（机械电子工程专业论文）一种专用数控机床的可视化建模与仿真.pdf

j 己i i ad i s s e r t a t i o ni nm e c h a n i c a le l e c t r o n i c se n g i n e e r i n g 删 肼 y 1 8 4 糟岩酱 v i s u a lm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nf o r t h es p e c i a lc n c b yw a n g j i a n s u p e r v i s o r p r o f e s s o rl i u j i e n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e 2 0 0 8 独创性声明 本人声明 所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的 论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外 不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果 也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料 与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 r 思 学位论文作者签名 喜醢 日期 杪罗 7 t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留 使用学位 论文的规定 即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘 允许论文被查阅和借阅 本人同意东北大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 交流 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后 半年口一年口一年半口 学位论文作者签名 签字日期 享醢 l 协 孑 7 f 丙草0 导师签名 历一 参 签字日期 多矿 扩7 夕 专 k 0 东北大学硕士学位论文摘要 一种专用数控机床的可视化建模与仿真 摘要 五轴数控机床是目前数控领域中应用广泛而且比较实用的一种数控加工设备 它可 以完成许多复杂蓝面和曲线的加工 早在数控技术发展之初 人们就投入大量精力和时 间从事该项技术的研究 本文以五轴数控机床的机械结构为分析对象 研究数控机床机械结构的传动和运动 特性 通过样机的可视化建模和实际改造 研究机床机械结构的动力学问题 主要内容 如下 1 线性传动系统是数控机床中使用最频繁的传动机构 本文结合样机的实体模 型从结构和响应两个方面对样机的传动机构做了详细分析 其中包括 导出样机传动机 构的传递函数 求解样机传动机构的阶跃响应和稳态误差 总结传动机构固有特性对系 统所产生的影响等几个方面 为了更好的掌握样机传动机构的刚性和受力变形情况 本 文对样机的主要传动部件用c o s m o s 软件做了有限元分析 2 在多刚体动力学理论基础上 推导出样机刀具和主要参与运动构件的运动学 和动力学方程 3 针对样机的实体模型 用a d a m s 软件对样机做动力学仿真 模拟刀具在做 直线运动 圆弧运动等情况下的加工轨迹 研究样机各个主要构件在起动 加速 平稳 运行时的速度 加速度和受力等参数的变化情况 4 总结样机实际改造过程中出现的各种影响机床精度的不利因素 研究机床误 差产生的原因 并尝试减小和补偿这些误差 许多国内的数控机床生产厂商选用进口控制系统 数控软件 传动部件组装数控机 床 却未能达到进口数控设备所具有的整机性能 许多原因造成了这一现象 本文以机 床传动响应和机床动力学问题为研究的切入点 结合生产实践 试图寻找一种能够改善 数控设备整体性能的方法 关键词 动力学 传递函数 稳态响应 数控技术 c o s m o s 求解 误差补偿 j j f 0 r v i s u a lm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nf o r t h es p e c i a lc n c a b s t r a c t 5 a x i sn u m e r i c a l l y c o n t r o l l e dm a c h i n et o o li si nt h ep r e s e n tn u m e r i c a lc o n t r o ld o m a i n w i d e l ya p p l i e sm o r e o v e rt h eq u i t ep r a c t i c a lo n en u m e r i c a lc o n t r o lp r o c e s s i n ge q u i p m e n t i t m a yc o m p l e t em a n yc o m p l e xs u r f a c e sa n dt h ec u r v ep r o c e s s i n g a se a r l ya sa tt h eb e g i n n i n g o fn u m e r i c a lc o n t r o