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正文內(nèi)容

雙驅(qū)動(dòng)滾動(dòng)支承直線進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)與靜動(dòng)校核分析(參考版)

2025-06-19 23:18本頁(yè)面
  

【正文】 感謝106教研室的師兄師姐們特別是楊國(guó)維師兄,他們給予我很大的幫助,在ANSYS操作中遇到問(wèn)題時(shí),他們熱情的伸出了援助之手,幫我解決了作為新手對(duì)一個(gè)軟件的困惑和無(wú)法入門(mén)的迷茫。 致謝值此論文定稿之際,深深感謝汪振華老師半年來(lái)在學(xué)習(xí)中給予我的諄諄教誨和悉心指導(dǎo)。展望 通過(guò)本文的研究,深刻體會(huì)到設(shè)計(jì)計(jì)算建立加工中心的雙驅(qū)動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)的模型,并對(duì)其進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)力學(xué)分析是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。(3) 基于有限元的分析方法,利用ANSYS軟件對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)的重要部件如工作臺(tái)、底座和滾珠絲杠進(jìn)行了模態(tài)分析,并對(duì)滾珠絲杠做了靜力分析,并進(jìn)行了壓桿穩(wěn)定的校核。(2) 利用三維造型軟件Pro/e,對(duì)雙驅(qū)動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)的組成部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)及裝配。在借鑒單絲杠驅(qū)動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算分析基礎(chǔ)上,對(duì)目前理論還不是很成熟的雙絲杠驅(qū)動(dòng)直線進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算和一些基本部件的靜動(dòng)態(tài)特性分析。結(jié) 論本論文的主要工作 加工中心已經(jīng)成為了近幾年來(lái)發(fā)展的熱點(diǎn)內(nèi)容,加工中心目前正朝著高速、高精度、高穩(wěn)定性的方向發(fā)展,對(duì)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的靜動(dòng)態(tài)性能的要求也是越來(lái)越高。減少壁厚會(huì)降低固有頻率,并且會(huì)降低零部件剛度;但減少壁厚可以節(jié)省材料,節(jié)省成本,而且可以使零部件輕便。在這里以底座為例,重點(diǎn)對(duì)比支撐架壁厚對(duì)于部件模態(tài)頻率的影響的大小,為以后對(duì)模態(tài)頻率的改進(jìn)工作提供依據(jù)。約束設(shè)置如圖所示(約束部分用紫色標(biāo)出):圖315 底座約束設(shè)置(5)模態(tài)分析求解設(shè)定analysis type為modal分析,進(jìn)行求解運(yùn)算。采用智能尺寸進(jìn)行網(wǎng)格分割,選取的劃分單元的精度為4劃分網(wǎng)格后的底座模型如圖314所示:圖314 底座網(wǎng)格劃分模型(4)定義邊界條件底座是安置在加工中心箱體上的,在模態(tài)分析中,認(rèn)為底座底面是和箱體連接固定不動(dòng)的。簡(jiǎn)化后的底座模型如圖313所示:圖313 底座簡(jiǎn)化模型(2)定義材料屬性同樣,在底座的模態(tài)分析中也必須定義彈性模量和密度。(a)一階振型 (b)二階振型(c)三階振型 (d)四階振型(e)五階振型 (f)六階振型圖312 工作臺(tái)各階振型圖各階模態(tài)振動(dòng)頻率如下表所示:表34 滾珠絲杠各階模態(tài)振動(dòng)頻率階數(shù)123456頻率(Hz)11891262 底座的模態(tài)分析(1)模型簡(jiǎn)化在用ANSYS對(duì)底座進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)分析的過(guò)程中,大量的螺紋孔以及各種倒角會(huì)造成分析模型過(guò)于龐大并且出現(xiàn)畸形單元。故設(shè)置4個(gè)接觸為全約束,限制3個(gè)自由度。工作臺(tái)的材料屬性如下:表33 工作臺(tái)材料屬性彈性模量/GPa泊松比密度/Kgm31357300(3)單元的選擇和網(wǎng)格的劃分在工作臺(tái)的建模過(guò)程中依然采用Solid 92實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。所以,同樣對(duì)工作臺(tái)進(jìn)行模型簡(jiǎn)化,將影響較小的螺紋孔,T型槽,倒角等結(jié)構(gòu)去除,主要考慮工作臺(tái)下部的支承部分對(duì)模態(tài)振型的影響。則絲杠的橫截面的慣性矩為:I=πD464=π=107 m4 ()則計(jì)算出絲杠的臨界壓力為:Fcr=π2EII2=π2200109=105 N ()得到安全系數(shù)為:n=FcrF=1059441= ()遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于安全系數(shù)5,滿足要求。滾珠絲杠桿長(zhǎng)1800mm,彈性模量為200GPa,最大壓力為9441N。失穩(wěn)所造成的直桿喪失軸向支撐能力,很可能會(huì)造成零部件或者整個(gè)系統(tǒng)的破壞,造成生產(chǎn)安全等問(wèn)題。壓桿喪失直線形狀而過(guò)渡為曲線平衡,稱(chēng)之為失穩(wěn)[21]。m,略小于理論計(jì)算時(shí)的剛度。得到的應(yīng)力云圖如圖37所示:圖37 滾珠絲杠應(yīng)力云圖得到的應(yīng)變?cè)茍D如圖38所示:圖38 滾珠絲杠應(yīng)變?cè)茍D從應(yīng)變?cè)茍D中看到,106 mm。故載荷僅為摩擦力。再進(jìn)行計(jì)算分析便可以得到絲杠在軸向力作用下整體的屈曲變形情況和應(yīng)力分布情況。