w功于滾珠絲杠較低 的成本和出色的性能，同時(shí)很多機(jī)床中已經(jīng)爭(zhēng)先采用重心驅(qū)動(dòng)技術(shù)來(lái)提高驅(qū)動(dòng)速 度及穩(wěn)定性。 對(duì)于滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)的研究國(guó)內(nèi)外學(xué)者與相關(guān)公司做了大量研究工作，主 要集中在以下幾個(gè)方面： (1) 滾珠絲杠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與新型滾珠絲杠的 開(kāi)發(fā)； (2) 滾 珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)的靜剛度研究； (3) 滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性研究； (4) 進(jìn) 給系統(tǒng)控制方法的研究； (5) 進(jìn)給系統(tǒng)熱特性研究。本節(jié)主要針對(duì) (2)~(4)幾個(gè)方 面進(jìn)行國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的闡述。 進(jìn)給系統(tǒng)靜剛度建模 進(jìn)給系統(tǒng)的靜剛度反映的是其在靜載荷作用下抵抗變形的能力，進(jìn)給系統(tǒng)的 軸向靜剛度起著尤為重要的作用，它很大程度上影響著定位精度，是使輸出信號(hào) 對(duì)指令信號(hào)保持一致與良好動(dòng)態(tài)跟蹤特性的重要保證 [11]。日本 NSK 公司使用力 傳感器和電子測(cè)力儀研制成功了 滾珠絲杠副靜剛度測(cè)量試驗(yàn)機(jī)。吉林大學(xué)的吳長(zhǎng) 宏通過(guò)建立軸向接觸剛度模型，分析了幾何參數(shù)對(duì)剛度的影響規(guī)律 [12]。吳子英等 考慮某重型車床進(jìn)給系統(tǒng)的各個(gè)組成單元?jiǎng)偠?，建立了單自由度力學(xué)模型，通過(guò) 分析計(jì)算找到了傳動(dòng)鏈的剛度薄弱環(huán)節(jié) [13]。清華大學(xué)的劉衍博士建立了一種不同 支承下的滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)靜剛度的統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型 [14]。東南大學(xué)的蔣書運(yùn)通過(guò)赫 茲接觸理論建立了絲杠螺母副、軸承及導(dǎo)軌滑塊結(jié)合面的剛度模型，并將結(jié)合面 3 第一章 緒論 剛度加入到有限元仿真中，證明結(jié)合面剛度 對(duì)于機(jī)床整機(jī)的特性影響較大 [15]。南 京工業(yè)大學(xué)的汪世益和安徽工業(yè)大學(xué)的黃筱調(diào)等對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)軸承預(yù)緊及絲杠預(yù) 拉伸裝配的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了研究 [16]，對(duì)于進(jìn)給系統(tǒng)的裝配有著重要的指導(dǎo)意義。 GuoHua Feng n, YiLuPan[17]研究了絲杠螺母副不同預(yù)載荷下的振動(dòng)規(guī)律以及譜 分析規(guī)律 ,對(duì)預(yù)載荷大小的施加提出了建議。 Chueng .[18]研究了雙螺母預(yù)緊對(duì) 于滾珠絲杠運(yùn)動(dòng)精度的影響。華中科技大學(xué)的閆蓉針對(duì)刀具姿態(tài)會(huì)影響整個(gè)機(jī)床 加工空間內(nèi)的綜合剛度特性，以多體小變形理論為依據(jù)， 建立了 “機(jī)床 —刀具 — 工件 ”整體加工系統(tǒng)的閉環(huán)剛度場(chǎng)模型，其中利用 Jacobin 矩陣法建立了機(jī)床運(yùn) 動(dòng)軸及其傳動(dòng)部位的剛度矩陣，利用點(diǎn)傳遞矩陣法建立起刀具的剛度模型，并用 有限元法 (FEM)建立了工件的剛度矩陣，從中可以提取剛度性能指標(biāo)。該指標(biāo)不 僅可以評(píng)價(jià)機(jī)床工作空間內(nèi)的剛度分布規(guī)律，而且可以進(jìn)行刀具姿態(tài)優(yōu)化 [19]。 總體來(lái)看，對(duì)于進(jìn)給系統(tǒng)靜剛度的研究不是很多，多數(shù)國(guó)內(nèi)外的學(xué)者更多的 是進(jìn)行動(dòng)力學(xué)方面的建模研究和伺服進(jìn)給系統(tǒng)的控制策略的研究。 進(jìn)給系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模 隨著近 些年對(duì)于高速切削的深入研究，主軸轉(zhuǎn)速和材料去除率在二十年提高 了一個(gè)數(shù)量級(jí) [20]，通用機(jī)床的高速主軸轉(zhuǎn)速能夠達(dá)到 30000 至 40000 轉(zhuǎn)。為了充 分利用如此高速的切削速度，相應(yīng)地，進(jìn)給系統(tǒng)的速度也要提高。在高速運(yùn)動(dòng)中， 進(jìn)給系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)的特性將會(huì)很大程度上影響著機(jī)床的穩(wěn)定性與定位精度，進(jìn)而 影響加工質(zhì)量。滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)建模是比較復(fù)雜的，這其中涉及到多 種因素，包括剛體運(yùn)動(dòng)，滾動(dòng)軸承和導(dǎo)軌的摩擦，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，軸向振動(dòng)，彎曲振 動(dòng)等，高階振動(dòng)等 [21]。 