（机械制造及其自动化专业论文）铣车复合加工中心双驱进给系统静动态特性分析.pdf

硕士学位论文 摘要 进给系统是数控机床的重要组成部分。现代数控机床日益向高速、高精度、大负载 的方向发展，对进给系统的静动态性能要求越来越高。在高速度、高加速度以及大负载 运行工况下，进给系统的静动态特性对机床的加工质量和效率有显著影响。因此，必须 深入研究进给系统的静力学与动力学行为特性。双驱进给系统是一种新型的高速、大负 载进给驱动方式，能够有效提高机床的运动速度和精度，但其研究仍处于起步阶段。本 文以这种新型的进给系统为对象，综合运用有限元分析、虚拟样机等技术对其静力学以 及动力学行为特性进行了深入研究，取得的研究成果如下： 1 针对本课题研究的侧重点以及双驱进给系统的结构特点，基于p r o e 软件建立了 双驱进给系统的三维实体模型，并对模型进行简化，为后续研究其静动态特性奠定了基 础。 2 建立了双驱进给系统刚度模型。基于三维实体模型，应用w o r k b e n c h 软件对其 进行静态特性分析，研究了滚珠丝杠直径与双驱进给系统静力变形的关系，为双驱进给 系统的结构优化提供了理论依据。 3 基于拉格朗日方程，建立了双驱进给系统动力学模型。对双驱进给系统分别进 行了模态分析和谐响应分析。通过分析得出两对导轨滑块与两根滚珠丝杠跨距以及系统 阻尼对双驱进给系统动态性能的影响，并提出了相应的改善措施。应用有限元软件 a n s y s 分析了滚珠丝杠的模态。 4 应用数字化分析平台a d a m s 建立了双驱进给系统刚体模型，并对其进行了运 动学分析，研究了其快速进给时位移、速度和加速度特性以及刚柔耦合动力学特性。 通过上述研究，本文为双驱进给系统静动态特性的改善和结构优化提供了理论依 据。 关键词：双驱进给系统；静动态特性；有限元；运动学分析；刚柔耦合 硕士学位论文 a b s t r a c t t h ef e e d i n gs y s t e mi sa ni m p o r t a n tp a r to fn u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n et 0 0 1 m o d e m n u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n et o o lt r e n d st o w a r dt oh i g hs p e e d ，h i g hp r e c i s i o na n dl a r g el o a d i t s p e c i a l l yn e e d sb e t t e rs t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s i nt h ew o r k i n gc o n d i t i o n so fh i g h s p e e d ，h i g hp r e c i s i o na n dl a r g el o a d ，t h es t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ff e e d i n gs y s t e m w i l lh a v ea ni m p o r t a n ti n f l u e n c eo i lm a c h i n i n gq u a l i t ya n de f f i c i e n c y t h e r e f o r e ，t h es t a t i c a n dd y n a m i cb e h a v i o r so ff e e d i n gs y s t e ms h o u l db er e s e a r c h e dd e e p l y t h es y n c h r o n o u s d u a lb a l ls c r e wf e e d i n gs y s t e mi sa ni n n o v a t i v ef e e d i n gd r i v em e t h o di nt h ew o r k i n g c o n d i t i o n so fh i g hs p e e da n dl a r g el o a d ，a n di tc a ni n c r e a s et h em o t i o nv el o c i t ya n da c c u r a c y o fm a c h i n et o o le f f e c t i v e l yb u ti t sr e s e a r c hi ss t i l li na ni n f a n c ys t a g e i nt h i sp a p e r , t h en e w t y p eo ff e e d i n gs y s t e mw a sr e s e a