精密机床进给系统的振动分析(毕业设计SolidWorks源文件）
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精密机床进给系统的振动分析(毕业设计SolidWorks源文件）,精密,机床,进给,系统,振动,分析,毕业设计,SolidWorks,源文件
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成都理工大学2011届本科生毕业论文精密机床进给系统的振动分析姓名： 专业班级： 指导教师： 摘要对于生产精密零部件的机床，进给系统的优良会决定加工零件的性能。本课题对精密机床的进给系统的研究，可以为机床进给机构的设计与生产提供一个参考依据。本论文对精密机床进给系统的研究中选取JCS-018型立式加工中心的进给机构为例展开建模、仿真、分析而得出结果，该机床所选用的进给驱动机构为滚珠丝杠副，滚珠丝杠副从目前使用上来看是当今使用得较为广泛的机械传动进给机构。本文首先对机床的进给驱动系统及机床本体进行模型分析，在分析的基础上将机床结构部件进行简化，使得分析的模型简便可靠，然后运用三维建模软件SolidWorks建立起简化了的JCS-018型立式加工中心的整机，及主要研究的进给机构的三维实体模型，再通过SolidWorks软件与ADAMS软件之间的数据对接交换口，将该机床模型导入到ADAMS软件中，从而得到简化的立式加工中心的虚拟样机模型，作为本课题研究的精密机床进给系统的模型。根据虚拟样机的多刚体运动学与动力学理论，对JCS-018型立式加工机床的模型进行运动学和动力学的仿真分析。从虚拟样机中的仿真分析，从中找到影响机床进给过程振动的最大因素，探讨影响振动的因素，从而得出在机床进给系统的设计与生产上应该注意的问题。关键字：进给系统； 滚珠丝杠副； 虚拟样机； 仿真分析； 振动因素Vibration analysis of precision machine feed systemsABSTRACTFor the production of precision parts of the machine tool, feed system will determine the good performance of the parts. The research on the feed system of the precision machine can provide a reference for the design and production of the machine feed mechanism. In this paper, the research of precision machine tool feed system selected feeding mechanism of JCS-018 vertical machining center for example started modeling, simulation, analysis and get the result, the machine feed system for ball screw pair, ball screw deputy from the use of perspective is now the widely used mechanical transmission feed mechanism.In this paper , first analysis of the machine feed drive system and the machine body model, in the analysis it is in the basis of the structure of the machine parts are simplified, makes the analysis of the model is simple and reliable, and then use the 3D Modeling Software Solidworks build simplified the JCS-018 vertical machining center machine, and mainly studies the feed mechanism, through the data between SolidWorks and ADAMS software docking port for exchange, the machine model is imported into ADAMS software, resulting in the virtual prototype model of simplified vertical machining center, as the research of precision