lt e c h n o l o g i c a ld e v e l o p m e n t t h ep e o p l ea r ee n g a g e di nt h i st e c h n i c a lo n t h ei n v e s t m e n tm a s s i v ee n e r g ya n dt h et i m et h er e s e a r c h t h i sa r t i c l et a k e s5 a x i sn u m e r i c a l l y c o n t r o l l e dm a c h i n et o o l sm e c h a n i s ma s t h e a n a l y s i so b je c t t h er e s e a r c hn u m e r i c a l l y c o n t r o l l e dm a c h i n et o o lm e c h a n i s mt r a n s m i s s i o n a n dt h es t a t eo fm o t i o n t h r o u g h p r o t o t y p e s v i s u a l i z a t i o nm o d e l i n ga n dt h ea c t u a l t r a n s f o r m a t i o n s t u d yt h em a c h i n em e c h a n i s md y n a m i c sq u e s t i o n 1 t h el i n e a rt r a n s m i s s i o ns y s t e mw a si nt h en u m e r i c a l l y c o n t r o l l e dm a c h i n et o o l u s e st h em o s tf r e q u e n tt r a n s m i s s i o ns y s t e m t h i sa r t i c l eu n i f i e sp r o t o t y p e sf u l l s c a l em o c k u p a n dr e s p o n d st w oa s p e c t sf r o mt h es t r u c t u r et om a k et h em u l t i a n a l y s i st op r o t o t y p e s t r a n s m i s s i o ns y s t e m a n di n c l u d e s d e r i v e st h ep r o t o t y p et r a n s m i s s i o ns y s t e mt h et r a n s f e r f u n c t i o n s o l v e st h ep r o t o t y p et r a n s m i s s i o ns y s t e mt h es t e pr e s p o n s ea n dt h es t a t i ce r r o r s u m m a r i z e st h et r a n s m i s s i o ns y s t e mi n t r i n s i cp r o p e r t yt h ei n f l u e n c ew h i c hp r o d u c e st ot h e s y s t e ma n ds oo ns e v e r a la s p e c t s f o rb e t t e rg r a s p st h ep r o t o t y p et r a n s m i s s i o ns y s t e mt h e r i g i d i t ya n dt h es t r e s sd i s t o r t i o ns i t u a t i o n t h i sa r t i c l eh a sm a d et h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st o p r o t o t y p e sm a i nt r a n s m i s s i o np a r t 析t 1 1t h ec o s m o s s o f t w a r e 2 i nt h em u l t i r i g i dd y n a m i c sr a t i o n a l e i n f e r st h ep r o t o t y p i c a lc u t t i n gt o o la n dt h e m a i np a r t i c i p a t i o nm o v i n gl i n k sk i n e m a t i c sa n dt h ed y n a m i ce q u a t i o n 3 i nv i e wo fp r o t o t y p e sf u l l s c a l em o c k u p m a k e sd y n a m i c ss i m u l a t i o nw i t ht h e a d a m ss o f t w a r et ot h ep r