r c h e di n s t a t i ca n dd y n a m i cb e h a v i o r sd e e p l yw i t hf i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s ，v i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y s p e c i f i ca c h i e v e m e n t sa r es h o w na sf o l l o w s ： 1 i nt h i sp a p e r , t h e3 ds o l i dm o d e lo f t h es y n c h r o n o u sd u a lb a l ls c r e wf e e d i n gs y s t e m w a se s t a b l i s h e db yp r o es o f t w a r e a n dt h em o d e lw a ss i m p l i f i e da c c o r d i n gt ot h ef o c u so f t h i sr e s e a r c hp r o j e c ta n dt h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h es y n c h r o n o u sd u a lb a l ls c r e w f e e d i n gs y s t e m t h i sw o r kl a i dt h ef o u n d a t i o nf o rt h es u b s e q u e n ts i m u l a t i o na n a l y s i so f t h e s t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s 2 t h es t i f f n e s sm o d e lo ft h es y n c h r o n o u sd u a lb a l ls c r e wf e e d i n gs y s t e mw a s e s t a b l i s h e d b a s e do nt h e3 ds o l i dm o d e l ，t h es t a t i cc h a r a c t e r i s t i co ft h es y n c h r o n o u sd u a l b a l ls c r e wf e e d i n gs y s t e mw a sa n a l y z e du s i n gt h ew o r k b e n c hs o f t w a r e a n dt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h eb a l ls c r e w d i a m e t e ra n dt h es t a t i cd e f o r m a t i o no ft h es y n c h r o n o u sd u a lb a l l s c r e wf e e d i n gs y s t e mw a ss t u d i e d t h i sw o r kp r o v i d e dat h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h es t r u c t u r a l o p t i m i z a t i o no ft h es y n c h r o n o u sd u a lb a l ls c r e wf e e d i n gs y s t e m 3 b a s e do nl a g r a n g ee q u a t i o n ，t h ed y n a m i c sm o d e lw a se s t a b l i s h e d a n dt h em o d a la n d h a r m o n i cr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es y n c h r o n o u sd u a lb a l ls c r e wf e e d i n gs y s t e mw e r e a n a l y z e d b ya n a l y z i n g t h ed y n a m i c sm o d e l ，t h ei n f l u e n c e sb e t w e e nt h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i ca n dt h es p a no ft h et