對(duì)于進(jìn)給系統(tǒng)的振動(dòng)，剛體 運(yùn)動(dòng)模型是最簡(jiǎn)單的形式，只需要考慮到慣量以 及粘性摩擦力和阻尼摩擦力等 [22]。更為精確的建模方法應(yīng)將絲杠處理為彈性體， 考慮扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、軸向振動(dòng)、和彎曲振動(dòng)。 Varanasi、 Whally[23]和 Nayfeh[24]等人運(yùn) 用梁理論建立了滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)的軸向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模型，然而這種模型沒(méi) 有考慮到滾珠絲杠的橫向振動(dòng)，橫向振動(dòng)對(duì)于機(jī)床的性能也是有很大影響的。 Zaeh[25]考慮了滾珠絲杠的橫向振動(dòng)，用有限元法建立了模型，但是其建立模型中 的滾珠絲杠副接觸剛度的剛度矩陣不能用于耦合滾珠絲 杠進(jìn)給系統(tǒng)的軸向振動(dòng)， 扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和橫向振動(dòng)。 Chinedum 使用鐵木辛柯梁?jiǎn)卧?，將滾珠， 連接螺釘?shù)瓤紤]成彈簧并賦予一定的剛度，提出一種新的絲杠螺母副接觸剛度矩 陣模型，將該矩陣加入到進(jìn)給系統(tǒng)中可以得到軸向振動(dòng)，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和橫向振動(dòng)的 動(dòng)力學(xué)模型 [26]。王培功用 Newton 力學(xué)方法建立了機(jī)床滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)的軸向 振動(dòng)與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模型，根據(jù)分析結(jié)構(gòu)對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化 [27]。 [28]建立 4 第一章 緒論 了滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)的解析模 型，通過(guò)利茲法求解，得到固有頻率和陣型的近似 解，其前三階固有頻率比較準(zhǔn)確。吉林大學(xué)的張會(huì)端 [29]考慮了工作臺(tái)的移動(dòng)質(zhì)量、 絲杠預(yù)拉伸力、結(jié)合面剛度、絲杠的剪切變形和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等因素，建立了滾珠絲 杠進(jìn)給系統(tǒng)軸向振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和彎曲振動(dòng)的振動(dòng)頻率方程和陣型函數(shù)。 Jerzy Z 和 Sobolewski[30]研究了沖擊力、轉(zhuǎn)速與振動(dòng)頻率的關(guān)系。西安交通大學(xué)的劉海 濤、王磊和趙萬(wàn)華 [31]使用有限元法對(duì)高速機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行建模，得到各環(huán)節(jié) 剛度及結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)對(duì)固有頻率的影響，并優(yōu)化了工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)。 對(duì)于進(jìn)給系統(tǒng)時(shí)域內(nèi)的響應(yīng)問(wèn)題，很多學(xué)者進(jìn)行了較為深入的研究。由于進(jìn) 給系統(tǒng)包括機(jī)械系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)組成，只考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足反映進(jìn)給系 統(tǒng)性能，因此需要建立機(jī)電耦合系統(tǒng)。機(jī)電耦合系統(tǒng)需要考慮的因素非常多，如 進(jìn)給系統(tǒng)的剛度，伺服系統(tǒng)的參數(shù)，結(jié)合面的阻尼，間隙等 [32]。范晉偉 [33]等運(yùn) 用 Langrange 方程，建立了機(jī)電耦合系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，分析了機(jī)械系統(tǒng)和伺服 系統(tǒng)相互耦合的動(dòng)態(tài)特性，為優(yōu)化進(jìn)給系統(tǒng)伺服參數(shù)提供了依據(jù)。吳南星 [34]在伺 服進(jìn)給系統(tǒng)模型中加入了非線性間隙，分析了其對(duì)系統(tǒng)響 應(yīng)的影響。南京大學(xué)的 丁文政等對(duì)絲杠采用分布參數(shù)法建模，加入到機(jī)電耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型中，將絲 杠集中參數(shù)和單純集中參數(shù)模型階躍響應(yīng)分別與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，證明分布參數(shù)模 型更接近實(shí)驗(yàn)結(jié)果 [35]。