machine tool feeding system model.According to the multi-body kinematics and dynamics theory of virtual prototype, the kinematics and dynamics simulation of the model of JCS-018 vertical machine is carried out. From the virtual prototype simulation analysis, from which to find the biggest factor that impact the vibration of the process of machine feed and to explore the factors influencing the vibration, so we can draw a conclusion that the problems should be paid attention to in the design and production of machine feed system.Key Words: Feed system; Ball screw pair; Virtual prototype; Dynamics analysis; Vibration factors目录第1章 绪论51.1课题的研究背景51.2课题研究意义61.3国内外对机床进给系统的研究现状61.4课题的研究拟采用的方案7第2章 虚拟样机技术的理论基础与计算方法72.1ADAMS软件简介72.2 机械系统分析原理82.3本课题应用ADAMS的仿真的主要步骤92.4本章小结10第3章 基于SOLIDWORKS机床进给机构的简化与建模103.1模型的简化103.2三维几何造型软件的选取113.3简化了的实体模型建立11第4章 机床进给系统虚拟样机的建造与运动学仿真134.1系统虚拟样机的建造过程134.2系统运动仿真响应144.3本章小结16第5章 机床进给系统的动力学仿真及结果分析165.1系统样机的动力学参数设置175.2系统样机柔性丝杠轴的设置175.2.1刚柔混合模型原理175.2.2柔性体丝杠的生成175.3刚柔混合模型的仿真175.4 本章小结17第6章 结论17参考文献17第1章 绪论1.1课题的研究背景精密和超高精密加工技术现今成为了机械加工领域重要的技术发展方向，而实现高精密加工的必要条件就是要具备有高精度、性能好的数控加工设备。而机床的进给系统作为各种数控设备的核心组成部分，其在加工过程中的机床平稳性和相关的性能问题会直接关系到机床的加工精度、工件表面质量和生产效率1。当今的精密机床在进给系统上存在着一些不同，通常其所需要的工作状况，定位精度，工作量的大小等方式进行机床的进给系统的选择，尽管精密机床的种类很多，而从当前的形式来看，主流的进给驱动系统的结构形式大概可分为以下几种2：（1）直线电机进给驱动系统：直线电机形式的驱动进给是近年来被考虑着重应用于精密与高精密机床的进给形式，很多发达国家在机械领域对直线电机进给驱动的研究都加大了力度，在应用上也广为推荐。因为直线电机形式的驱动进给从理论上可以实现进给系统的零传动，结构上取消了从动力源到工作台的全部中间传动环节，使机床的传动链的长度近乎缩短为零，实现了传动几乎直接从电动机到工作台。（2）并联虚拟轴进给驱动系统：这种形式的进给驱动完全不同于传统的机床结构，并联虚拟轴机床的床身、主轴箱、工作台、立柱等机床的零部件布局情况跟其虚拟轴相匹配的结合，其驱动的方式是一种六杆式的进给运动形式。并联虚拟轴机床同传统数控机床相比起来，尽管这种形式的传动有着刚度比较大，响应速度较快，加工速度快的一些优点，但同样的，也有当前限制其发展的弊端，因为有效的小范围的工作加工空间，加工精度并不比传统机床高多少，数控编程和误差补偿还比较复杂，使其在目前的应用范围也不是很广3。（3）滚珠丝杠进给驱动系统：可以说数控机床的发展，促使了滚珠丝杠副的应用，滚珠丝杠能成为数控机床的较理想的进给机构是因为滚珠丝杠作为进给系统的传动方式具备着成本低，工作稳定性能可靠，并且具有相当高的传动比。尽管滚珠丝杠副对工件表面质量的变化不够敏感，但其良好的性能比起于相对小的弊端，显得在精密机床的使用上，应用滚珠丝杠是个性价比相对不错的选择，因此在精密机床的使用上滚珠丝杠进给传动就很普及4。针对研究的课题，为了得出一个与实际现状机床进给系统运用的比较普及的进给系统的振动分析，本课题选取JCS-018型立式加工中心的进给系统作为研究对象，滚珠丝杠副正是JCS-018型立式加工中心所用的进给系统，对JCS-018型立式加工中心进行建模仿真分析，就可以得出对滚珠丝杠进给系统在机床的性能研究结果。近年来，随着计算机技术的飞跃式的发展，计算机辅助技术也跟随着进步，在一些软件技术上不仅可以使用三维设计软件生成概念中的零件模型，还可以虚拟各种过程。