w ob a l ls c r e wa n dt h et w op a i r so fs l i d er a i la n dt h es y s t e m d a m p i n gw e r ef o u n d ，a l s ot h ei m p r o v e m e n tm e a s u r e sw e r ep r o p o s e d a f t e rt h a t ，t h em o d a l c h a r a c t e r i s t i co f t h eb a l ls c r e ww a sa n a l y z e dw i t ha n s y ss o f t w a r e 4 t h er i g i dm o d e lo f t h es y n c h r o n o u sd u a lb a l ls c r e wf e e d i n gs y s t e mw a se s t a b l i s h e d b yu s i n gt h ev i r t u a lp r o t o t y p es o f t w a r ea d a m s k i n e m a t i c s c h a r a c t e r i s t i c sw e r ea n a l y z e d ， i n c l u d i n gd i s p l a c e m e n t ，v e l o c i t ya n da c c e l e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c si nt h er a p i df e e d i n gs i t u a t i o n , 铣车复合加工中心双驱进给系统静动态特件分析 a l s oi n c l u d i n gt h er i g i d - f l e x i b l ec o u p l i n gd y n a m i c ss i m u l a t i o n i ns u m m a r y ，t h i sp a p e rp r o v i d e sa n i m p r o v i n gm e t h o do ft h es t a t i ca n dd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c sa n dat h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h es t r u c t u r eo p t i m i z a t i o nd e s i g no ft h es y n c h r o n o u s d u a lb a l ls c r e wf e e d i n gs y s t e m k e y w o r d s ：s y n c h r o n o u sd u a lb a l ls c r e wf e e d i n gs y s t e m ；s t a t i ca n dd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s ；f i n i t ee l e m e n t ；k i n e m a t i c sa n a l y s i s ；r i g i d - f l e x i b l ec o u p l i n g 1 1 1 硕士学位论文 插图索引 图1 1 立式铣车复合加工中心结构图一4 图2 1 动梁无滑枕立式铣车复合加工中心结构简图1 0 图2 2 双驱技术原理简图1 3 图2 3 双驱进给系统结构简图l4 图2 4 双驱进给系统主要部件l5 图2 5 双驱进给系统三维结构图l6 图2 6 双驱进给系统实体简化模型l7 图3 1 两端止推滚珠丝杠安装方式简图2 l 图3 2 两端止推时螺母与上方轴承距离对丝杠刚度的影响2 2 图3 3 一端止推滚珠丝杠安装方式简图2 2 图3 4 一端止推时螺母与上方轴承距离对丝杠刚度的影响2 3 图3 5 双驱进给系统轴向刚度模型2 3 图3 6 双驱进给系统弯曲变形简图2 6 图3 7 双驱进给系统受力简图2 8 图3 8 双驱进给系统模型导入及材料属性定义3 0 图3 9 双驱进给系统网格划分3 1 图3 1 0 静力分析载荷三种加载位置3 2 图3 1 l 约束及载荷添加效果图3 2 图3 12 静力变形位移云图3 3 图3 13 滚珠丝杠直径与静力变形关系曲线3 4 图4 1 双驱进给系统等效弹簧质量力学模型3 7 图4 2 各个接触面弹簧力学模型一3 7 图4 3 坐标转换及切削力位置示意图4 0 图4 4 模态分析振型图4 5 图4 5 阻尼比0 0 5 谐响应分析幅频曲线图4 7 图4 6 阻尼比0 h 皆响应分析幅频曲线图4 8 图4 7 网格划分与添加约束模型4 