o t o t y p e s i m u l a t e st h ec u r i n gt o o lt om a k es i t u a t i o na n ds oo ni n t r a n s l a t i o n c i r c u l a rp r o c e s s i n gp a t h s s t u d i e sp r o t o t y p i c a le a c hp r i m a r ym e m b e ri np a r a m e t e r a n ds oo nt i m es t a r t i n g a c c e l e r a t i o n s t e a d ym o v e m e n ts p e e d a c c e l e r a t i o na n ds t r e s sc h a n g e s i t u a t i o n s 4 s u m m a r i z e se a c hk i n do fi n f l u e n c ee n g i n eb e dp r e c i s i o nd i s a d v a n t a g ef a c t o r w h i c hi nt h ep r o t o t y p i c a la c t u a lt r a n s f o r m a t i o np r o c e s sa p p e a r s s t u d i e sr e a s o nw h i c ht h e e n g i n eb e de r r o rp r o d u c e s a n da t t e m p t sr e d u c e sa n dc o m p e n s a t e st h e s ee r r o r s i i i 东北大学博士学位论文 a b s t r a c t m a n yd o m e s t i cn u m e r i c a l l y c o n t r o l l e dm a c h i n et o o lp r o d u c t i o nm a n u f a c t u r e rs e l e c t s t h ei m p o r tc o n t r o ls y s t e m t h en u m e r i c a lc o n t r o ls o f t w a r e t h et r a n s m i s s i o np a r ta s s e m b l y n u m e r i c a l l y c o n t r o l l e dm a c h i n et o o l a c t u a l l yh a sn o tb e e na b l et oa c h i e v et h ec o m p l e t e m a c h i n ep e r f o r m a n c ew h i c ht h ei m p o r tn u m e r i c a lc o n t r o le q u i p m e n th a s m a n yr e a s o n sh a v e c r e a t e dt h i s p h e n o m e n o n t h i sa r t i c l et a k e t h em a c h i n et r a n s m i s s i o nr e s p o n s ea n dt h e m a c h i n ed y n a m i c sq u e s t i o na s t h er e s e a r c hb r e a k t h r o u g hp o i n t i nc o o r 谢t l lp r o g r e s so f p r o d u c t i o np r a c t i c e a t t e m p t st os e e kf o ro n e l i n dt ob ea b l et oi m p r o v et h en u m e r i c a lc o n t r o l e q u i p m e n to v e r a l lp e r f o r m a n c et h em e t h o d k e yw o r d s k i n e m a t i c sa n dd y n a m i c s t r a n s f e rf u n c t i o n r e s p o n d s n u m e r i c a lc o n t r o l t e c h n o l o g y c o s m o s s o l u t i o n e r r o rc o m p e n s a t i o n i v j 一1 1 5 论文的主要工作 6 第2 章线性传动系统 8 2 1 线性传动的组成 8 2 1 1 机床导轨 9 2 1 2 滚珠丝杠副 1 0 2 1 3 负载的变动 1 2 2 1 4 驱动扭矩 1 3 2 2 线性传动系统的传递函数 1 7 2 2 1 稳定性分析 18 2 2 2 传递函数的响应 o 1 9 2 2 3 二阶系统的实际参数 2 0 2 2 4 系统稳态误差分析 2 1 2 3 传动构件有限元分析 2 2 2 4 运动结构件有限元分析 2 8 2 5 小结 31 