如今可以看到用很多相当成熟的三维设计软件技术建立机床的各种零部件，并进行组装和修改，在计算机上建立起与模拟实际情况的数控机床实体模型，并对所建样机进行仿真，输出在实际物理样机要花很长的时间才能完成的测试数据。在虚拟样机对建立的模型可以进行动力学和运动学分析，可以输出想测试元素的运动学和动力学数据分析。若是进行产品的设计可以很快的分析对比出多种方案，通过优化分析得出最优方案的选择，这样就可以缩短了产品的开发周期和产品投入使用的时间5。1.2课题研究意义通过运用虚拟样机对机床的进给系统的仿真分析，会得到机床进给机构的一系列性能分析结果，从而可以清楚影响机床进给过程中振动的因素，而让滚珠丝杠进给系统设计者和生产者对此类进给系统应该在平时工作中注意的问题,这是本课题研究的最重要的意义所在。本课题的另外研究意义在于以虚拟样机技术为工具对进给系统进行仿真分析，可以结合机床各向进给运动的耦合关系对机床工作的影响，这是物理样机无法比拟的，不单只对一个运动关系进行振动分析，而是可以结合所有运动对机床的影响来进行分析。通过ADAMS虚拟样机进行试验，就很快的取得相应的试验结果数据，通过对结果数据分析对比，就会发现振动的因素，如此，就缩短了要在实际中对物理样机进行实验的而得出机床的振动相关的问题所用的时间。1.3国内外对机床进给系统的研究现状目前国内外针对机床进给系统的研究问题已经进行较长的一段时间，但针对机床的进给系统的振动问题还不够深入，在机床的进给系统主要还停留在对机床进给系统规范化模型的设计、建模、分析和优化等问题上。多领域物理系统的建模仿真技术一直都是各国研究的关注点，也是机械领域尚未很成熟的一个模块，现在的虚拟样机仿真技术更侧重应用于机械系统的性能分析与优化设计方面6。虚拟仿真技术在当前对机床进给系统的研究使用上来看，多是以应用Modelica的多领域物理系统建模仿真技术为理论基础，这个正是虚拟样机技术的理论核心，而进行建立系统的动力学模型，并进行对机床进给系统的多领域仿真。国内外在机床进给系统性能上的研究，一般都建立针对系统动力学为研究的模型上，再对系统进行虚拟样机试验便可快捷测试出所研究系统的性能，从当前的形式看来，多领域系统仿真技术和实现机床进给系统规范化仿真模型的建立，以及提高样机模型的仿真精度，将会成为往后的研究要点。国内外研究比较多的是工件加工过程仿真，模拟数控加工过程包括几何和物理两部分仿真内容，进行几何仿真一般是在忽略掉切削力参数和其他因素对加工的影响仿真得出的结果往往是要进行加工的数控程序和刀具位移轨迹参数，进行几何仿真也可以反映到对工件进行加工时的碰撞和干涉等情况。国内外对几何仿真加工的研究比较有成果，并探索出具有很大价值的一些仿真模块及仿真软件。但是对物理仿真的研究还不到位，物理仿真一般包含加工精度分析，切削过程出现的热效应，切削力作用下的系统弹性变形、夹紧变形，以及关于机床整体的动态、静态分析等问题。事实上，在传感器技术和测试技术没有得到较好发展的情况下，对物理仿真的研究都有局限性，国内外的该项研究都还不能满足先进加工制造技术的发展需求，仍存在着适用用高速加工过程模型柔性化问题难以解决，与几何仿真未能完美衔接等问题7。虚拟样机技术在当前已经获到了广泛的推荐应用，特别是一些发达国家在一些重要的经济产业上使用的力度很大，目前应用的很常见的制造领域有汽车制造业、机械电子工业以及一些通用的机械领域。在国内，虚拟样机技术主要应用于一些精尖技术领域，常见的工程领域还未普及。近年来，国内部分研究人士将虚拟样机技术结合于常见的机械设备设计研发当中，可以看到一些研究出来的成果，对这项技术的应用还有很多方面，现在研究于机床的设计与研发的事业单位都采用虚拟样机技术进行参数化的设计，以方便产品的优化设计，从而加快产品投入市场的时间8。1.4课题的研究拟采用的方案本课题首先建立起JCS-018型立式加工中心的进给系统零部件的三维实体模型，并建立机床的装配模型，建模工具为SolidWorks软件。由于SolidWorks具有参数化的实体设计功能，而ADAMS虚拟样机在对模型仿真分析中，简单的机构组合更容易进行分析得出较为精准的数据。因此，在进行三维建模的过程中，还应该考虑到在ADAMS软件中把实体模型导入之后的操作运行，所以要对JCS-018型立式加工中心的相关零部件进行简化操作，再对JCS-018型立式加工中心的进给系统在ADAMS中进行建模仿真，再到虚拟样机中进行仿真结果分析与输出。具体步骤为：（1）将机床模型进行简化及机床模型建立。根据JCS-018型立式加工中心的结构部件的设计图纸，在SolidWorks软件里建造该机床的三维实体简化模型，再搭建好机床的装配模型。（2）机床虚拟模型的建立。三维模型建立后，通过ADAMS的交换接口技术，将三维实体模型导入，形成所研究的虚拟样机模型。(3)虚拟样机模型进给系统的运动学、动力学仿真。通过设置样机的构件间的特性，工作状态的设定，添加好构件间的约束、激励、外力作用。