9 图4 8 滚珠丝杠前6 阶振型图5 0 图5 1 运动学分析模型5 3 图5 2 横梁速度随时间变化曲线图5 3 图5 3 横梁位移随时间变化曲线图5 4 i v 铣车复合加工中心双驱进给系统静动态特性分析 图5 4 横梁加速度随时间变化曲线图5 4 图5 5 刚柔耦合模型建立流程图5 5 图5 6 滚珠丝杠柔性体模型5 6 图5 7 刚柔耦合仿真模型5 6 图5 8 刚柔耦合模型运动学仿真曲线5 7 v 硕士学位论文 附表索引 表2 1 动梁无滑枕立式铣车复合加工中心主要技术参数1 1 表2 2 进给驱动系统主要技术参数l l 表2 3 双驱进给系统关键参数15 表3 1 横梁质量参数2 9 表3 2 双驱进给系统各组件材料及属性3 0 表3 3 静力变形结果( t u r n ) 3 2 表3 4 不同滚珠丝杠直径进给系统静力变形值( m m ) 3 4 表4 1 模态分析频率结果( h z ) 4 4 表4 2 两种阻尼比谐响应振幅值比较( m m ) 4 8 表4 3 滚珠丝杠模态分析结果( h z ) 一4 9 表4 4 滚珠丝杠临界转速5 0 表5 1 各个元件之间运动副关系5 2 表5 2 模态频率值对比5 6 v i 硕士学位论文 1 1 课题来源 第一章绪论 “高档数控机床与基础制造装备”国家科技重大专项( 2 0 1 0 z x 0 4 0 0 1 0 3 2 ) ：动梁无 滑枕铣车复合加工中心。 1 2 课题的背景和意义 制造业是国民经济发展的支柱，而机床是制造业乃至整个工业必不可少的生产工具 和工作母机，是实现制造技术和装备现代化的基石，是保证高技术产业发展和国防军工 现代化的战略装备。特别是在航空航天、汽车工业、模具加工等领域中，数控机床得到 了广泛的应用。随着科技的发展，人们要求产品的加工周期短、精度高以便能够迅速的 占领市场，使数控机床正在朝着大型化、精密化、复合化以及高速化的方向发展。 进给系统是数控机床的重要组成部分，随着数控机床的发展，对进给系统静动态特 性的要求越来越高。目前应用最广泛的进给驱动系统是“旋转电机+ 单根滚珠丝杠的 形式，摩擦力、切削力、热传导、机床结构模态等因素都会影响机床进给系统的静动态 性能。对于单根滚珠丝杠驱动，在机床整体布局、动力刀架结构等条件限制下，驱动力 无法作用在横梁等部件的重心，在较大进给速度下，系统有产生扭转运动的趋势，会引 起机床的振动，甚至还会引起机床床身或立柱等铸件发生弯曲和变形。且高速及大负载 进给条件下，单根滚珠丝杠转动惯量大、扭转刚度低、摩擦磨损和发热严重，影响了机 床的静动态性能，不能很好地满足高速加工的要求。尤其是随着机床大型化、高速化的 发展，进给系统负载加重、进给速度提高，这样的问题越来越明显。针对这样的问题人 们提出了多种改进措施，双驱进给系统就是其中的一种。双驱进给系统将横梁、动力刀 架等部件配置在两根滚珠丝杠之间，形成一个虚拟的重心，产生与实际的驱动力通过重 心完全相同的效果，较好地抑制了高速以及大负载进给时产生的振动和弯曲，实现稳定 驱动。双驱技术在生产实践上已经得到应用，但生产过程中遇到很多问题，目前只能从 结构上给出定性的分析，其理论研究还不够深入。因此，从理论上对双驱进给系统进行 研究就十分必要。双驱进给系统静动态特性的研究对高速、大负载数控机床进给系统的 设计和结构优化有重要的指导意义。双驱技术受到国外领先技术企业的保护，在国内这 项技术还属于刚刚起步的阶段，需要我们对其进行深入的研究，对促进我国数控机床更 快更好的发展，壮大我国的制造业，具有较高的研究价值。 铣车复合加工中心双驱进给系统静动态特一 叶：分析 1 3 国内外相关领域研究现状 1 3 1 铣车复合加工中心发展现状和特点 1 3 1 1 铣车复合加工中心发展现状 随着科学技术的快速发展，铣车复合加工机床是近年来适应产品复杂化和生产高效 率要求而发展很快的机种。该机床可同时采用多种工艺加工方法实现复杂曲面加工。由 于国外领先技术企业的保护，缺少可参考的技术资料，极大的制约了我国这类高档数控 机床的发展。目前国产的铣车复合加工中心还无法满足我国汽车、飞机、航空航天、造 船、军工等制造业追求高精度高可靠性产品的要求，因此每年我国都要从国外引进大量 的铣车复合加工中心，以满足生产的需要。国内机床行业一直在寻求开发这种结构的加 工中心，五轴联动“动梁无滑枕立式铣车复合加工中心”是数控机床中难度最大、应用 范围最广的技术，代表机床制造业最高水平。从最近几年的机床展览会的情况来看，很 多机床制造企业都在以各种方式开发该机床产品，但其关键部件仍然依赖进口，并没有 实现真正意义上的国产化。我国需要尽快研制出这种铣车复合加工中心产品，因此将代 表高档数控机床发展方向的铣车复合加工中心作为研究对象具有十分重要的意义乜，3 。 目前高档数控机床正向着高速度、高精度、高效率、复合化、智能化、大负载的方 向发展。在世界机床制造和机械加工领域，复合加工技术正以其独特的魅力被逐渐认识 并应用于实践中，尤其近几年，复合加工技术以较快的速度向前发展。