西安理工大學(xué)的吳子英，劉宏昭，劉麗蘭等應(yīng)用 Karnopp 摩擦模型的建模思想，對(duì)導(dǎo)軌滑塊建立了改進(jìn) stribeck 摩擦模型，并將其加入到 某重型機(jī)床的閉環(huán)控制的進(jìn)給系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型中，研究了其低速運(yùn)動(dòng)下特性及臨 界爬行速度，并分析了傳動(dòng)剛度對(duì)于爬行速度的影響 [36]。國(guó)防科技大學(xué)的解旭輝 和李圣怡針對(duì)超精密機(jī)床 伺服進(jìn)給系統(tǒng)，考慮非線性間隙和摩擦因素，運(yùn)用神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，建立了非線性動(dòng)態(tài)模型 [37]。姚麗建立了考慮間隙和摩擦非線性因素在 內(nèi)的數(shù)控車床進(jìn)給系統(tǒng)綜合數(shù)學(xué)模型，著重研究了負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和伺服電機(jī)轉(zhuǎn)矩 系數(shù)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性影響規(guī)律 [38]。 進(jìn)給系統(tǒng)控制補(bǔ)償方法 實(shí)際工程中，進(jìn)給系統(tǒng)通常采用 PID 控制。隨著對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)定位精度要求的 提高，對(duì)于新型控制方法的研究被越來(lái)越多的學(xué)者重視。 進(jìn)給系統(tǒng)低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于摩擦非線性的影響，容易產(chǎn)生爬行，因此很多學(xué) 者對(duì)摩擦補(bǔ)償技術(shù)投入了很大的 精力。對(duì)于摩擦補(bǔ)償技術(shù)主要有兩種，一種是獨(dú) 立于模型的補(bǔ)償，另一種是基于模型的補(bǔ)償技術(shù)，基于模型補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)又包括兩 種：固定補(bǔ)償和自適應(yīng)補(bǔ)償。固定補(bǔ)償?shù)哪Σ羺?shù)是離線確定的，自適應(yīng)補(bǔ)償?shù)? 摩擦參數(shù)是在線識(shí)別的。 Xuecheng 等從預(yù)滑動(dòng)摩擦和滑動(dòng)摩擦兩個(gè)摩擦階段基 于跟蹤誤差分別進(jìn)行了補(bǔ)償 [39]。 Hubbel 等人考慮了摩擦的彈性微動(dòng)態(tài)和滑動(dòng)宏 5 第一章 緒論 動(dòng)態(tài)，采用了雙摩擦模型，進(jìn)行了自適應(yīng)補(bǔ)償 [40]。 其他方面，上海交通大學(xué)的蔣銳權(quán)，吳育祖等，提出了適用于機(jī)床 伺服系統(tǒng) 的神經(jīng)元控制器，它的優(yōu)點(diǎn)是不需要進(jìn)行建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，運(yùn)算過(guò)程也被簡(jiǎn) 化，缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)過(guò)程依賴于參數(shù)識(shí)別。模糊控制理論是將專家的知識(shí)策略轉(zhuǎn)換為 自動(dòng)控制策略，它的原理是模糊隱含概念和復(fù)合推理規(guī)則，優(yōu)點(diǎn)是不需要精確預(yù) 知 系 統(tǒng) 的 數(shù) 學(xué) 模 型 和 參 數(shù) ， 并 且 對(duì) 于 非 線 性 因 素 有 較 好 的 控 制 效 果 [41] 。 [42]基于自適應(yīng)滑?？刂品椒?(Adptive Ssliding Mode Control)設(shè)計(jì)了 一種控制器，顯著提高了定位精度 。浙江大學(xué)王瑞明，蔣靜坪 [43]設(shè)計(jì)了一種在線 自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 (Online Neural Network Aadaptive Fuzzy Controller)的交 流伺服系統(tǒng)，將系統(tǒng)受控對(duì)象跟蹤誤差和輸入作為模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的輸入。 重心驅(qū)動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)雖然一定程度上可以增加系統(tǒng)的剛度，減小振動(dòng)，同時(shí)也 會(huì)帶來(lái)雙軸驅(qū)動(dòng)不同步的問(wèn)題，如果雙軸不同步情況嚴(yán)重，效果會(huì)適得其反，因 此對(duì)雙軸同步驅(qū)動(dòng)的研究非常有必要。 Fanuc 公司提出了 “差電流負(fù)反饋法 ”， 其基本原理是將兩個(gè)伺服電機(jī)中的電流進(jìn)行比 較差分，伺服電機(jī)的電流決定著轉(zhuǎn) 矩的大小，然后將差分結(jié)果乘以系數(shù)作為滯后補(bǔ)償量疊加到滯后軸中，南京理工 大學(xué)的陳慶偉提出了“差速負(fù)反饋 ”的同步驅(qū)動(dòng)控制方法 [44]，理論和仿真結(jié)果都 取得了不錯(cuò)的控制效果，但是缺乏高加速度情況下的驗(yàn)證。 