（机械设计及理论专业论文）数控落地铣镗床主轴箱动力学分析与结构设计研究.pdf

兰州理：l ：人学硕十学位论文 摘要 在数控机床中，进给伺服系统是数控装置和机床的中间联接环节，是数控系 统的重要组成部分。通常设计进给伺服系统时必须满足一定的使用要求，才能保 证进给系统的定位精度和静态、动态性能，从而确保机床的加工精确度。现代数 控机床朝着高速、高效率和高精度的方向发展，进给系统的设计要求也就越来越 高，因此深入研究数控机床进给系统的结构和伺服系统的动静态特性，这对数控 机床性能的提高具有重要的理论和工程应用价值。本论文主要研究内容和结果有： ( 1 ) 系统介绍了数控机床进给机械部件和伺服驱动系统组成的基础上，分析了 进给系统的一些运动特性；( 2 ) 针对滚珠丝杠传动的进给机构，深入研究了进给机 构中的摩擦、刚度、反向间隙等因素对进给系统动态性能的影响，并提出了相应 的改进措施；( 3 ) 研究了滚珠丝杠进给机构的运动特性，提出了一个动态模型；( 4 ) 运用p r o e 软件建立了滚珠丝杠、镗轴、立柱实体模型，并运用有限元分析软件 a n s y s 进行模态分析，得到了系统的固有频率和振型；( 5 ) 基于机械振动理论， 建立了进给系统的数学模型并对其进行了动力学分析，为伺服系统的动、静态性 能分析提供理论依据；( 6 ) 通过对t k 6 9 1 5 进给系统模型的仿真研究，获得了反映 系统性能的仿真曲线，研究和分析了机械参数和间隙、死区等非线性因素对系统 精确度的影响，提出了相应改进性能的措施，通过分析进给系统动静态性能的变 化，给出了各设计变量对动态特性的影响规律。 本文的研究结果为数控机床进给伺服系统的设计、参数的选择及性能的改进 提供了理论依据。 关键词：主轴箱；动力学；建模；模态；滚珠丝杠；液压控制系统；平衡 本课题得到国家自然基金( 1 0 5 7 2 0 5 6 ) 、甘肃省自然基金项目( 3 z s 0 4 2 - b 2 5 0 1 9 ) 和甘肃省教育厅研究生导师项目( 0 6 0 3 - 0 5 ) 的部分资助。 a b s t r a c t f o rn cm a c h i n et o o l ，f e e d i n g s e r v os y s t e mc o n n e c t i n gn ce q u i p m e n ta n d m a c h i n et o o li sa ni m p o r t a n tp a r to ft h en cs y s t e m d e s i g n i n go ft h ef e e d i n g 。s e r v o s y s t e m ，s o m eo p e r a t i n gr e q u i r e m e n t ss h o u l d b em e tf i r s t l y ，a n dt h e nt h ea c c u r a c y ， s t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c eo ff e e d i n gs y s t e ma n d t h ew o r k i n gp r e c i s i o nc o u l db e e n s u r e d a sw ea l lk n o w ，h i g hs p e e d ，e f f i c i e n c ya n da c c u r a c y a r em a i nr e s e a r c h d i r e c t i o ni nm o d e r nn cm a c h i n et 0 0 1 w i t hi n c r e a s eo ft h ed e s i g n i n gr e q u i r e m e n to f f e e d i n gs y s t e m ，i tb e c o m e sv e r yi m p o r t a n ti n t h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lf o ri m p r o v i n g t h ep e r f o r m a n c eo fn cm a c h i n et o o lt os t u d yd e e p l yo ns t r u c t u r eo ff e e d i n gs y s t e m a n ds t a t i c d y n a