以机床的进给加工过程为运动仿真过程，从而得到虚拟机床的实验结果，对机床的工作台的运动学、动力学进行输出得到分析数据。 (4)对运动仿真出来的结果进行分析找出影响机床进给系统振动的因素。通过虚拟样机中的仿真数据的计算分析，结合实际中的机床进给过程的振动情况进行比较，总结出影响机床的进给系统振动的原因。第2章 虚拟样机技术的理论基础与计算方法2.1ADAMS软件简介ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System）的全称是机械系统自动动力学分析软件，是一款集样机建模，仿真分析，求解，及可优化设计技术于一体的运动仿真分析软件。在当今世界上颇具盛名得到最广使用的机械系统动力学仿真分析软件，其虚拟样机运动仿真的精度和可靠性是很多其他仿真软件不可比拟的。应用ADAMS，可以很方便地建造起多样化的实体模型，再结合多刚体系统动力学分析原理进行运动仿真计算。ADAMS是美国Mechanical Dynamics,Inc(MDI)公司生产的软件，与一些计算机辅助建模虚拟仿真软件相比，可以突出ADAMS强大的运动学和动力学分析功能，把强大的建模、仿真和分析功能以人性化的人机交换方式为用户使用。ADAMS软件模块包括ADAMS/View,ADAMS/Solver等组件。ADAMS/View是ADAMS的一个核心模块，在这个模块可以建造各种模型，设定各种参数，模拟所要研究的系统模型的各种运动和运行状态，还可以对所建样机进行仿真分析，测试样机的性能问题，输出多种数据方案，以便确定设计产品的最优化参数9。ADAMS为用户提供强大的具有交互式的图形环境、零件库、约束库、力库、函数库等，对于创建好的机械系统动力学模型，ADAMS利用拉格朗日方程建立一系列的系统动力学微分方程和代数方程，可以有效、稳定的解决系统的刚性及柔性问题。所以可以对相关系统的样机进行静力学、运动学和动力学的仿真分析，并可以测试出系统的各种性能，输出位移、速度、加速度、有相关力的曲线和仿真动画等数据，可以有效解决用户对系统的分析问题， ADAMS的使用价值体现在当今的各种设备的设计、生产、使用上，产品的更人性化了10。2.2 机械系统分析原理在ADAMS中对机械系统中分析的理论核心是多体系统动力学，由任意有限个刚体组成的系统是多刚体系统动力学主要的研究对象，对系统研究较多的是多刚体动力学，ADAMS在这方面的研究是比较成熟的。多刚体系统动力学与多柔体动力学是多体系统动力学两个基础理论。系统中刚体之间通常是以理想完整约束、非完整约束、定常约束或非定常约束形式的约束连接起来。研究这些系统的动力学问题可能需要建立与系统相关的非线性运动方程、能量方程、运动学表达式以及其他一些相关量的表达式。多柔体系统动力学的研究对象是由大量刚体以及柔体组成的系统，全为柔性体的系统在现实中是不存在的11。目前在ADAMS中应用最成熟的是多刚体系统动力学。每个样机模型都对应着有不同的拉格朗日运动方程，ADAMS会根据样机系统的模型，自动生成样机系统的拉格朗日运动方程。对与系统中的每个刚体，都可以列出6个广义坐标带乘子的拉格朗日方程及相应的约束方程。 (2-1) 式中 系统动能表达式； 描述系统的广义坐标；系统的约束方程；在广义坐标方向的广义力； 的拉格朗日乘子矩阵。在ADAMS的数据处理中，数值的计算采用修正的Newton-Raphson迭代算法，使得该软件很快、准确地求解出运动学和静力学等一系列的非线性代数方程。对于动力学微分算法，可以根据系统的各种特性，而选用不同的积分方程。对于刚性系统，采用变系数的BDF（Backwards Differentiation Formulation）刚性积分法程序，在数据的处理上算是自动变阶、变步长的预估校正法（Predict-Evaluate-Correct-Evaluate,PECE）,在积分过程的每一步中都采用了修正的Newton-Raphson迭代算法；对于高频系统，通常采用坐标分配法和Adams-Bashforth-Adams-Moulton方法。与ADAMS的数据处理相对应，ADAMS/Solver中也包括了三个功能强大的数据求解器12：1） ODE求解器，求解微分方程，处理数据采用刚性积分法。2） 非线性求解器，求解代数方程，采用了Newton-Raphson迭代算法。3） 线性求解器，求解线性方程，采用稀疏矩阵技术以提高数据处理效率。ADAMS中多体系统动力学理论与计算机技术的高度结合，以笛卡儿坐标和欧拉角参数来描述物体的空间位置。采用刚性积分算法与微分算法解决了稀疏矩阵和划分体的求解问题，其关键模块主要有ADAMS/View与ADAMS/Solver，ADAMS/View模块提供设定模型参数的设计库，ADAMS/Solver模块提供多种功能成熟的求解器，可以对所建样机模型进行运动学、静力学、动力学仿真分析。2.3本课题应用ADAMS的仿真的主要步骤（1）建立机床模型建立机床的虚拟样机模型时，先要了解机床的零部件的各种特性，然后在ADAMS中定义样机模型零部件的质量、密度、转动惯量等物理特性和机床的工作状态。