論文的主要工作及內(nèi)容 本文緊密結(jié)合滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)和存在問(wèn)題，主要開(kāi)展了滾珠絲 杠進(jìn)給系統(tǒng)靜剛度匹配方法、結(jié)合面參數(shù)對(duì)于固有頻率的影響、機(jī)電耦合動(dòng)力學(xué) 模型的建立與分析和進(jìn)給系統(tǒng)靜剛度實(shí)驗(yàn)方法的研究，全文內(nèi)容編排如下： 第一章 通過(guò)闡述我國(guó)機(jī) 床業(yè)發(fā)展中遇到的問(wèn)題與瓶頸，引出本課題研究的 目的和意義，綜述國(guó)內(nèi)外進(jìn)給系統(tǒng)在進(jìn)給系統(tǒng)在靜剛度特性，動(dòng)力學(xué)特性及伺服 控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，指出存在的問(wèn)題，提出本文的主要研究?jī)?nèi)容。 第二章 基于赫茲接觸理論和基本的力學(xué)原理分別建立支承軸承、絲杠螺母 副、絲杠的剛度模型，各部分剛度串聯(lián)即得到進(jìn)給系統(tǒng)的剛度模型。剛度模型中 包含幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)、預(yù)緊力參數(shù)和軸承支承個(gè)數(shù)等，分析與進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)的 參數(shù)對(duì)于靜剛度的影響，為提出進(jìn)給系統(tǒng)靜剛度匹配提供依據(jù)；加入導(dǎo)軌滑塊結(jié) 合面剛度，建立靜力切削下的工件變形模型，分析導(dǎo) 軌跨距和滑塊布置對(duì)于變形 的影響。 第三章 基于 CAE 軟件 SAMCEF，建立滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)的有限元模型， 分析結(jié)合面剛度、工作臺(tái)材料屬性和絲杠尺寸對(duì)于進(jìn)給系統(tǒng)固有頻率及模態(tài)特性 6 第一章 緒論 的影響，為進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)一步奠定基礎(chǔ)。 第四章 考慮到伺服系統(tǒng)對(duì)于進(jìn)給系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性影響很大，建立機(jī)電耦 合進(jìn)給系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，模型中考慮非線性摩擦和傳動(dòng)剛度隨位置變化等因素， 分析剛度、質(zhì)量、導(dǎo)程、阻尼及伺服系統(tǒng)增益對(duì)于進(jìn)給系統(tǒng)時(shí)域內(nèi)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影 響。 第五章 通過(guò) 使用測(cè)力環(huán)、千分表、加載裝置和相應(yīng)的輔助工具，針對(duì)實(shí)際 機(jī)床結(jié)構(gòu)，找到一種進(jìn)給系統(tǒng)靜剛度測(cè)試方法，對(duì)某臥式加工中心 Y 軸進(jìn)給系 統(tǒng)多個(gè)軸向位置的靜剛度進(jìn)行測(cè)試。 第六章 對(duì)全文的主要結(jié)論進(jìn)行總結(jié)，并提出后續(xù)工作的展望。 7 第二章 滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)傳動(dòng)靜剛度匹配 第二章 滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)傳動(dòng)靜剛度匹配 進(jìn)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(guān)系。如果某一部分剛度過(guò)大，可能會(huì)增加系統(tǒng)的質(zhì)量，卻不會(huì)提高 進(jìn)給系統(tǒng)的整體性能，反而會(huì)降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度；相反，如果某一部分的性能 過(guò)低，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)靜剛度不滿足使用要求。本章基于赫茲接觸理論和基本的力學(xué) 原理分別建立了支承軸承、絲杠螺母副、絲杠的剛度模型。由各環(huán)節(jié)剛度的串并 聯(lián)關(guān)系建立了進(jìn)給系統(tǒng)傳動(dòng)靜剛度模型。分析了幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)、預(yù)緊力和軸承支 承個(gè)數(shù)等對(duì)于靜剛度的影響，提出了進(jìn)給系統(tǒng)靜剛度匹配原則；加入導(dǎo)軌滑塊結(jié) 合面剛度，建立了靜力下切削點(diǎn)變形模型，得到了導(dǎo)軌跨距和滑塊布 置對(duì)于變形 的影響。 滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)傳動(dòng)靜剛度模型 機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)主要通過(guò)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)執(zhí)行件對(duì)機(jī)床的工作性能產(chǎn)生影響。許多精 密機(jī)床采用全閉環(huán)系統(tǒng)，其定位精度由反饋裝置的誤差（如光柵、感應(yīng)同步器等） 與伺服系統(tǒng)的誤差決定，但傳動(dòng)剛度會(huì)對(duì)多軸聯(lián)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)精度產(chǎn)生影響。