m i cp e r f o r m a n c eo fs e r v os y s t e m t h em a i nr e s e a r c h c o n t e n t sa n d r e s u l t so ft h i st h e s i sa r ea sf o l l o w i n g ： ( 1 ) b a s e do ns y s t e m a t i ci n t r o d u c t i o no ft h ef e e d i n gm e c h a n i c a la n ds e r v e d r i v e s v s t e me l e m e n to fn cm a c h i n et o o l ，s o m em o t i o nc 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 ma r e a n a l y z e d ( 2 ) a f t e ra n a l y z i n go fb a l ls c r e wd r i v i n gm o t i o n ，t h ef r i c t i o n ，r i g i d i t ya n dr e v e r s e g a po ff e e d i n gm e c h a n i s mo ff e e d i n gm e c h a n i s m ，t h ei m p r o v i n gm e a s u r e m e n t sf o r d y n a m i cp e r f o r m a n c ea r ep r o p o s e d ( 3 ) w i t hs t u d y i n gm o t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fb a l l s c r e wf e e d i n gm e c h a n i s m ，a s i m p l ed y n a m i cm o d e l i sp r e s e n t e d ( 4 ) t h ef u l l s c a l em o d e lo fb a l ls c r e w ，b o r i n gs h a f ta n df r a m ea r eb u i l tb a s e d o n p r o es o f t w a r e ，r e s p e c t i v e l y ，a n dt h e s em o d e l sa r ea n a l y z e db yu s i n g a n s y ss o f t w a r e ， t h ef r e ef r e q u e n c ya n dm o d eo fs y s t e ma r eo b t a i n e di nt h i st h e s i s ( 5 ) a c c o r d i n gt om e c h a n i c a lv i b r a t i o nt h e o r y ，m e a n w h i l eam a t h e m a t i c a lm o d e l o ff e e d i n gs y s t e mi sb u i l t a n di t s d y n a m i c s i s a n a l y z e d ，t h e s er e s u l t sp r o v i d e t h e o r e t i c a lb a s i sf o rd y n a m i cp e r f o r m a n c ea n a l y s i so fs e r v es y s t e m f 6 ) w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft k 6 9 1 5f e e d i n gs y s t e mm o d e l ，t h ec u r v e o fs y s t e m i c p e r f o r m a n c ei so b t a i n e db ys i m u l a t i o n ，a tt h es a m et i m e ，t h em e c h a n i c a lp a r a m e t e r ， g a p ，s k i pa r e a ，a n do t