在ADAMS创建虚拟模型的方法通常有两种：一是使用ADAMS/View中提供的零件库元素定义模型；另一个是由专业的三维实体建模软件(如Pro/E，UG Solidworks)，可以建立一个完美的模型，再将建好的实体模型通过设定的接口技术导入到ADAMS中。可以清楚前者仅适用于形状比较简单的零部件，后者可以方便的建立形状复杂的零部件，选择第二种有较大的优势13。（2）样机进给状态的设定在建立的样机模型中，结合机床在实际中的运行状态，添加与之相关的运动约束、机床的工作台在加工所受到的作用力。再按照机床的设定添加驱动的激励。（3）模型仿真分析对样机模型进行运动仿真，检验所建的样机是否与实际运行规律相符，然后在ADAMS中计算测试的所要研究构件的位移、速度、加速度等运动学特性和相关的动力学特性。（4）模型细化及仿真结果输出结合所要研究的问题，在经过初步的模型仿真后，就可以对模型进行添加研究要素，添加样机约束与激励，将模型按研究细化，如添加物体间的摩擦系数，以柔性体替换掉刚性体，对物体施加作用力与作用力矩等再进行运动仿真，为使虚拟样机与实际研究的状况相接近，在对样机的仿真分析审核多次后将结果输出。2.4本章小结本章主要对ADAMS分析的理论基础多体动力学作了简要介绍，并引出多刚体动力学系统与柔性系统多体动力学的拉格朗日算法。最后简要说明本研究课题在ADAMS中进行操作的一般流程。第3章 基于SolidWorks机床进给机构的简化与建模3.1模型的简化在虚拟样机中的模型务必要尽量简化，减少模型的零件数，尽量使模型中没有相对运动关系的相邻构件尽量构为一体，当然要保证虚拟样机要按照所设置状态的完整性与相对运动性，也不能盲目的追求简化而省略掉与机床功能相违背的结构和构件，使得所建模型对研究分析没有了意义，应包含所要作研究的一切元素，建立的模型最好包含有研究所需的系统机构14。当样机中的构件的质量、质心位置、转动惯量与实际构件的这些对应特征相同时，根据ADAMS软件的求解算法原理可知，样机在ADAMS中仿真出来的结果是等价于实际的机床的情况的。结合简化的要求与分析，在本课题中，对所研究的进给系统及机床模型进行必要的简化：将一些没有相对运动的零部件直接以一个构件来进行处理，而且在样机的模型中省略与研究无关的零件，若是对所研究的进给系统有相互间的作用力，在模型中通过添加作用力来达到效果。一些零部件也忽略掉部分特殊的几何形状特性，而在ADAMS中进行仿真的构件的质量、密度、质心位置、转动惯量等需要的参数就从实际的机床零部件中计算提取。这样就使得仿真的速度加快，针对性更直接15。JCS-018型立式加工中心的机械零部件比较多，在建模的过程中，根据机床结构特点，分为立柱组件、滑座、传动系统组件、滑台、机座、主轴箱体等多个构件进行建模。一些零部件模型又可根据相对于地面的运动关系进行划分，划分的情况如图3-1所示。表3-1 JCS-018型立式加工中心的部件相对运动划分运动实体工作台，拖板组件，箱体组件，电主轴架，横梁组件，滚珠丝杠组件静止实体立柱组件，底座，滑座组件所研究的机床在ADAMS中没有相对运动的紧贴着的两两零部件若没有相对运动，则组建成一个构件。以零部件之间是否存在相对运动关系，将部件合理的组建成一个构件，虚拟样机可分为如表3-2所示的几个部分。表3-2虚拟样机中的构件组合情况部件名称包含的部件主轴箱体刀具库、主轴箱拖板拖板机座机座、底座立柱立柱、导轨主轴主轴、刀具丝杠螺母双丝杆螺母、滚珠机床的进给传动系统有多个零部件组成的复杂机构，划分成X、Y、Z轴三个方向的进给传动，由于机床的进给是三个轴的传动实现的。在进行运动学和动力学仿真时要注意到多个运动部件之间的相互耦合作用，通过虚拟样机技术为研究手段对机床的研究就可以避免只对个别零件的分析而忽略多个部件间的相互耦合作用，比起以物理样机为实验研究，这就是虚拟技术的优势所在，如此可以得到较为准确的关于系统的分析数据输出16。也突出了课题对机床进给系统的研究采用样机虚拟仿真技术的必要性和优越性。3.2三维几何造型软件的选取 对于本课题的样机模型，仿真分析的研究是从三维模型的建立起步，因此，建造一个好的模型就比较重要。如今，比较成熟的三维CAD模型建造软件有很多种，选取一个方便、操作容易的软件建模可以加快研究的进程。由于ADAMS与CAD的接口模块ADAMS/Exchange支持IGES、STEP、DXF/DWG、parasolid等图形交换格式，而在ADAMS支持的图形交换格式中，Parasolid格式文件具有独特的优点，并且Parasolid格式可以包含整个装配体，这是其他格式文件无法实现的。而ADAMS软件自身也采用Parasolid技术为核心进行实体建模。如此，当ADAMS与同样采用可以以Parasolid格式的SolidWorks文件进行数据交换时，通过Parasolid格式交换数据将非常方便。所以，可以选取三维建模软件SolidWorks作为建模软件，此软件自身也具备有人机交互性很好的特点17。