复合加工是一种 先进的制造技术，实现单台机床多工序、多工位加工，减少装卸和调整时间，工件一次 装夹就可完成五面加工。其中铣车复合加工是最流行的加工工艺之一，是制造技术发展 的趋势之一。铣车复合加工中心不但可以缩短加工时间，提高加工精度，而且可以缩短 生产周期，实现零库存，最终提高整体生产效率h t 引。这类机床在卧式n i 中心和立式加 工中心的基础上，集成了车削、钻削和攻螺纹、镗削、磨削以及滚齿和插齿等工艺方法， 成为卧式或立式铣车复合加工机床。如日本m a z a k 公司的f n t e g r e xe 8 0 0 v s 、 e 1 5 5 0 v 1 0 卧式铣车复合加工机床，在五轴卧式n i 中心的工作台上增加回转车削功能， 可以在一次装卡下对圆形盘类零件实现铣、车等工序的完全加工。国内复合加工还处在 起步阶段，但是众多厂商已经认识到复合加工的美好前景，积极加入到这个事业中来， 如2 0 0 0 年在上海数控机床展览会上，沈阳数控机床厂推出了国内首台s s c k z 6 3 5 型四 轴联动车铣中心。总之，复合加工机床的发展方兴未艾。未来的复合力n - r _ 机床将结合数 控技术、软件技术、信息技术、可靠性技术，向构件集约化、结构紧凑化、配置模块化 和部件商品化方向发展。同时，复合加工技术在重型、大型机床上有着广泛的开发前景。 复合加工是未来机床发展的重要方向。目前复合加工机床已占到数控机床的约2 0 。随 着多品种、中小批量生产需求的增加和复合加工机床自身技术的发展，该类机床的需求 量将会大大增加，在未来几年，该类机床将可能占到数控机床的5 0 6 0 哺3 。 2 硕士学位论文 1 3 1 2 铣车复合加工中心的特点 随着零件复杂性要求的增加，同时制造业对加工效率的要求越来越高，铣车工艺有 很多用武之地，因为它不仅能加工奇特的形状，而且能通过一次装卡完成零件加工。铣 车复合加工技术包括两方面含义。其一，铣车技术。铣车是利用铣刀和工件旋转的合成 运动来实现对工件的切削加工，使工件在形状精度、位置精度、表面粗糙度及残余应力 等多方面达到使用要求的一种先进切削加工方法。它不是铣削与车削的简单结合。利用 铣车合成运动来完成各类表面的加工，是当今数控技术得到较大发展的条件下产生的一 种高新切削技术 3 。其具有以下特点：铣车属于间断切削，故得到较短的切屑，易于自 动排屑；间断切削使刀具有充足的冷却时间，刀具温度相对较低；与传统切削相比，易 于实现高速切削，使得切削力明显下降；有利于大型工件高速切削，减少工件的形状误 差等。其二，复合加工技术，是目前国际上机械加工领域最流行的加工工艺之一。复合 加工就是把几种不同的加工工艺，在一台机床上实现。目前国内外研究复合加工应用的 热点是铣车复合加工。其主要有以下优点：( 1 ) 采用铣车加工中心，一次装卡工件，不 需更换机床，可以完成很多道工序，减少工件的安装定位次数，从而可减少安装定位误 差，有利于提高工件的加工精度；( 2 ) 减少工序的工装夹具件数，从而可减少工装的准 备时间及成本；( 3 ) 减少因工序转换所需的等待、上下料及装夹等辅助时间，提高了生 产率；( 4 ) 不仅可以使加工系统所需的机床台数减少，而且由于加工过程的集约化，使 物流系统缩短，从而可以大大减少加工系统的占地面积；( 5 ) 使用铣刀则能达到间断切 屑，这样可以使刀具有充足的冷却时间；( 6 ) 由于切削速度是由工件和刀具的回转速度 共同合成，因此工件不需要高速旋转也能实现高速切削口t 剐。 铣车复合加工中心技术特点旧1 ： 1 主轴高转速、大功率。与普通机床相比，主轴转速要高5 1 0 倍，主电动机功率 为1 5 k w - 8 0 k w ，以满足高速铣削、车削等高效、重切削工序的要求。 2 要有一个快速反应的进给系统单元。随着主轴转速的提高，机床的进给速度也 需要火幅度提高，否则会严重影响工件的表面质量、加工精度和刀具寿命，目前最大进 给速度可达1 6 0 m m i n 。对伺服进给系统的技术要求可归纳为：( 1 ) 要求进给系统具有 摩擦阻力小、传动效率高、运动灵敏、无爬行现象、可实现无间隙运动、传动刚度高、 反向时无空程死区等特点；( 2 ) 具有较好的稳定性，优良的静动态特性。 3 进给系统要有大的加速度。数控机床进给系统的工作行程较短，要在较短的行 程中实现稳定的高速与超高速切削。除了进给速度要高，进给系统还必须有大的加速度， 以尽量缩短启动变速停车的过渡过程，实现平稳切削。没有高的加速度，工作部件的 高速度是没有意义的。 4 机床结构要有优良的静动态特性和热态特性。机床运动中各部件之问的相对运 动速度很高。运动副接触面之间将发生急剧的摩擦和发热，高的运动加速度也会对机床 产生较大的动载荷。因此机床必须具有良好的静动态特性和热态特性，以保证零件的加 铣车复合加工中心双驱进给系统静动态特性分析 工精度和加工时的安全、平稳、可靠。 5 控制系统智能化。 嘲i燃 “目目日m - - - - 一 埘葚 i j 鼍一魄i ” 冀j 缀；v 豢i 鞫黧勰羟怒= 爨豫病=- 一 。