h e r f a c t o r si n f l u e n c i n go np r e c i s i o nn o n l i n e a ro fs y s t e ma r e s t u d i e dt o o ，m o r e o v e r ，t h ei m p r o v e dm e a s u r e sa r ep r e s e n t e d w i t ha n a l y z i n gv a r i a t i o n o fs t a t i c d y n a m i cp e r f o r m a n c eo ff e e d i n gs y s t e m ，i n f l u e n c er u l eo fd e s i g n i n gv a r i a n c e o nd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c si sg i v e n i ng e n e r a l l y ，t h er e s u l t so ft h et h e s i sp r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sf o rd e s i g n i n g ， c h o o s i n gp a r a m e t e ra n di m p r o v i n gp e r f o r m a n c eo fn cm a c h i n et o o lf e e d i n g 。s e r v e i i 兰州理i 大学硕十学位论文 s y s t e m k e y w o r d s ：h e a d s t o c k ；d y n a m i c s ；m o d e l i n g ；m o d e ；b a l ls c r e w ；c o n t r o ls y s t e mo f h y d r a u l i cp r e s s u r e ；b a l a n c e t h i s t h e s i si s p a r t l ys u p p o r t e db yn s f c ( 1 0 5 7 2 0 5 6 ) ， g a n s un s f c ( 3 z s 0 4 2 - b 2 5 0 1 9 ) a n dg a n s ud e p a r t m e n to fe d u c a t i o np r o j e c t ( 0 6 0 3 - 0 5 ) i i i 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 日期：砷年彳月多日 ， 。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密彤 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 鬣：嚣黧砷鬻乡昌 导师签名：该何狠 吼夕7 年汐月p 目 兰州珲f ：人学硕十学何论文 1 1 数控机床的概述 第一章绪论 国际信息处理联盟( i n t e r n a t i o n a lf e d e r a t i o no f i n f o r m a t i o np r o c e s s i n g 即i f i p ) 对数控机床的定义是一种装有程序控制系统的机床，该系统能够逻辑地处理具有 使用号码或是其它符号编码指令规定的程序，它是综合了微电子技术、计算机技 术、自动控制、精密测量和机床结构等方面的最新成果而发展起来的高效自动化 精密机床，是一种典型机电一体化产品，它集高效率高精度和高柔性于一身，代 表了机床发展的方向”1 。数控机床的进给伺服系统比一般机床复杂，能实现快速的 伺服控制和误差补偿，有较高的定位精度和跟踪精度，因此进给系统的精度对数 控机床整体性能有很大的影响，但是对于数控落地铣镗床而言，进给系统控制的 核心是主轴箱部分，而主轴箱部分又是该类型数控机床的核心部分，因此对数控 落地铣镗机床的主轴箱平衡控制及动力学分析的研究具有十分重要的意义。 1 1 1 数控技术的定义 数控即数字控f l ；i ( n u m e r i c a lc o n t r o l 简称n c l ，是数字程序控制的简称。它是 通过特定处理方式下的数字信息去自动控制机械装置工作，这种采用数字化信息 实现自动化控制的技术称数控技术，简称数控”1 。