3.3简化了的实体模型建立使用SolidWorks软件对JCS-018型立式加工中心进给系统及相关部件进行建模，首先要建立各个零件的模型，然后由一定的关系进行装配成为机床模型。建造这个整机模型，然后将该模型导入到多体动力学软件ADAMS中使得机床虚拟样机很快的建成，ADAMS对仿真的构件的质量、质心、转动惯量有严格的要求，而对构件的具体形状的细节不作过多要求，所建的模型只要具备与实际机床的物理特性相同的条件，在ADAMS中做出来的分析结果是没有差别的本课题的模型都是三维实体，这些实体的创建方法主要用到一般的几何形体特性的拉伸、扫描、旋转、材料切除等方法。下面为所建造的部分重要部件的零件实体图：图3-1滚珠丝杠模型图3-2滚珠丝杠在滑座的装配然后通过所有建立起来的实体零件组装成的装配体如下：图3-3整体装配体模型 第4章 机床进给系统虚拟样机的建造与运动学仿真本课题研究的机床进给传动系统是通过多个零部件组成的复杂传动机构,通过Solidworks软件将建好的装配三维模型导入到ADAMS软件的过程中，Solidworks把组装好的装配体另存为parasolid（以*.x_t为文件后缀名）的文件格式，保存在名字全为英文名的存储空间中，以备反复调用来作研究于检验。4.1系统虚拟样机的建造过程下面就是在ADAMS软件中虚拟样机建立的过程和步骤：（1）在ADAMS软件中通过Fileimport打开保存好的parasolid文件。（2）虚拟样机工作环境的设定，把样机所在的重力场环境设定好与样机工作状态的垂直方向一致，把样机部件渲染好。（3）部件的材料属性、质心、弹性模量、泊松比、密度等重新赋值添加。下表为机床进给零部件的材料属性及性能系数：表4-1机床部件材料属性参量弹性模量（E/MPa）密度()泊松比材料构件名称导轨1.1373500.23HT300工作台0.971500.3HT250横梁0.971500.3HT250滚珠丝杠2.178500.21GCr15滑枕0.971500.3HT250（4）对样机添加约束。根据实际中机床各个零部件的空间和运动关系，将样机中的相关部件的运动关系按照实际的情况约束好。约束是虚拟样机的重要内容，保证仿真运动的顺利实现，ADAMS提供常用的几种类型约束：基本的约束、常用铰约束、高副约束。针对本机床的研究用到的约束有：固定约束、转动副、移动副、圆柱副、关联副以及一些高副约束。（5）载荷的添加。ADAMS中有4种类型的力，第1种是常见作用力如常用到的力和力矩等。第2种是柔性连接力，如弹簧力，轴套力等。第3种是接触力，为相互接触的部件在运动时提供的相互作用力。第4种是特殊力。这里用到的载荷为：X、Y、Z三轴方向上的电机旋转力矩，工作台在主轴刀具的进给旋转时产生的压力和旋转力矩，导轨作用面间的摩擦力等。（6）检查连接和约束的正确与否。利用仿真软件自检工具检查是否存在有不恰当的连接和约束、没有约束的构件、样机的自由度等构件间的相互关系。（7）激励的添加。根据实际情况对虚拟样机中的X、Y、Z轴三个方向的丝杠轴添加旋转电机。在添加完好各种约束关系后先保存一下整体的虚拟样机，以便往后的调用分析与比较。4.2系统运动仿真响应在ADAMS中利用JCS-018型立式加工中心简化模型的虚拟样机进行仿真如图4-1所示。由于工件的装夹是在工作台上，通过Z轴主加工轴上的刀具对工件进行加工，因此，对机床工作台的运动学输出，也可以近似的反映到工件上。设置运动仿真的End Time为5.0，Step为50，对工作台进行运动学曲线输出，如图4-2：图4-1 ADAMS中的样机图4-2 工作台的运动学输出4.3本章小结本章以多刚体系统的模型对JCS-018型立式加工中心的进给系统虚拟样机进行运动学仿真从工作台的运动学输出可以看到，所建造的虚拟样机的运动学按照实际情况的空运行状态运行，输出的运动学曲线正确，建造的虚拟样机符合。第5章 机床进给系统的动力学仿真及结果分析结合所有在ADAMS中的操作，本课题的关键是动力学分析研究的样机，则所进行的步骤如图5-1：机械系统建模：1.几何建模 2.添加运动副和运动约束 3.施加载荷仿真分析：1.设置测量的仿真输出 2.进行仿真分析仿真结果分析：1.回放仿真结果 2.绘制仿真结果曲线验证结果分析：1.添加实验数据 与实际情况的类比出入？ 是 是 否精致样机系统参数：1.增加摩擦力，改进载荷 2.定义柔性物体和连接重复仿真分析 得出影响机床进给振动的原因 图5-1 仿真步骤总结5.1系统样机的动力学参数设置JCS-018型立式加工中心的设计参数如表5-1：表5-1参数行程（mm）加减速时间（s）移动负载质量（kg）快速移动速度（m/min）传动方式方向X轴7500.11507014滚珠丝杠Y轴4000.1902314滚珠丝杠Z轴180-6500.1124404滚珠丝杠在得知滚珠丝杠（X、Y、Z轴）的参数：X轴方向上丝杠的长度为980mm，Y轴丝杠长度为660mm，Z轴丝杠长度为750mm；直径和螺纹间距统一为40mm， 10mm；工作台允许负载：500kg；进一步计算机床进给系统的质量和惯量如表5-2：表5-2指标质量（kg）总惯量Jr（）加减速时间（s）转矩（N.m）方向X轴150700.01690.145.58Y轴90230.08240.1161.87Z轴124400.05320.1100.135.2系统样机柔性丝杠轴的设置在多刚体系统动力学问题中，所有构件都被假定为刚体，但随着机械运动速度和机构工作精度的提高，以及构件质量的减轻，构件弹性成为不可忽略的因素。