一： 曩一薯薰赣懋黼 鲻豳毽糊麓 誓豳搦鹪 曩窃嬲嬲霾翌籼1 一；缓 ”i 。：。j 声l l k ： ji j ；1 _ ；| ，j i 穸熟 瓣 岔j l g 纛 | 圈禽一 图1 1 立式铣车复合加工中心结构图 1 3 2 进给系统发展及研究现状 1 3 2 1 进给驱动系统发展概况 1 进给系统的结构形式 高速加工是面向2 l 世纪的一项高新技术，既要求机床有很高的主轴速度，又要求 有很高的进给速度和加速度，其进给速度一般大于3 0 m m i n ，加速度达到 l g ( 9 8 m s 2 ) n 仉1 。与此同时，随着机床大型化的发展，加工工件日趋大型化、复杂化， 在加工过程中进给系统承受的负载越来越大，要保证加工的速度和精度，要求机床有较 高的自由度与能承受大负载的进给系统。五轴联动数控机床是解决叶轮、叶片、船用螺 旋桨、重型发电机转子、汽轮机转子、大型柴油机曲轴等加工的主要手段，同时可以满 足高速加工的要求。动梁无滑枕立式铣车复合加工中心是一种具有五轴联动加工能力的 高速、高精度、大负载机床。五轴联动数控机床进给系统静动态性能的好坏是决定机床 能否达到高速高精的关键因素，因此对进给驱动系统的研究至关重要。 铣车复合加工中心进给系统从一开始的“旋转电动机+ 滚珠丝杠副”不断发展，目 前还有直线电机驱动和并联虚拟轴进给驱动系统，从结构、性能到整体布局来看形成了 三种截然不同的进给系统n 引： ( 1 ) 滚珠丝杠副进给驱动系统( 1 9 5 8 ) 从1 9 5 8 年美国k & t 公司生产出世界上第一台加工中心以来，“旋转电机+ 滚珠丝杠” 4 硕士学位论文 至今仍然是加工中。i i , 和其他数控机床进给系统采用的主要形式。滚珠丝杠副传动系统采 用交流伺服电动机驱动，进给加速度可以达到1 9 ，进给速度可以达到4 0 - 6 0 r n m i n ，定 位精度可以达到2 0 2 5 9 m 。 ( 2 ) 直线电机进给驱动系统( 1 9 9 3 ) 从1 8 4 5 年c h a r l e swh e a d s t o n e 发明世界上第一台直线电机以来，直线电机在运输 机械、仪器仪表、计算机外部设备以及磁悬浮列车等各行各业获得了广泛的应用。国外 第一个采用直线电机的数控机床是1 9 9 3 年德国e x c e l l o 公司在汉诺威机床博览会上展 出的h s c 2 4 0 高速加工中心。该加工中心最高进给速度可以达到6 0 m m i n ，进给加速度 可以达到1 9 。但直线电机驱动的总成本比滚珠丝杠副驱动要高得多，约为滚珠丝杠副的 2 5 倍n 引。另外，直线电机发热量较大，又由于是直接驱动，其对工件质量变化和外部 干扰非常敏感引。 ( 3 ) 并联虚拟轴( 1 9 9 4 ) 为了克服传统机床布局上固有的缺陷，满足高速加工的要求，近年来出现了一种全 新的机床进给机构：并联虚拟轴结构，其基本工作原理是建立在1 9 6 4 年由英国人s t e w a r d 设计并获得专利的六杆结构的基础上，一般称为s t e w a r d 平台n 引。1 9 9 4 年在芝加哥国际 机床博览会上首次展出了由这种机构实现的多坐标进给系统的加工中心，引起了机床界 的轰动，被认为是机床结构的重大改革。但并联机床有效工作空间较小，很难同时实现 立卧加工；另外并联机床由于杆件的热变形以及铰关节制造精度的限制，使其加工精度 不高；第三，并联机床的自动编程比较困难。 综上所述，由于直线电机价格昂贵、控制系统复杂等缺点；并联机床刚刚起步，短 时间内难以普及，目前“旋转电机+ 滚珠丝杠副的进给驱动系统仍然处在“一统天下” 的地位。本课题研究的动梁无滑枕立式铣车复合加工中心进给系统也是采用旋转电机和 滚珠丝杠副直联的驱动方式。 2 滚珠丝杠副的高速化、大负载发展趋势 滚珠丝杠副第一次应用是在2 0 世纪3 0 年代，g m 公司将其应用于汽车驾驶装置。 1 9 4 0 年，美国开始成批生产用于汽车转向机构的滚珠丝杠副。1 9 4 3 年，滚珠丝杠副开 始用于飞机上。精密螺纹磨床的出现使滚珠丝杠副在精度和性能上产生了较大的飞跃， 数控机床和各种自动化设备的发展，促进了滚珠丝杠副的研究和生产。为适应市场的需 求，滚珠丝杠副自诞生以来一直在不断的发展。国内外相关企业和研究机构做了大量的 研究工作，使滚珠丝杠副的设计、制造和测试水平得到了很大的提高，其总的发展方向 是高速、高精度、大负载和绿色环保。其中，高速化、大负载是精密滚珠丝杠副发展的 主要趋势，也带来了很多需要解决的问题，人们也在不断的探索滚珠丝杠高速化、大负 载的技术对策。 进入2 l 世纪，按照新型工业化的道路，数控机床正向高精度、高速度、大负载、 高可靠性以及智能化、数字化、绿色环保的方向发展。尤其是汽车工业、航空航天工业 铣车复合加工中心双驱进给系统静动态特性分析 的发展，使轻合金的高速切削加工h s c ( h i g hs p e e dc u t t i n g ) 越来越受重视，h s c 已 成为2 l 世纪装备制造业发展的热点。