第3 章多刚体动力学理论和a d a m s 建模 3 3 3 1 多刚体系统动力学 3 3 3 2a d a m s 系统建模 3 5 v 东北大学博士学位论文 目录 3 3 样机结构分析 3 6 3 4 样机动力学建模 3 7 3 4 1 系统的运动学研究 3 8 3 4 2 系统的动力学研究 4 1 3 5 小结 4 4 第4 章机床进给系统的动力学建模及仿真 4 6 4 1a d a m s 软件简介 一4 6 4 2 三维仿真实体模型的建立 4 8 4 3 数控机床样机的动力学仿真 5 1 4 3 1 机床启动和制动时的动力学仿真 5 1 4 3 2 机床匀速运行时的动力学仿真 5 2 4 4 j 结 一5 5 第5 章系统误差补偿和驱动单元 5 6 5 1 样机的安装误差和运行误差 5 6 5 2 伺服驱动单元 5 8 5 2 1 伺服驱动的加速 减速和定位控制 5 8 5 2 2 步进电机驱动控制 6 0 5 3 数控系统实现误差补偿 6 1 5 3 1 样机控制系统构成 6 1 5 3 2 数控系统补偿传动误差 6 2 5 4d 结 6 4 第6 章结论 6 5 参考文献 一6 6 致谢 6 9 v i 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论帚早瑁t 匕 本章首先介绍了数控机床的发展和研究状态 以及虚拟样机技术的特点 内容及其 数字化样机的应用 由此引入数控机床的系统动力学分析与仿真 概述了机械系统动力 学分析与仿真在数字化功能样机中的重要作用 最后简要描述了机械系统动力学分析与 仿真的发展方向 前沿以及本文所做的工作 1 1 数控技术的发展 所谓的数控技术可以解释为 用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术 也有人进一步提出了 用数学的方式工作 的前卫理念 随着科学技术的不断发展 尤其是的信息技术的日新月异和快速普及 大量的先进 技术和理论被应用于传统的机械制造领域 数控技术由此产生和不断发展 逐渐扩大其 应用领域 它对大量支柱性行业如汽车业 机械加工 轻工业 医疗设备等等行业的发 展起着越来越重要的作用 数控机床也因此取代传统机床逐步成为制造业领域生产 科 学研究中的主导力量 l 可以说制造业的发展作为衡量一个国家生产力发展水平的重要 标志 在现代社会中的地位是举足轻重的 而数控技术的发展水平则代表了一个国家的 制造业发展水平 1 1 1 国内数控行业的发展状况 作为国家经济发展的支柱性行业 早在1 9 5 8 年我国就开始了数控技术的探索和发 展 经历了初期2 0 多年的封闭式研究的第一个发展阶段 六五 七五 和 八五 期间的 引进技术 消化吸收 初步形成国产系列的第二个发展阶段 八五 后期和 九五 期间的产业化研究的第三个阶段 经过这三个阶段的发展 我国已经奠定了数 控技术的基础 并初步形成了几个自己的数控产业基地 如 华中数控 航天数控等一 些已经具备批量生产数控系统能力的研究单位和公司 尽管我国数控技术 纵向 发展 速度比较以前有很大的提高 但是 横向 比较 与世界水平差距还比较大 2 0 0 5 年 针对我国数控技术的发展现状和装备制造业的未来需求 国家把发展数控 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 技术的长远规划写在了未来五十年科学技术发展方向计划纲要中 1 1 2 数控技术的现状和未来的发展方向 在传统数控机床日益普及的今天 现代数控设备正向着高速 高精度 高可靠性 高冗余度方向不断发展 除此以外 微数控 m m c 开放式数控 网络制造 软数控等 等也取得了很大的进步 其主要表现为 1 高速 高精加工技术 高速 高精 高可靠性已经成为了许多世界知名数控设备生产企业宣传其产品时出 现频率最高的一组词汇 现代制造业追求高效率 高质量 高速 高精加工技术的发展 和应用大大提高了加工效率 提高了产品的质量 同时缩短了生产周期 提高产品市场 的竞争能力 比如 在航空和宇航工业领域 其加工的零部件多为薄壁和薄筋 刚度很 差 材料为铝或铝合金 只有在高切削速度和切削力很小的情况下 才能对这些筋 壁 进行n i 近来采用大型整体铝合金坯料 掏空 的方法来制造机翼 机身等大型零件 来替代多个零件 通过众多的铆钉 螺钉和其他联结方式拼装 使构件的强度 刚度和 可靠性得到了提高 这些都对加工装备提出了高速 高精度的要求 在加工精度方面普 通级数控机床的加工精度提高到岬级 精密级加工中心则要求更高 甚至超精密加工 精度已开始进入纳米级 在可靠性方面 国外数控装置的m t b f 值已达6 0 0 0 h 以上 伺 服系统的m t b f 值达到3 0 0 0 0 h 以上 表现出非常高的可靠性 为了实现高速 高精加 工 与之配套的功能部件如电主轴 直线电机得到了快速的发展 应用领域进一步扩大 2 五轴联动数控机床 五轴联动机床之所以得到广泛的关注和使用 是因为其运动轨迹的先天优势 理论 上采用五轴联动可以模拟出任意空间的三维曲面 非常适合复杂零件的加工 在传统的 模具行业 为了得到精确的模具 需要经过设计 木型 一次模型 反复的试模和修模 最终模具等等繁琐的过程 加工周期长 成本极高 五轴数控机床的出现使模具可以精 确高效的按照3 d 软件设计出来的数模进行加工 大大缩短了模具的加工时间 此外 五轴联动数控机床可用保持刀具在其最佳的几何形状上进行切削加工 这不仅保证了产 