数字控制是相对于模拟控制而言 的，最初的数控系统是由数字逻辑电路构成的专用硬件数控系统，随着微型计算 机的发展，硬件数控系统已逐渐被淘汰，取而代之的是计算机数控系统( c o m p u t e r n u m e r i c a lc o n t r o l ，简称c n c ) 。c n c 系统是由计算机承担数控中的命令发生器和 控制器的数控系统，由于计算机可完全由软件来确定数字信息的处理过程，并可 以处理硬件逻辑电路难以处理的复杂信息，使得数字控制系统的性能大大提高。 从而数控机床具有广泛的适应性，加工对象改变时只需要改变输入的程序指令， 所以加工性能高，可以精确加工复杂型面。 1 2 数控机床的发展概况 1 2 1 国外数控机床的发展概况 在1 9 5 2 年美国麻省理工学院研制出第一台基于电子管和继电器的数控机床， 它标志着第一代电子管数控系统的诞生；1 9 5 9 年完全由固定稚线的晶体管元器件 电路所组成的第二代数控系统一晶体管数控系统被研制成功；在1 9 6 5 年出现了第 三代数控系统一一集成电路数控系统；当以计算机作为数控系统的核心部件后， 出现第四代数控系统一小型计算机数控系统；在1 9 7 4 年第五代数控系统一微型 数控落地铣镩床主轴箱动力学分析与结构设计研究 计算机数控系统也出现了“3 。 人们在2 0 世纪8 0 年代提出了丌放式控制系统的概念，并进行了研究开发工 作，现在已有多种开放式数控系统问世，如美国的d e l t a 公司的p m a c n c 开放 式数控系统将p m a c 卡( 可编程多轴运动控制器) 插入p c 机槽中，总线接口为 c a n b u s ；德国i n d r a m a t 公司的m t c 2 0 0 系列开放式数控系统将m t c - - p c n c 和m t c - - p p l c 卡插入机槽中，总线接口为s e r c o s ”1 。p o w e r a u t o m a t l 0 n 公司的p a 8 0 0 0 系列数控系统同样将p a - - c n ce n g i n e 运动控制卡插入p c 机槽 中，构成开放式的数控系统。这些成果标志着数控系统已经发展到第六代。 2 0 世纪7 0 年代，美国g a t t y s 公司发明了直流力矩伺服电机，从此数控机床开 始大量采用直流电机驱动，开环的系统逐渐由闭环的系统取代。1 9 8 0 年德国人 l e o n h a r d 为首的研究小组在应用微处理器的矢量控制的研究中取得进展，使矢量控 制实用化，使得高速加工数控机床得以实现哺3 。高速加工成为数控机床发展的趋势， 它采用了一种可使运动部件质量轻化设计“箱中箱”( b o xi nb o x ) 结构设计。 传统龙门移动式的数控铣床或加工中心则采用“高架桥式移动”结构。高速主轴 是高速机床中最为关键的部件，它主要包括电主轴、轴承、内装式电机和刀具夹 持装置四个部分。例如瑞士著名电主轴制造商f i s c h e r 公司高速主轴头模块采用金 属陶瓷轴承，主轴功率8 0 k w ，转速高达1 5 0 0 0 0 r m i n 。日本m a z a k 公司f f 5 1 0 卧式 加工中心最高进给速度4 0 m m i n ，快速移动6 0 m r a i n ，加速度l g ，电主轴也是采用 陶瓷滚珠轴承，功率1 5 k w ，转速1 5 0 0 0 r m i n 。现在国际上进给运动部件移动的速 度达到1 2 0m m i n ，切削速度6 0m r a i n ”。数控机床的高速发展经历见下表1 1 所示： 表1 1n c 机床发展的经历 速度特征6 0 年代 7 0 年代 8 0 年代9 0 年代2 1 世纪初 主轴转速( r m i n ) 1 0 0 0 - 2 0 0 02 0 0 0 4 0 0 02 0 0 0 6 0 0 04 0 0 0 - 1 0 0 0 01 0 0 0 0 4 0 0 0 0 进给速度( m m i n ) 2 - 55 1 01 0 - 1 51 5 4 02 0 - 1 2 0 加速度( g ) 0 1 - 0 20 2 - 0 4o 3 0 6o 5 一l0 5 2 换刀时间( s ) 1 5 - 3 01 0 1 55 一l o2 - 50 6 - 2 回顾数控技术的发展已经经历了两个阶段，六代的发展历程。第一阶段叫做 n c 阶段，经历了电子管、晶体管和小规模集成电路三代。自1 9 7 0 年小型计算机 开始用于数控系统就进入到第二阶段，叫做c n c 阶段，成为第四代数控系统：从 1 9 7 4 年微处理器开始用于数控系统即发展到第五代。