以加工中心为例，伺服进给的快移速度在2 0 世纪 8 0 年代为15 - 2 4 m m i n ，加速度为0 3 9 ；到9 0 年代前期为2 0 - 3 2 m m i n ，加速度为0 5 9 ； 到9 0 年代后期为4 0 8 0 m m i n ，加速度为l 1 2 9 ；目前已达到6 0 - 1 2 0 m m i n ，加速度为 1 5 堙的水平n 5 1 ，由此带动了滚珠丝杠副直线运动速度的不断提升。机床与被加工工件 大型化的发展，使滚珠丝杠副的负载变大。大负载滚珠丝杠副的高速化会带来一系列的 问题，主要表现在以下几个方面n 引：( 1 ) 滚丝杠高速回转时温度上升及热变形问题；( 2 ) 滚珠循环系统刚度和强度问题；( 3 ) 噪声与振动问题：( 4 ) 润滑问题；( 5 ) 大导程加工 技术问题；( 6 ) 定位精度变化问题；( 7 ) 预压力变化问题；( 8 ) 承受大负载时刚度和变 形问题等等。要实现大负载精密滚珠丝杠的高速化，上述问题是必须要面对和解决的， 解决上述问题的基础是结构的创新，同时要提高工艺水平和制造质量。为此，国内外做 了大量的工作，也取得了可喜的成绩，其中以日本、瑞典和德国的成绩最引人注目，而 日本n s k 的研究和制造水平更是代表了当今世界精密高速滚珠丝杠副研究和生产的最 高水平和发展方向。在解决精密滚珠丝杠副的高速化与大负载所产生的问题方面，主要 采用了以下的技术和对策7 。：( 1 ) 增大丝杠的导程和螺纹头数；( 2 ) 采用空心强冷技术； ( 3 ) 改进滚珠循环返向装置和滚珠的流畅i 生，进一步提高滚珠丝杠副的制造质量；( 4 ) 采用螺母驱动形式；( 5 ) 采用双电机双丝杠驱动方式。本课题以双驱进给系统为研究对 象，研究其静动态特性。 1 3 2 2 滚珠丝杠副进给系统国内外研究现状 机床在高速、高加速度、大负载的工作条件下，若横梁、滑枕等进给部件静动态特 性不好，进给速度未达到高速范围机床便会出现共振。相应的动态响应会引起部件的位 移变化，当振幅超出一定范围，对加工的精度、质量造成影响，这与高速、大负载机床 的性能要求相差甚远。因此，如何提高机床进给系统的静动态特性尤为重要。 国外在滚珠丝杠副进给系统静动态性能分析方面做了大量研究，m i z u h o 及k a k i n o 对滚珠丝杠进给系统建立模型，分析了滚珠丝杠的变形对其静态特性的影响n 也1 引。早期 美国威斯康辛大学的l i n m c 对滚珠丝杠副的运动学和动力学做了初步的理论研究 乜m 2 。o l o f s s o n 心2 1 制作了一个简单样机以便对滚珠丝杠系统的振动进行研究，他在实验中 发现一些条件会引起振动，但他不能给出理论分析。n a k a s h i m ak a t u h i r o 托3 1 和t a k a f u j i k a z u k i 乜盯研究了单螺母和双螺母预紧时滚珠丝杠副的刚性，但以上研究基本上是以中低 速滚珠丝杠副为主。l o w a 州立大学的 jm v a n c e 与i s u 研究中心的tp y e h 等应用虚 拟样机技术进行了机床结构的形状优化设计瞌引。 国内研究现状主要从滚珠丝杠副进给系统刚度、定位精度问题以及动态特性问题方 面来看：1 滚珠丝杠进给副系统静态特性问题：东南大学的吴南星等人研究了滚珠丝 杠进给系统刚度对定位精度的影响。基于进给系统质量和弹簧力学模型，给出了定位误 差的解析表达式，为提高系统的定位精度提供了理论依据旧1 。东北大学蔡光起、邱国富 6 硕士学位论文 研究了进给系统刚度和定位精度，着重分析了机械部分对定位精度的影响担6 | 。大连理工 大学的王德伦、王淑坤对滚珠丝杠进给系统定位精度进行了研究，分析了不同惯性力对 滚珠丝杠变形的影响，并通过r u n g e k u t t a 法求解滚珠丝杠副动力微分方程，计算出滚 珠丝杠在一种加速度进给方式下的变形误差，为以后多种加速度形式进给变形误差的计 算奠定了基础担 。2 滚珠丝杠副进给系统动态特性问题：清华大学安琦瑜陋町等利用 a n s y s 软件中的有限元方法，建立了滚珠丝杠传动结合面的模型，对滚珠丝杠进行了 模态分析和动态谐响应分析，提出增大丝杠直径是提高系统动态性能的一个有效办法， 但直径越大转动惯量越大，对伺服电机和系统稳定性提出更高要求。东南大学孙娥，蒋 书运基于有限元方法，以提高整机的低阶固有频率和减轻重量为优化目标，运用结构优 化方法，开展加工中心整机的动态分析与结构设计心引。基于虚拟样机技术的研究：东南 大学罗卫平、李鹏程利用a d m d s 软件建立了滚珠丝杠进给系统的虚拟样机模型，进行 了运动学、动力学仿真，给出了转矩、位移和速度的仿真曲线，但其分析的工况为低速 进给驯。 1 3 2 3 双驱进给系统的发展及研究现状 1 双驱技术的发展 在2 0 世纪8 0 年代中期以后，一系列高速度、高精度、大负载的机床相继问世。最 初1 0 年中，人们主要关注于进给轴和主轴电机的大型化和高速化，以及由此产生的热 处理技术和数控装置高速化等课题，并在这些方面取得了一些重大成果。