品的表面光洁度高 也使效率得到大幅度的提高 可以认为 一台五轴联动机床的效率 相当于两台三轴联动机床 尽管五轴联动数控设备有如此多的优点 但由于其传动系统结构复杂 制造困难 2 一 o 一 3 智能化 动生成等 为提高驱动性能及使用连接方便的智能化 如前馈控制 电机参数的自适应 运算 自动识别负载自动选定模型 自整定等 简化编程 简化操作方面的智能化 如 智能化的自动编程 智能化的人机界面等 还有智能诊断 智能监控方面的内容 方便 系统的诊断及维修等 4 为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题 目前许多 国家对开放式数控系统进行研究 如美国的n g c 欧共体的o s a c a 日本的o s e c 中国的o n c 等 数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路 所谓开放式数控系统 就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上 面向机床厂家和最终用户 通过改变 增加或剪裁结构对象 数控功能 形成系列化 并可方便地将用户的特殊应用和技术 诀窍集成到控制系统中 快速实现不同品种 不同档次的开放式数控系统 形成具有鲜 明个性的名牌产品 目前开放式数控系统的体系结构规范 通信规范 配置规范 运行 平台 数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心 6 网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点 数控装备的网络化将 极大地满足生产线 制造系统 制造企业对信息集成的需求 也是实现新的制造模式如 敏捷制造 虚拟企业 全球制造的基础单元 国内外一些著名数控机床和数控系统制造 公司都已经推出了相关的新概念和样机 4 软数控技术 数控系统不但从封闭体系结构向开放体系结构发展 而且正在从硬数控向软数控方 向发展 传统数控系统 如f a n u c 系统 n u m 系统 s i n u m e r i k 系统等 都是专用 的封闭体系结构的数控系统 n c 嵌入p c 结构的开放式数控系统 是由开放体系结 构运动控制卡和p c 机共同构成 运动控制卡通常选用高速信号处理芯片d s p 作为c p u 具有很强的控制和运算能力 它开放的函数库供用户在操作系统平台下自行开发构造所 需的数控系统 因而这种开放结构运动控制卡被广泛应用于制造业自动化控制各个领 域 如本文样机中使用的p m a c 多轴运动控制卡 此外 纯 软件型数控系统也是一种新型的开放数控系统 它硬件部分仅是计算 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 机与伺服驱动和外部i o 之间的标准化通用接口 所有控制功能都交给p c 用软件的形 式实现 在数控系统的选择时 用户拥有很大的灵活性 为了保证每 次操作的可靠性 几乎所有的数控系统都是强实时系统 也就是说数控系统的每条指令必须在确定的指令 周期内 准时 的完成 这也是保证数控系统稳定性和可靠性的前提 硬数控系统拥有 独立的时钟控制和完整的控制电路 软数控系统在这方面存在着先天的不足 软数控系 统必须在操作系统的支持下工作 而众多的操作系统比如微软公司的w i n d o w s 系列 l i n u x 等等是弱实时的操作系统 只能保证输出端口1 0 m s 以内的实时稳定性 这使得软 数控系统的开发不得不停留在一些三方供应商提供的实时内核的二次开发上 软数控系 统也因可靠性和稳定性等等问题而暂时无法满足实际生产的需要 但不可否认 软件型 开放式数控系统有很高的性能价格比和生命力 通过软件智能替代复杂的硬件 正在成 为未来数控系统发展的重要趋势 1 2 基于可视化建模的虚拟样机 早在1 9 9 0 年 波音公司正式启动了波音7 7 7 飞机研制计划 该计划采用一种全新的 设计与制造方式 4 年半之后 波音公司直接进行了新型波音7 7 7 的首次试飞 波音7 7 7 飞机的研制采用了全数字化的无纸设计技术 整机外型 结构件和整机飞机系统全部采 用三维数字化定义 应用数字化预装配 整个设计制造过程无需模型和样机 一次成功 首次实现了整机数字化设计 数字化制造和数字化协调 对比以往的飞机研制 波音7 7 7 成本降低了2 5 出错返工率减少了7 5 制造周期缩短了5 0 波音7 7 7 的研制成为现 代产品开发新技术应用的里程碑 其采用的开发过程现在称之为虚拟产品开发 v i r t u a l p r o d u c td e v e l o p m e n t v p d 应用的开发技术称之为虚拟样机技术 v i r t u a lp r o t o t y p i n g v p 世界著名c a d c 蝴服务供应商e d s u g 总裁j o h nm a z z o l a 就对v p d 作了这样的描 述 虚拟产品开发是一种设想 在这个设想中 以网络方式组织在一起的人们将协同 工作 以完成对产品的设计 分析 制造及技术支持 他们的工作将以数字化的方式确 定和分配 从而使得他们能够在任何时间 任何地点协同或独立地工作 这种开发网络 除了生产公司外 还将包括供应商 合作伙伴及客户 虚拟样机技术是近些年在产品开发的c a x 如c a d c a e c a m 等技术和d f x 如d f a d e s