经过十多年的发展，数控系 统从性能到可靠性都得到了根本性的提高。实际上从2 0 世纪末直至今日，在生产 中使用的数控系统大多是第五代数控系统。但第五代c n c 数控系统以及以前的各 代都是一种专用式封闭系统，而第六代数控系统开放式数控系统将代表着数控 系统的未来发展方向，将在现代制造业中发挥着越来越重要的作用。 兰州理l ：人学硕十学付论文 1 2 2 国内数控机床的发展概况 在1 9 8 5 年之前，我国的数控机床处于基本研发摸索阶段，进展非常缓慢。此 后再引进消化国外技术的基础上，进行了大量的开发工作，到1 9 8 9 年底，我国数 控机床的可供品种已超过3 0 0 种，数控车床占4 0 ，加工中心占2 7 ，其它品种为 重型机床、镗铣床、电加工机床、磨床、齿轮加工机床等”1 。 我国数控系统分为三种类型，即经济型，普及型和高级型。进入9 0 年代以来， 我国数控系统的各方面研究得到快速发展，形成了以航天数控集团、机电集团、 华中数控、蓝天数控等以生产普及型数控系统为主的国有企业，以及北一f a n u c 、 西门子数控( 南京) 有限公司等合资企业的基本力量，在一些技术上也取得了突 破，如0 1 “m 当量的超精密数控系统、数控仿型系统、非圆齿轮加工系统、高速 进给数控系统、实时多任务操作系统都已经研制成功，高速主轴制造技术 ( 1 2 0 0 0 1 8 0 0 0 r m i n ) 、快速进给( 6 0 m m i n ) 、快速换刀( 1 5 s ) 、柔性制造、快速 成型制造技术等为下一代国产数控机床的发展奠定了基础”。 1 2 3 数控机床的发展趋势 1 高速度高精度化：速度和精度是数控系统的两个重要指标，它直接关系到 加工效率和产品质量“”。首先是要求计算机数控系统在读入加工指令数据以后， 能高速度处理并计算出伺服电动机的位移量，并要求伺服电动机做出快速反应， 如主轴转速、进给率、刀具交换、托盘交换等各种关键部件实现高速化。 2 高可靠性：1 ) 提高线路集成度；2 ) 建立由设计、试制到生产的一整套质 量保证体系；3 ) 、增强故障自诊功能和保护功能。 3 多功能化：一机多功能的数控系统，可以最大限度的提高设备的利率。 4 智能化：1 ) 引进自适应控制技术：2 ) 附加入机会话自动编程等功能； 3 ) 具有设备故障自诊断能力；4 ) 引进模式识别技术。 5 集成化：1 ) 从点的控制( 数控单机控制，加工中心控制系统和数控复合加工 机床控制) 和线的控制( f m cf m sf t l f m l 等的控制) 向面的控制( 工段车自j 独立 孤岛的控制、f a 的控制) 以及体的控制( c i m s 、分布式网络集成制造系统) 的方 向发展：2 ) c a d c a p p c a m c n c 的集成发展方向，为了改变c n c 中用g 代码给 c a d c a m 集成带来的困难，1 9 7 7 年欧共体开发了一种遵从s t e p ( s t a n d a r df o r t h e e x c h a n g eo f p r o d u c em o d e ld a t a ) 标准、面向对象的数据模型，并将产品模型数据 转化标准s t e p 扩展至c n c 领域而形成的s t e p n c 标准，将实现 c a d c a p p c a m c n c 的整体集成”。 6 开放式：数控系统正由专用封闭式控制模式向通用开放式控制模式转换。 7 网络化：网络化数控系统通过信息技术和制造技术、生产管理和制造控制 融合集成，可以提高企业整体制造技术水平、生产率、创新能力和快速响应能力。 8 并联机床及其数控系统：并联机床通常由以下4 部分组成：上平台、下平 数控落地铣铧床主轴箱动力学分析与结构设计研究 台、轴向可调的6 根伸缩杆、控制系统及其软件。并联机构与串联机构的区别在 于：传递动力的部件是六条腿构成的6 个“并联”运动链，主轴平台所受的外力 由6 根杆分别承担，故每根杆受的力要比总负载少得多，且这些杆件只承受拉压 载荷，而不承受转矩和扭矩，因此具有刚度高、传力大、重量轻、末端执行件速 度快、结构简单、精度高等优点“。 1 3 本论文研究的主要内容、目的及意义 本论文以t k 6 9 1 5 型数控落地镗铣床主轴箱部分为研究对象，主要分析了该数 控机床主轴箱进给机构的特性，建立了进给系统的伺服系统的数学模型，对进给 伺服系统的特性进行了分析和其动态性能的仿真。 