整理后的各階模態(tài)振型圖如下圖35所示:(a)一階振型 (b)二階振型(c)三階振型 (d)四階振型(e)五階振型(1) (f)五階振型(2)(g)六階振型圖35 滾珠絲杠各階振型圖各階模態(tài)振動(dòng)頻率如下表所示:表32 滾珠絲杠各階模態(tài)振動(dòng)頻率階數(shù)123456頻率(Hz)1168(6)滾珠絲杠的靜力分析靜力分析時(shí),由于受力部分為絲杠中段,如果繼續(xù)使用直桿模型則不便于施加外界載荷,故增加絲杠螺母模型,方便在絲杠中段施加外界載荷,并且也不會(huì)影響計(jì)算分析的可靠性。設(shè)定analysis type為modal分析,進(jìn)行求解運(yùn)算。物體理論上有無(wú)窮階模態(tài),振動(dòng)是這無(wú)窮階模態(tài)的疊加。在模態(tài)分析中不需要對(duì)模型進(jìn)行施加載荷約束。采用智能尺寸進(jìn)行網(wǎng)格分割,選取的劃分單元的精度為4。本單元由10個(gè)節(jié)點(diǎn)定義,每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)自由度:節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系的x,y ,z方向的平動(dòng)。 滾珠絲杠簡(jiǎn)化后的模型如圖31所示:圖31 滾珠絲杠簡(jiǎn)化模型(2)定義材料屬性根據(jù)ANSYS模態(tài)分析需要,定義彈性模量和材料的密度。為此,需要對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,由于絲杠螺紋對(duì)絲杠模態(tài)振型及靜力分析影響不大,因此將絲杠簡(jiǎn)化為無(wú)螺紋的光桿。本文中,主要是進(jìn)行了對(duì)主要零部件的前六階模態(tài)振型的分析以及對(duì)絲杠在軸向力作用下的靜力學(xué)分析及壓桿穩(wěn)定的分析。因?yàn)榧庸ぶ行牡募ふ窳Φ念l率一般都不會(huì)太高,所以只有前幾階模態(tài)的固有頻率才會(huì)與振源的激振頻率重合或著接近;高階模態(tài)的固有頻率已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于可能出現(xiàn)的振源的激振頻率,一般不會(huì)發(fā)生共振,對(duì)加工質(zhì)量精度的影響也不大[20]。ANSYS基本功能包括:結(jié)構(gòu)分析(靜力分析、模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、特征屈曲分析、專(zhuān)項(xiàng)分析等)、熱分析、電磁分析、流體分析、耦合場(chǎng)分析等[22]。 ANSYS簡(jiǎn)介ANSYS軟件是美國(guó)ANSYS公司研制的大型通用有限元分析(FEA)軟件,他是世界范圍內(nèi)增長(zhǎng)最快的CAE軟件,能夠進(jìn)行包括結(jié)構(gòu)、熱、聲、流體及電磁場(chǎng)等學(xué)科的研究,在航空航天、機(jī)械制造、土木工程、船舶工程等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[22]。所以,用有限元分析的方法進(jìn)行計(jì)算所獲得的結(jié)果只是近似解。然后根據(jù)問(wèn)題的具體情況,設(shè)置劃分出的單元的形式(如梁?jiǎn)卧?、桿單元等)和數(shù)目(一般單元數(shù)量越多則最后得到計(jì)算結(jié)果精度也會(huì)越高,但會(huì)增大工作量),最后用被離散化的物體來(lái)代替原始的研究對(duì)象體進(jìn)行求解,用得到的解來(lái)近似表示真實(shí)的變形情況。最終雙驅(qū)動(dòng)直線進(jìn)給系統(tǒng)的總體裝配圖如下所示:圖211 整體裝配效果圖3 雙驅(qū)動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)的有限元建模與靜動(dòng)態(tài)分析 有限元及ANSYS簡(jiǎn)介 有限元方法簡(jiǎn)介有限元法是是近似求解一般連續(xù)域問(wèn)題的一種數(shù)值方法,最初是用于對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析,后來(lái)很快就廣泛應(yīng)用于如電磁場(chǎng)、流體力學(xué)等各種連續(xù)域問(wèn)題;有限元法適應(yīng)于任意復(fù)雜的幾何區(qū)域,可以處理不同的邊界條件,由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,在20世紀(jì)中葉以來(lái),有限元法以其獨(dú)有的計(jì)算優(yōu)勢(shì)得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用[22]。 本章小結(jié)根據(jù)工作條件、壽命、精度等要求,對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行選型工作,并對(duì)其他部件進(jìn)行形狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),最后綜合校核整體精度。m。本例中摩擦力Ff =441 N,故彈性變形δ=FfK== 181。m(7) 彈性變形測(cè)量定位精度時(shí),機(jī)床不切削。綜合剛度記為K1K=1KR*+1Ktmin+1Kba = 181。m。本例中的公稱(chēng)直徑為50mm,故di= = =Ktmin=4π2106= N/181。故距離l=900+150=1050mm=。工作臺(tái)的行程為900mm。則:KR=82012(1+16)1= N?m/rad ()折合到執(zhí)行部件的直線剛度為KR*=KR(2πPh)2=()2= 106 N/m= N/181。 s/rad ,轉(zhuǎn)矩系數(shù)Kt = N?m/A,RM =。伺服電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)KM指的是:伺服電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)與角速度之比。輸入電壓,大部分被反電動(dòng)勢(shì)所平衡,
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