i g nf o ra s s e m b l y 一面向装配的设计 d f m d e s i g n f o rm a n u f a c t u r e 一面向制造 4 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 的设计 等技术基础上发展起来的 它进一步融合了现代信息技术 先进仿真技术和先 进制造技术 将这些技术应用于复杂系统全生命周期和全系统并对它们进行综合管理 从系统的层面来分析复杂系统 支持由上至下的复杂系统开发模式 利用虚拟样机代替 物理样机对产品进行创新设计测试和评估 3 一 1 3 数控机床的系统动力学分析与仿真 数控机床由许多相对简单的运动构件组成 这些独立的运动构件在特定的函数指挥 下协调工作 产生一系列复杂的组合运动和空间曲线 在这一过程中 为了找到参与工 作的各个运动构件的运动和响应规律以及系统运动过程中各构件体所承受的非线性负 载变化 人们逐渐把有关数控机床的这些运动学和动力学问题归结到多刚体系统动力学 问题1 5 卅 在较早的研究中 没有强大的计算机平台和动力学仿真软件的参与 研究人员单纯 的使用多体动力学运动方程进行复杂系统的建模和分析 比如s c h i e h l e n 等人采用牛顿 一欧拉法对多体系统进行建模 但随着组成多体系统物体数目的增多 物体之间的连接 情况和约束方式就会变得复杂 当对作为隔离体的单个物体列出牛顿一欧拉方程时 铰 约束力的出现使未知变量的数目明显增多 这样做起来不仅非常繁琐 还很容易出错 为此 人们改进了牛顿一欧拉法 并开始编制计算机程序进行计算 动力学仿真由此产 l z 1 0 一1 3 lo 直到六十年代 多体系统动力学刚刚诞生 最初的研究人员主要使用的非结构化编 程语言f o r t r a n 由于软件性能和交互性等问题 这些早期的研究仅仅散布于实验室中 没能在实际应用中得到推广 直到后来 o r l a n d e a 和b e r e n y i 利用机械系统动力学仿真 软件a d a m s 的早期版本 对一个六自由度的工业机器人进行了连续路径的动力学综 合 但实际上他们只是对刚性机器人进行了三维运动学仿真 并未深入研究如何解算各 种主要的动力学参数 单纯用a d a m s 建模与分析则只能获得一部分刚体动力学指标 无法得出柔性体的变形 应力 应变等重要指标 1 5 1 7 1 4 三维实体建模 图1 1 是一个动平台的龙门结构数控机床 它是在s o l i d w o r k s 软件中模拟出来的 5 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 在三维模型中可以模拟出与实际制造相差无几的数控系统结构总体结构装配和详细部 件结构 譬秽 妒一一 譬 节 一警 j 每f 譬 心1 附带托一呷 蝴 舭i 氍 嚣一 巧 紧i 一 i r t 种飞 图1 1 一个基于s o l i d w o r k s 软件的动龙门结构数控机床例子 f i g 1 13 dm o d e l i n ge x a m p l eo fn u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n et o o lb ys o l i d w o r k s 为了配合本文中分析和改造的样机实例 本文也结合s o l i d w o r k s 软件对样机实 体进行实际建模 1 4 1 8 1 5 论文的主要工作 结合对五轴数控机床的设计改造和建模 分析五轴数控机床传动结构和系统运动参 数 结合对五轴数控设备从虚拟样机设计 数学建模到传动系统的分析和动力学建模 再到仿真模拟和实际控制系统描述的系列研究过程 阐述对数控技术的理解和对数控技 术应用领域的思考 在对数控裁片机的改造过程中 课题组针对一些有关数控技术的重点问题做了大量 的研究 分析和实验工作 主要有以下几个方面 1 对专用机床整机在s o l i d w o r k s 三维软件基础上做可视化建模 通过三维模 型分析 了解机床的固有参数 2 求解作为机床主要传动部件的传递函数 求解样机的传动系统的阶跃响应和稳 6 一 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 态误差 3 充分利用三维可视化建模的特点 用c o m o s 软件分析系统主要构件在加工过 程的极端受力状态下 各个主要构件下的应力 变形 可靠性等等设计制造过程中必须 满足的要求 4 通过a d a m s 软件模拟机床切削加工和常见加工曲线以获得机床主要构件的运 行轨迹和运动中的载荷变化曲线 建立系统运动学和动力学方程 从机床结构运动分析 和动力学方程求解的结果分析五轴数控机床各个构件在完成各种加工曲线中所起到的 作用和可能发生的极端情况 在第四章的软件模拟中可以看到由于各个构件复合运动所 产生不平稳因素 这些系统分析结果对后来的系统轨迹规划和误差补偿提供资料 5 分析讨论系统所采用的半闭环伺服驱动控制和开环伺服驱动控制 了解伺服系 统和数控系统的误差补偿原理 6 在以上分析的基础上 实际改造样机 总结了一些实际误差产生的原因 并提 出解决方案 7 东北大学硕士学位论文第2 章线性传动系统 第2 章线性传动系统 线性传动系统是数控机床机械部分的基本结构 本章会详细介绍线性传动系统的组 成 机构 在样机系统数学模型的基础上分析影响系统精度的各个主要参数 2 1 线性传动的组成 