1 3 1 本论文研究的主要内容 ( 1 ) 在回顾数控机床及伺服系统发展的基础上，阐述了伺服系统的组成、分类 及其要求，介绍了进给伺服系统的四种基本类型：开环、半闭环、闭环及混合闭环 的结构和应用优缺点。 ( 2 ) 分别对常用几种传动副的应用、作用以及应用时须注意的问题进行了阐述 着重介绍了滚珠丝杠的工作原理、特点、支承型式、制动方式以及选用方法、安 装型式和各自优缺点进行了分析：阐述了机械参数阻尼、刚度、惯量、谐振频率和 失动量等之间的制约关系及其对系统性能的影响。 ( 3 ) 进给机构的特性是研究伺服控制方法的基础，而且从根本上决定了进给机 构所能达到的精度。对滚珠丝杠传动的进给机构，深入研究了反向间隙、摩擦等 影响进给机构动态性能的因素，提出了相应的改进方法。 ( 4 ) 建立进给系统的数学模型是研究进给系统性能的基础。本文将数控机床进 给系统抽象为伺服驱动模块和机械传动模块的串联，通过简化推导分别建立了各 自的数学模型，从而得到了进给系统的数学模型。 ( 5 ) 基于进给系统的数学模型，分别对进给控制系统的稳态误差、动念性能进 行了分析，从理论上对数控机床进给系统的定位精度加以分析。分析了系统的结 构刚度和伺服刚度，得出了传动的进给系统的扭转刚度和轴向刚度。 ( 6 ) 以t k 6 9 1 5 型数控落地铣镗床为研究对象，进一步研究了“伺服电机和滚珠 丝杠”进给系统的机构特性和动态特性。通过a n s y s 对滚珠丝杠、镗轴、立柱的 固有振动特性进行了分析，得到它们的固有频率和振型：利用m a t l a b 对整个系统 的动态性能进行了仿真，获得了反映加工中心进给系统性能的仿真曲线，给出了 各设计变量对动态特性的影响规律，为迸给伺服系统性能的提高提供了理论依据。 1 3 2 本论文研究的目的及意义 当今世界，发达工业国家对机床工业高度重视，竞相发展机电一体化、高精、 4 兰州理t 人学硕十学忙论文 高效、高自动化先进机床，以加速工业和国民经济的发展。欧、美、日等发达国 家的数控机床的技术处于世界领先地位。中国的数控机床发展缓慢，由于进给伺 服系统是数控机床的重要部分，而且它主要完成刀具相对工作位置的自动控制和 机床各坐标进给速度的控制，是影响数控机床各项性能的主要因素，因此数控机 床的工作性能取决于伺服进给系统的动态性能，如快速性、稳定性、动态静态跟 踪精度等都已成为决定数控机床可以达到进给加速度、最大进给速度、定位精度、 加工零件精度等机械加工性能的决定因素，。而进给伺服系统的机械加工性能基本 上可以用该系统的动态特征来表征。 对进给伺服系统的研究传统的研究方法是，机床在完成样机试制后，对进给 系统进行各种性能的试验，通过相关仪器获取实验数据，然后进行数据分析，评 价进给系统的性能，进而对其进行改进设计。随着现代制造业的发展，尤其是敏 捷制造的出现，这种传统的设计方法己经不能满足现代制造业的发展。近年来， 数值计算方法，特别是有限元方法的日益成熟和仿真技术迅速发展为现代设计方 法的实现提供了可能，如软件c a d ，u g ，p r o e ，a n s y s ，m a t l a b 的使用，这样 不仅可以为机床的设计提供科学而可靠的依据，同时可以节省大量的实验经费， 缩短机床的开发周期。因此，在结构设计阶段，对其的进行刚度、载荷、变形的 理论分析与动态特性的仿真，研究数控机床的进给系统的性能对整个机床性能的 影响，了解进给伺服系统的动态特性，为设计出高精、高效、高自动化的数控机 床提供理论依据与改进方案。 1 4 系统建模软件及动力学分析软件介绍 1 4 1p r o e 软件及其建模特点 p r o e n g i n e e r 自1 9 8 8 问世以来，是世界上最为普及的c a d c a m 软件，是 一个全方位的3 d 产品开发软件，它集零件设计、产品装配、模具开发、n c 加工、 钣金件设计、铸造件设计、造型设计、逆向工程，自动测量、机构模拟、压力分 析及产品数据管理等功能集于一体“。广泛应用于电子、机械、模具、工业设计、 汽车、航空航天、家具和玩具等行业。 1 3 d 实体模型 将使用者的设计概念以最真实的模型在计算机上显示出来，随时计算出产品 的体积、面积、质心、重量及惯性矩等属性，解决复杂产品之间的干涉，提高效 率，降低成本，便于设计人员与管理人员之间的交流。 2 单一数据库、全相关性 由3 d 实体模型可随时生成2 d 工程图，且自动标注工程尺寸，不论在3 d 或是2 d 图形上作尺寸修改时，相关的3 d 实体模型或是2 d 图形均自动修改，同时制造、装 配等相关设计也会自动修改，可保证资料的正确性，避免反复修改，提高设计效 5 数拧落地铣铧床主轴箱动力学分析与结构设计研究 率，确保工程数据的完整“”。 