针对本机床的进给系统的研究上，在机床的进给运动过程中，丝杠部件在经历大的刚性转动的同时，会出现有弹性变形现象，而且这两种运动高度耦合作用于一个构件上。对本系统动力学分析而言，因为在高速情况下，结构本身的弹性变形与宏观刚体运动同等重要，特别是对于加工中心这样的精密装备，机构的刚度对加工有重要影响，在大载荷加减速情况下，机构受力后会有较大的变形，就会存在着振动问题。因此，要进行更为精准的仿真，必须考虑一些机床零部件的弹性形变，把有弹性形变的构件作柔性化处理，以柔性体替换掉刚体，可以更真实的反映机构运动时的动态特性，使分析出来的构件的振动情况更准确。5.2.1刚柔混合模型原理1）柔性体仿真的数学模型和运动微分方程为了计算出构件弹性变形时对构件间运动的影响，这里将有弹性形变的构件进行柔性化处理，以混合坐标来描述柔性体的形位变化情况，必要对柔性构件建立一系列浮动坐标系。当此构件的形位发生变化时，这些浮动坐标也会跟着变化，这样构件的形位变化的描述就成了浮动坐标系大范围的运动与相对于构件坐标系变形的叠加的结果，而这些浮动的系列坐标又如同无数个小刚体的坐标，把这些大范围浮动系列刚体坐标与柔性体的结点坐标结合就建立柔性构件的动力学数学模型。具体建模过程中，要将构件的浮动坐标进行固化，把弹性变形以某种边界条件下的结构动力学有限元分析进行合理离散成为柔性体，再按照多刚体系统动力学的研究方法建立柔性体的离散系统数学模型14。2）柔性体的表示在ADAMS中，要对有弹性形变的构件进行合理化处理，就要把柔性体离散成若干单元，就有了若干个组合小刚体。当用有限多个结点的自由度表示离散物体的有限多个自由度，那么这些单元的结点弹性形变就可近似地用少量线性模态组合表示。当用常见的笛卡尔坐标X=（x，y，z）和反映刚体方位的欧拉角来表示这些物体在坐标系中的位置，则以上模态坐标用q=来表示，那么柔性体的广义坐标可表示成：则柔性体上任一结点处的位置向量就可表示成： （5-1）式中，A表示物体坐标系到惯性参考系的转换矩阵；是结点在物体坐标系中未变形时的位置；表示对应于结点的移动自由度的模态矩阵子块。柔性体的动能可表示为 （5-2）式中，是结点i的模态质量；是结点i的模态惯量。4）多柔体动力方程 柔性体的运动方程从下列拉格朗日方程导出： （5-3） 式中，为约束方程；为对应于约束方程的拉格朗日乘子；为拉格朗日方程定义的广义坐标；Q为投影到上的广义力；L为拉格朗日项定义为L=T-W，T和W分别表示动能和势能；表示能量损耗函数。将求得的T、W、代入拉格朗日方程，得到最终的运动微分方程为 （5-4）式中,、为柔性体的广义坐标及时间导数；、为柔性体的质量矩阵及时间导数；为质量矩阵对柔性体广义坐标的偏导数，是一个（）（）（）维张量，为模态函数。5.2.2柔性体丝杠的生成在ADAMS中，建立柔性体常用到的有3种方法：柔性梁连接法、自动柔性化法和引入模态中性文件法。在这里为了方便化操作，就直接在ADAMS软件中在生成，采用了柔性梁连接法。离散柔性梁连接的原理即等同于把一根刚性杆划分为N段刚性微段，那么这根杆就成了一个有(N-1)段有弹性的单元杆连成的柔性梁杆模型。这些微断的划分可以根据研究的需要选择，一般微段的数目越多就越能模拟实际变形情况。使用离散梁构件柔性生成的方法优势是操作简便，计算速度较快。但是离散柔性连接件的变形是柔性杆连接的变形，并不完全是小刚性构件的变形，离散梁方法的刚弹模型虽然也计算弹性与结构阻尼的对柔性体影响，但忽略了惯性力的影响，无法直接求出弹性位移，因此精度相对于引入模态中性文件法较低。但是课题的研究是将丝杠进行柔性处理，该丝杠相对整个机床来看，可以近似成一根长的有些区别的杆体。针对本机床的模型，把X、Y、Z轴的丝杠作柔性体化处理，其中X轴柔性体丝杆在虚拟样机中的生成如图5-2所示：图5-2 X轴丝杠的柔性体化5.3刚柔混合模型的仿真在建成的刚柔混合机床进给系统模型中行运动仿真，再看模型的动力学性能。为了该机床的进给系统在运行的振动情况，这里假定该加工中心进行铣削时的运行，仍选择工作台的稳定性能测试为输出，为了使样机的工作状态与实际情况更贴切，在工作台上添加一个垂直向下的重力F=200N,表示工作台上的工件的重力，再加上一个与主轴旋转方向一致的旋转力矩T=850N.m，表示加工时的刀具作用于工件（工作台）的力矩。选择输出工作台的位移输出曲线，以仿真End Time为5.0,Step为50。