没有一个精确稳定的线性传动系统作为数控机床和数控系统的基础就无从实现高 速 高精 高稳定性的数控加工 所谓线性传动系统就是由导轨 平台 负载和驱动力 组成的在一定条件下 实现一定轨迹功能的系统 图2 1 所示是一套数控传动系统的典 型结构示意图 1 一伺服电机2 一滚珠丝杠3 一丝杠螺母4 一工作台和工件5 一滚动轴承 图2 1 线性传动系统典型结构图构造 f i g 2 1t y p i c a lc o n s t r u c to fl i n e a r i t yc o n v e ys y s t e m 从图2 1 中可以看到 这套线性传动系统有导轨 工作台 滚珠丝杠副 伺服电机 及减速器组成 平台传导力 承受负载 导轨提供精确的定位和导向 伺服电机 减速 器提供驱动力 滚珠丝杠副则是把旋转驱动力转化并传递为直线驱动力的重要环节 本 文所使用的样机也采用这种传动系统 线性传动系统的每一个环节都有可能对系统的最终精度和稳定性造成影响 比如平 台的刚性和变形会改变和限制系统的加速时间和加工能力 但对线性传动系统精度影响 最为明显的部件则是导轨 滚珠丝杠副 伺服系统 伺服系统会在后面的章节有详细的 讨论 本节先介绍导轨和滚珠丝杠 8 东北大学硕士学位论文第2 章线性传动系统 2 1 1 机床导轨 导轨的精度和静 动承载能力是考核一个线性传动系统的关键指标 滑动导轨是传 统重型机床和精密传动系统中的常常采用的型式 它的特点是导轨和滑动件之间使用了 介质 结构形式的不同在于选择不同的介质 静压导轨是滑动导轨中比较常见一种型式 在压力的作用下 油进入滑动元件的油槽中 在导轨和滑动元件之间形成油膜 由于油 膜的作用 导轨和移动元件被隔开 这可以大大减少元件移动时所要克服的摩擦力而不 降低导轨的精度和承载力 静压导轨对大负荷是极其有效的 此外它对偏心负荷有一定 程度的补偿作用 利用油作为介质的另一种导轨形式是动压导轨 与静压导轨不同的是 油不是在压力下起作用的 它利用油的粘度来避免移动元件和导轨之间的直接接触 可 以节省液压油泵 1 9 2 5 1 但平面导轨和移动元件之间的接触面积比较大 移动元件要作快速微量进给 需要 克服移动元件的惯量 因此滑动导轨存在爬行现象 当驱动部分开始推动移动元件移动 时 由于移动元件尚处于粘滞状态 可能因此而产生轻微的跳动 导致爬行现象的产生 爬行对于大的移动影响不大 而对于微量移动 就成为一个问题 同时 不同的外部 环境如温度变化 油脂的变质等等不利因素会影响油膜的稳定性 爬行 摩擦系数大 受外界环境影响不稳定等等缺点决定了大多数数控系统放弃了滑动导轨 a a 实体 b b 宽型导轨块 c c 高型导轨块 图2 2 直线导轨结构示意图 f i g 2 2l i n e a r i t ys l i d e rs t r u c t u r es k e t c h 直线导轨系统允许机床工作在较高的进给速度下 在主轴转速相同的情况下 快速 进给是直线导轨的特点 直线导轨与平面导轨一样 有两个基本元件 一个作为导向的 是固定元件 另一个是移动元件 作为一种标准部件 使用中唯一要做的是加工一个安 装导轨的平面和调整导轨的平行度 安装是比较简单的 直线导轨的移动元件和固定元 9 东北大学硕士学位论文 第2 章线性传动系统 件之间不用中间介质 而用滚动钢球 滚动钢球适应于高速运动 摩擦系数小 灵敏度 高 满足运动部件的工作要求 机床的工作部件移动时 钢球就在支架沟槽中循环流动 把支架的磨损量分摊到各 个钢球上 从而延长直线导轨的使用寿命 为了消除支架与导轨之间的间隙 预加负载 能提高导轨系统的稳定性 获得预加负荷的方法是在导轨和支架之间安装超尺寸的钢 球 钢球直径公差为 t 2 0 微米 以o 5 微米为增量 将钢球筛选分类 分别装到导轨上 预加负载的大小 取决于作用在钢球上的作用力 如果作用在钢球上的作用力太大 钢 球经受预加负荷时间过长 导致支架运动阻力增大 为了提高系统的灵敏度 减少运动 阻力 相应地要减少预加负荷 而为了提高运动精度和精度的保持性 要求有足够的预 加负数 这是矛盾的两方面 工作时间过长 钢球开始磨损 作用在钢球上的预加负载 开始减弱 导致机床工作部件运动精度的降低 如果要保持初始精度 必须更换导轨支 架 甚至更换导轨 如果发现系统精度已经丧失 那么唯一的解决方法就是更换滚动元 件 导轨系统的设计 力求固定元件和移动元件之间有最大的接触面积 这不但能提高 系统的承载能力 而且系统能承受间歇切削或重力切削产生的冲击力 把作用力广泛扩 散 扩大承受力的面积 为了实现这一点 导轨系统的沟槽形状有多种多样 具有代表 性的有两种 一种称为哥待式 尖拱式 形状是半圆的延伸 接触点为顶点 另一种 为圆弧形 同样能起相同的作用 无论哪一种结构形式 目的只有一个 力求更多的滚 动钢球半径与导轨接触 固定元件 2 1 2 滚珠丝杠副 滚珠丝杠副可以把旋转驱动力转化为直线驱动力 以较小的转矩可以获得较大的推 力 滚珠丝杠副具有摩擦阻力小 传动效率高 9 2 9 8 的优点 在数控机床的设 计与制造中 滚珠丝杠副的精度是影响机床的定位精度及传动精度的主要因素之一 按 照滚珠循环的不同型式 滚珠丝杠副分为内循环和外循环两种 如图2 3 所示为滚珠丝杠 副为内循环式滚珠丝杠副 内循环式滚珠丝杠副具有结构小 安装方便等特点 而外循 环式滚珠丝杠副则有价格低 维修方便等优势 1 0 东北大学硕士学位论文第2 章线性传动系统 罄酽鼍豫 秽5 嘞一 甲嬲 黟搿塌 p v 一 wg 一 m t 静彩驾彰 鬈7 