但是在随后的 5 年，对高速度、高精度以及大负载加工技术的探求却产生了一系列的问题，例如高速 运动与大负载加工时产生的振动和变形等。双轴驱动的应用通常是为了得到较大的负载 能力或者针对大跨距的负载系统所使用，因此在使用上的主要的需求并非着重在高速切 削上。但随着相关技术的发展，机床需求的速度与精度不断提升，双轴驱动的设计也开 始应用于高速的加工中心上，用以抑制因高速进给时所产生的振动。总括目前双轴驱动 的应用，主要有以下几项优点：( 1 ) 抑制高速时的振动；( 2 ) 提高系统刚性，延长螺杆 使用寿命；( 3 ) 提升系统响应。双驱技术目前面临的关键问题是如何使双轴滚珠丝杠得 以同步驱动。双轴驱动虽然可以带来高刚性、高响应与大推力的优点，但当两驱动系统 异步时，反而容易造成传动机构的提前损坏。一般滚珠丝杠驱动系统都是采用半闭回路 的控制方式，由伺服电机上的编码器来回馈控制，而系统静动态性能的好坏直接影响着 控制补偿的效果。良好的静动态性能能够对控制补偿做出更快的响应，便可以更好的降 低双轴驱动时的不同步性。双驱技术是一项基于机械运动动力学理论发展而成的技术， 现有对于双轴驱动方式的物理原理所建模型非常简单，没有定量地揭示双轴驱动方式的 静、动力学机理，本课题以动梁无滑枕立式铣车复合加工中心双驱进给系统为研究对象， 对其进行整体动力学建模和有限元分析。 双驱技术又称为重心驱动，国外双电机双丝杠的结构形式在精密机床设计中很早就 被采用，如德国的迪西( d i x i ) 所生产的机床。日本森精机制作所( m o r is e i k i ) 最早 铣车复合加工中心双驱进给系统静动态特性分析 提出“重一t 5 驱动”这一概念，其新开发的“重心驱动”立式加工中心，把z 轴和】，轴的 运动组件配置在两根滚珠丝杠之间，形成一个虚拟的重心，产生与实际的驱动力通过重心 完全相同的效果，极好地抑制了各轴进行驱动时产生的振动，实现了机床的稳定驱动 3 引。 目前，该公司有三种加工中心使用了“重心驱动”( d c g ) 技术：n v 4 0 0 0d c g 立式加 工中心和n h 4 0 0 0d c g 、n h 6 3 0 0d c g 两台卧式加工中心。该系列产品主要用于要求加 工精度高、批量小的生产车问，例如模具、医疗器械和航空航天工业等。由于国外对我 国的技术封锁，目前国内只有少数厂家推出了采用双驱技术的数控机床，其中包括天水 星火机床厂生产的c x k 5 2 6 3 车铣复合加工机床、南通科技投资集团股份有限公司生产 的5 d m c h 6 3 同步双驱高速精密卧式加工中心以及沈阳机床厂生产的f b c 2 0 0 r 落地式铣 镗加工中心。通过对沈阳机床厂、大连机床厂等国内著名厂家的查询，可看出目前国内 生产的五轴联动数控机床多为车铣复合加工中心，本课题所研究的铣车复合加工中心较 少，采用双驱技术的五轴联动数控机床更是少之又少。目前双驱技术的应用有很大的局 限性，且国内所生产的采用双驱技术的机床多数是效仿国外机床结构进行设计，对于双 驱技术的理论研究较少。我国双驱技术的研究和应用水平与世界先进水平还有一定的差 距，需要加快研究的步伐迎头赶上。 2 双驱进给系统国内外研究现状 双驱进给系统与单根滚珠丝杠进给系统相比有很大的优势，能够很好的解决一系列 问题，目前国内外对双驱技术的研究的热点是双驱进给系统的静动态特性。 国外方面，m i c h i g a n 大学的t j i a n g 和m c h i r e d a s t 应用有限元方法，利用数学模型 来模拟机床机构的联结形式，建立了机床整机的动力学模型b 副。h i r a m o t o 等讨论了重心 驱动的物理原理，并基于重心驱动的概念，设计了对工作台和主轴采用重心驱动的机床 模型。通过对此模型的仿真，验证了重心驱动的有效性，据此制造了实际的重心驱动机 床。实验和仿真结果表明：重。t l , 驱动能有效减少机床加、减速时引起的振动。但相关研 究基于重心驱动的物理原理所建立的模型非常简单1 。 国内方面，2 0 0 7 年，华中科技大学的彭芳瑜、周勇、胡俊等分析了重心驱动的动力 学原理，提出重心驱动工作台的有限元建模方法，利用a n s y s 软件对重心驱动工作台 进行模态分析和谐响应分析，得到其响应曲线。通过分析，获得其共振频率和振动特性， 为进给系统的优化与动态性能的提高提供了依据，并对高速进给驱动系统的高精度运动 控制策略进行了深入研究，建立了一种基于有限元方法的时变进给驱动机构：转子丝 杠系统扭转动力学模型，通过考虑移动部件位置和工件质量变化对丝杠扭转振动特性的 影响规律进行了定量仿真研究；通过机电联合仿真提出了一种基于改进的进给驱动系统 动态性能评价方法的两阶段伺服参数调整方法。但其研究的重一t 3 驱动平台的双轴同步是 依靠制造与安装精度来保证的，对于长时间持续运行无法保证其可靠性，并缺少一定的 实验数据3 6 1 。本课题研究对象中横梁带动动力刀架在x 轴移动，比其研究