得到图5-3的曲线：图5-3工作台的位移输出可以看到丝杠换成了柔性体后，在随着运转的速度的加快后，在垂直于工作台方向的位移上有了大幅的上升。如此可知工作台的工作稳定性与进给构件的刚度有着相当大的联系。而样机的工作台在完全是刚性体的传动中的幅度变化不是很大。针对本课题的研究，为了得出进给系统的振动因素，先作假设刚度，运动零部件间的摩擦是影响机床振动的原因，对系统进行了以下研究：（1）调整丝杠组件的刚度值。一般情况下刚度和弹性模量是不一样的两物理量，弹性模量是微观物质的性质，刚度是宏观物质的性质，但在没有拉伸压缩的特殊情况下，弹性模量可以等同于刚度。把丝杠和丝杠螺母的弹性模量在原来的基础上以减小一倍，和增大一倍两种情况下的工作台加速度输出曲线输出对比分析，选择分析类型为工作台的振动加速度曲线,因为工作台的加速度是其振动位移的二阶导数，选择位移输出可能其变化不是很明显，但选择其加速度为输出时，工作台在运行时的微妙变化都会在输出中明显的反映出来，图5-4是原来没有修改弹性模量的输出，图5-5是把弹性模量减小一倍( )的输出，图5-6是弹性模量增加一倍()的输出,可以发现工作台的最大振动加速度有了显著变化。在进行多次的手动定量设定弹性模量的数值后，将输出的数据绘制成一个整体的，有关于工作台的振动最大加速度绝对值与弹性模量的数值变化的曲线图，如图5-7（横坐标是弹性模量数值，单位是 ；纵坐标是加速度数值，单位是 ）：图5-4刚度()与摩擦系数的工作台加速度输出图5-5刚度()的工作台加速度输出图5-6刚度()的工作台加速度输出图5-7 工作台振动加速度绝对值与刚度值变化关系通过多次的手动设置丝杠和丝杠那个螺母的刚度值由小到大的变化，可以看到机床的工作台的振动最大加速度的绝对值有不断减小的趋势，但加速度的方向相反，说明工作台的振动更剧烈了。通过对比可以做出结论，工作台的振动和丝杠与丝杠螺母的刚度密切相关，滚珠丝杠副是这个机床的主要的进给机构，所以进给系统的刚度是影响振动的因素，刚度越大振动的影响就越小。（2）调整工作台与导轨，丝杠与丝杠螺母和丝杠与轴承只间的摩擦系数同等程度的变化。因为这些构件间在工作时都是会产生动摩擦，初始的动摩擦系数 ，对这些构件的动摩擦系数以增加一倍（ ），和减小一倍（ ）的情况进行仿真再对工作台的加速度曲线进行输出，输出分别为图5-8和图5-9，发现了一些变化。当对这些机构间的摩擦系数进行一系列手动赋值，然后对工作台的最大振动加速度输出，得到一系列数据，再把摩擦系数与工作台振动最大加速度的绝对值进行整理成为一个曲线图如图5-10所示（横坐标是摩擦系数值；纵坐标是加速度数值，单位是 ）。图5-8摩擦系数的工作台加速度输出图5-9摩擦系数的工作台加速度输出图5-10 运动构件间的摩擦系数与工作台振动加速度的绝对值关系观察看到图5-9的曲线变化情况，可以看到运动构件间的动摩擦系数按在小于两构件间静摩擦系数增加的情况下，工作台的振动最大加速度的绝对值有着不断增大的趋势，工作台的加速度绝对值越大，方向相反，则工作台的振动越剧烈。当之间的摩擦效果较小时，这会使得振动的趋向于缓和。因此，可以分析得出运动构件间的摩擦系数对振动有着影响因素。5.4 本章小结 本章对机床的进给系统的丝杠进行了柔性化处理，使机床形成一个刚柔混合系统更加贴切与实际的机床，然后针对本课题的研究对机床的振动进行探索性手动更改有可能影响进给系统振动的数据，在进行数据输出是发现了机床的进给系统的振动是与机构的刚度关系较大，与有运动关系的构件间的摩擦系数也有关。第6章 结论通过在ADAMS虚拟样机的运动学、动力学及丝杠柔性结合整个机床的刚性体的仿真分析。得出了以下的结论：（1）提高机床进给系统构件的传动刚度，有助于减少机床的振动，提高机床的进给稳定性。在虚拟样机的进给系统构件的刚度上，当使得机床的构件材料，以及密度可以改变时，当反应到机床的进给系统稳定性上，机床构件的刚度越高稳定性能越好。（2）减小机床的传动机构间的摩擦力，可以使得机床的稳定性能显著提高，工作台的振动也显著减少。在机床进给构件的相互作用件，如导轨面间的摩擦，转动元件的摩擦，当设置构件间的摩擦系数变小时，可以显著看到机床进给系统的振动减少。对于以上，在机床的虚拟样机上发现的使得进给系统振动的不稳定因素，为了满足机床进给系统在稳定性上，那么提高机床的进给系统的稳定性的主要措施有： （1）从整体上提高机械系统结构的传动刚度，特别是进给系统各个部件的刚度。尽量消除传动元件之间的间隙，传动元件之间的间隙也会使得进给系统的整体刚度减小。尽可能缩短系统进给传动链的长度，缩短进给传动运动链的长度以减小了传动力的力矩长度，系统的传动链的长度从整体上减小了机床的传动刚度。但也要注意进给传动链的缩短，首先要满足伺服电机调速范围和输出转矩对机床加工精度、生产效率率和快速响应的需要。目前已经出现了直线电机的直接驱动进给的形式，直接驱动省略了包括丝杠在内的所有机械传动元件，从而实现了进给传动的“零传
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