节 孵 荔嬲甥 磁滋磊 滋 凌琵凌么 t 钯 一 w 勰 一 图2 3 滚珠丝杠 f i g 2 3b a l ls c r e w 作为受力比较大 精度要求非常高的而又结构细长的传动元件 设计选择合适的滚 珠丝杠副是规划数控系统的重要环节 重复定位精度 最大运行速度等等重要指标很大 程度上取决于滚珠丝杠副的精度 无论水平布置或垂直布置 运动平台 导轨 各种传感器 丝杠自重以及其它一些 元器件引起的负载都由滚珠丝杠副来承担并驱动 对于一个结构细长的零件 这些因素 会使对丝杠产生或大或小的弯曲变形和误差 尽管变形量可能很小 但在加工尺寸精度 及形状位置精度很高的工件时 这些变形量不可避免地会影响工件的尺寸 形状和位置 精度 而这变形量或直接或间接地与滚珠丝杠副的支承方式有关 所以 滚珠丝杠副的 安装型式非常讲究 根据系统的不同需要 可以选择不同的丝杠固定型式 图2 1 所示的样机丝杠传动系统图是一种固定一支持式的安装形式 在丝杠的一端 用一套或这两套角接触轴承为丝杠提供支承并同时承受轴向力 游动端仅承受径向载荷 且支承轴承可以在轴承座内滑动 当支承轴承与丝杠 丝母调整完成后 应给丝母副施 加适度的预紧力以减少配合间隙 以获得较高的精度 如果预紧力过大 间隙降低的同 时丝杠与丝母间的摩擦系数也会加大 这种不正常负载会是伺服系统增加额外的负载 消耗功率 当系统长时间工作于过预紧力 克服摩擦力所作的功会转化为热能散布于丝 杠与丝母副中 使丝杠丝母副的配合产生热偏移 同时 丝杠会因为温度的影响微量改 变螺距和总体长度 从而影响整体传动链的运动精度 由于样机采用丝杠固定一支持式 的安装形式 丝杠长度变化的影响会有支承端轴承的滑动实现补偿 关于这部分内容本 章将后面的小节作详细的讨论 此外 线性传动系统在承受负载并进行直线往复运动时 由于重复应力经常作用于 滚动体或滚动面上 因此会出现被称为材料疲劳性剥落的损伤 从而影响机床的传动精 度 增加功率损耗 东北大学硕士学位论文第2 章线性传动系统 2 1 3 负载的变动 线性传动系统进行直线往复运动时 物体的中心位置 推力作用位置以及因起动 停止或加速 减速的速度变化等而施加在线性系统上的负载会发生变化 由于执行不同 任务和外界环境因素的影响 负载的变化并不是线性的 因此按照不同的负载作用形式 可以把负载简化为以下几种形式 1 阶段性变动负载 如图2 4 所示 系统在不同阶段有不同的负载变化曲线 负载因距离而成阶段性变 化 l 1 距离上近似对应负载f l l 2 距离上对应负载f 2 l n 距离上近似对应负载f n 图2 4 阶段运行负载曲线 f i g 2 4c u r v eo fd i f f e r e n tp h a s el o a d 阶段变化的等效负载可以表示为 2 近似的单调变化负载 如图2 5 所示 负载恒定或线性变化 2 1 图2 5 近似单调负载曲线 f i g 2 5c u r v eo fa l m o s tm o n o t o n yl o a d 阶段变化的等效负载可以表示为 c 二i f m i l l k 2 2 二 3 规则曲线变化负载 如图2 6 所示 负载变化按正弦或余弦曲线变化 在数控 系统作圆弧插补或复杂的曲线加工时常常使用出现这种曲线的负载 2 由于摩擦阻力的存在 系统在作加速运动和减速运动的过程中 作用于丝杠 丝母 副上的力是不同的 2 1 4 1 摩擦和效率 根据系统的力学模型 7 为线性传动系统的传递效率 为摩擦系数 为丝杠 丝母副的螺旋升角 系统做正向运动时 旋转力转换为轴向力 刀 撬 2 3 刀 二 一 1 m n f l 系统反向运动时 轴向力转换为旋转力 13 东北大学硕士学位论文 第2 章线性传动系统 r l 1 x l t a n f l 2 4 l u t a n p 2 1 4 2 负载扭矩 驱动源所需要提供的负载扭矩 恒速驱动扭矩 如下 1 正向运动时 旋转力转换为轴向力 f l 2 r 式中丁 负载扭矩 f 轴向外部负载 三 滚珠丝杠副螺距 7 7 滚珠丝杠副传递效率 2 反向运动时 轴向力转换为旋转力 f 掣 2 s 7 7l 式中凡轴向外部负载 丁 负载扭矩 三 滚珠丝杠副螺距 珂 滚珠丝杠副传递效率 3 预压引起的摩擦扭矩 丝母副预紧力会产生阻力 但随着负载的增大 预压螺母的预紧力被释放 摩擦阻 力随之减少 所以仅仅计算空载时的负载阻力 耳 等 2 6 式中 f 预压负载 三 滚珠丝杠螺距 t 丝母副摩擦系数 螺纹升角 t a x i 一 去 d 丝杠轴外径 2 1 4 3 伺服电机输出轴上的扭矩 为了满足系统运行条件 驱动电机必须满足一下条件 1 相对负载扭矩要有余量 东北大学硕士学位论文 第2 章线性传动系统 2 相对与运动部件运动引起的惯性矩应能够以所需要的脉冲速度进行启动与停 止 3 对运动部件运动引起的惯性矩应能够达到所需要的加速 减速时间常数 那么为了满足这些要求 需要计算和分析传动系统运行时所需要的输出负载 首先 线性传动系统在平稳运行中 要输出维持恒速运行所需要的扭矩 这里用五 来表示 互 甓警 耳皆 p 7 式中 f d r a g 3 瓦 f 切削力引起的轴向支反力 三 滚珠丝杠导程 数控系统工作时 经常面临频繁的加速运动或减速运动等情况 在数控机床设计中 应充分考虑系统加速 减速时驱动力的变化 下式为由惯性矩产生的负载的计算方法 加速时用正表示 互 砌 詈北 以 聊 去 2 等 c 2 固 式中 缈 伺服电机的角速度 m 电机转数 f 加速时间 止转动惯量