3 以设计特征作为数据库存取单位 以常规的工作模式从事设计操作，如钻孔、切槽及圆角等。充分体现设计概 念，设计过程中导入实际的制造行为，以特征作为资料存取的单元，可随时对特 征进行合理、不违反几何顺序的调整、插入、删除、重定义等修正动作。 4 参数化设计 设计者只需更改尺寸参数，几何及图形立即以尺寸变化，实现设计工作的一 致性，可避免发生人为更改图纸的疏漏。 1 4 2a n s y s 软件及其特点 a n s y s 是一种应用广泛使用有限元工程分析软件，具有多种分析能力，包括 简单的线性静态分析和复杂非线性动态分析。广泛应用于核工业、石油化工、航 空航天、机械制造、能源、船舶、军工、电子、生物医学、水利等。 1 a n s y s 软件提供的分析类型如下“： ( 1 ) 结构静力学分析；( 2 ) 结构动力学分析；( 3 ) 结构非线性分析；( 4 ) 结构 屈曲分析：( 5 ) 热力学分析；( 6 ) 电磁场分析；( 7 ) 声场分析；( 8 ) 压电分析；( 9 ) 流体动态分析。 2 a n s y s 软件分析过程分为三个阶段“”： ( 1 ) i i 处理阶段 前处理包括创建实体模型，定义单元属性，划分网格和模型修正等内容。 ( 2 ) 求解阶段 求解模块是程序用来完成对已生成的有限元模型进行力学分析和有限元求解 的。在此步骤中，用户可以定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项。 ( 3 ) 后处理阶段 a n s y s 软件的后处理阶段包括两部分：通过后处理模块p o s t l 和时问历程后 处理模块p o s t 2 6 ，通过用户界面，可以很好的得到位移、温度、应变、应力、速 度等计算结果，输出的形式是以图形显示和数据列表两种。 1 4 3m a t l a b 软件及其特点 m a t l a b 长于数值计算，能处理大量的数据，而且效率高，主要用于数据分 析、数值和符号计算、工程与科学绘图、控制系统设计、数字图像信号处理、财 务工作、建模与仿真、图形用户界面设计等“”。 1 m t a l a b 的主要功能 ( 1 ) 数掘可视化功能；( 2 ) 矩阵运算功能；( 3 ) 大量的工具箱；( 4 ) 绘图功 能；( 5 ) g u i 设计；( 6 ) s i m u l n k 仿真。 2 m a t l a b 的语言特点 6 兰州理f 1 人学硕十中仔论文 ( 1 ) 编程效率高；( 2 ) 扩展能力强，交互性好：( 3 ) 移植性、丌放性很好； ( 4 ) 语句简单内涵丰富； ( 5 ) 高效方便的矩阵和数组运算； ( 6 ) 方便的绘图功能；( 7 ) 数据读写和外部接口；( 8 ) 性能和平台支持。它支持从概念设计、算法开发、建模 仿真到实时实现的理想的集成环境，是产品开发不可缺少的工具。 1 5 课题来源 国家自然基金项目( 1 0 5 7 2 0 5 6 ) 、甘肃省自然基金项目( 3 z s 0 4 2 b 2 5 0 1 9 ) 和q 甘 肃省教育厅研究生导师项目r 0 6 0 3 0 5 ) 。 7 数挡落地铣铧床t 轴箱动力学分析与结构设计研究 第二章数控机床传动系统概述 2 1 数控机床的组成及特点 2 1 1 数控机床的组成 数控机床主要t 由控制介质、数控装置、伺服系统、测量反馈装置和机床主体 五大部分组成。数控机床各组成部分如图2 1 所示： 图2 1数控机床的组成 1 ) 控制介质是存储数控加工所需要的全部动作和刀具相对于工件位置信息的 媒介物，它记载着零件的加工程序。如穿孔带、穿孔卡、磁带及磁盘等。 2 ) 数控装置是机床实现自动加工的控制核心。它具有加工零件程序的读入、 存储、输入信息的处理和计算及加工过程的实时控制等功能。 3 ) 伺服系统是数控装置与机床的连接环节，它是以机床移动部件的位置和速 度作为控制量，它接受数控装置插补生成的进给脉冲或进给位移量，驱动机床执 行机构的运动“”。伺服系统要求有良好的快速响应性能，进给速度范围大，灵敏 而准确地跟踪指令功能和转速，具有良好的稳定性。 4 ) 测量反馈装置是由检测元件和相应的电路组成，其作用主要是检测速度和 位移，并将检测的信息反馈回控制系统，构成闭环控制。如光栅尺、编码器等。 5 ) 机床本体是指数控机床机械构造的实体。它主要包括床身、箱体、导轨、 主轴、进给机构等。 2 1 2 数控机床的特点 1 大多数数控机床采用了高性能的主轴及伺服传动系统，因此数控机床的机 械传动结构得到了简化，传动链较短。 2 为了适应数控机床连续的自动化加工，数控机床机械结构须具有较高的动 态刚度、阻尼精度及耐磨性，热变形要小。 3 更多地采用了高效传动部件，如滚珠丝杠副、直线滚动导轨等。 4 不少数控机床还采用刀库和自动换刀装置以提高机床的工作效率。 2 2 数控机床的分类 数控机床的品种繁多、规格各异，通常根据控制方式和功能进行分类“”。 1 按运动轨迹方式分类可分为三类 8 兰州理r = 人学硕十学伊论文 1 ) 点位控制数控机床：它只是控制机床移动部件的终点位置，不管移动所走 的轨迹如何，在移动过程中不进行切削，但可实现分级降速、连续降速，或是单 向定位等方法提高定位精度。 2 ) 直线控制数控机床：该类机床不仅要求具有准确的定位精度，而且还要保 证从一点到另一点之间的轨迹是一条直线，但其路线和移动速度是可以控制的。 3 ) 连续控制数控机床：它能对刀具和工件相对移动的轨迹进行连续控制，连 续切削的核心装置就是插补器，插补器能按给定的尺寸和加工速度用脉冲信号使 刀具或工件走任意斜线或圆弧。 2 按伺服系统的控制方式分类可分为三类 1 ) 开环控制数控机床：它是没有检测反馈装置，数控装置发出的指令是单向 的，如图2 2 所示，它的精度主要依靠电机的步距精度、齿轮及丝杠的传动精度， 因而精度较低。但它有结构简单，成本低和调试容易的特点。 图2 2 开环伺服系统框图 2 ) 半闭环控制数控机床：它的检测元件安装在电机或丝杠的端头，检测的电 机轴或是丝杠的转动量并与数控装置的命令相比较，如图2 3 p ) f 示，而另一部分丝 杠一螺母一工作台移动量不受控制。它的精度低于闭环，但调试方便、稳定性好， 相对于闭环成本低的特点。 图2 3 半闭环伺服系统框图 3 ) 闭环控制数控机床：采用直线位移检测元件，测量机床移动部件工作台或 是主轴箱的位置，并将测量结果反馈给数控装置与指令的移动量相比较所得差值， 将此差值放大并进行修正，至至此差值为零或是接近于零。如图2 4 从理论上讲， 闭环的精度最高，它的精度取决于测量元件的精度，但实际上机床的结构、传动 装置以及传动间隙等非线性因素都会影响精度，严重的还会使闭环系统的品质下 降甚至引起振荡。 fj 图2 4 闭环伺服系统框图 9 数控落地铣铧床t 轴箱动力学分析j 结构设计研究 3 ，按功能水平分类： 1 ) 经济型又称为低档型数控机床：它控制的轴数和联动轴数在3 轴或3 轴以下， 进给分辨率1 0 z m ，快速进给速度1 0 m m i n 。 2 ) 普及型又称中档型数控机床：它控制的轴数和联动轴数在4 轴或4 轴以下， 进给分辨率1 , w n ，快速进给速度1 0 2 0 卅m i n 。 3 ) 高档型数控机床：它控制的轴数和联动轴数在4 轴或4 轴以下，进给分辨率 0 1 朋，快速进给速度1 0 0 m m i n 。 2 3 进给机械传动装置 数控机床的进给传动系统的机械传动装置，一般都采用如图2 5 n 示传动系 统。 1 伺服电机；2 齿轮；3 是滚珠丝杠；4 丝杠螺母；5 滑枕。 图2 5 主轴箱传动系统示意图 数控机床一般采用2 5 图所示传动系统，主要基于以下原因： ( 1 ) 细化脉冲当量，以保证和提高进给的精度： ( 2 ) 改变加在电机轴上的负载扭矩，以实现与电动机输出转矩的最佳匹配： ( 3 ) 改变加在电机轴上的负载惯量，以实现与电动机惯量的最佳匹配； ( 4 ) 出于改善传动阻尼的需要，或安装联结的需要。 在传动中，除了图2 5 所示的滚珠丝杠螺母副外还有其它形式。通常进给机械 传动结构包括引导和支承执行部件的导轨、带轮传动副、滚珠丝杠螺母副或齿轮 齿条副或蜗杆蜗条副及其支承部件等。 2 3 1 丝杠螺母传动副 滚珠丝杠传动机构能将旋转运动转换为精确的轴向直线运动，相对于滑动丝 杠，滚珠丝枉在丝杠和螺母的滚道之间放置了滚珠，因此具有高精度、高效率和 低摩擦的特点，在数控机床中广泛应用。 2 3 1 1 滚珠丝杠螺母副的工作原理 滚珠丝杠螺母副的结构原理如图2 6 所示“。在丝杠3 和螺母1 上都有半圆弧形 的螺旋槽，当它们套装在一起时便形成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠回管道b 将几圈螺旋滚道的两端连接起来构成封闭的循环滚道，并在滚道内装满滚珠2 。当 丝杠3 回转时，滚珠2 相对于螺母1 上的滚道按箭头方向滚动。因此丝杠3 与螺母1 中 1 0 兰州珲i 人学硕十中何论文 | 、日j 基本是滚动摩擦。为了防止滚珠2 从螺母1 中掉出来，在 螺母1 的螺旋槽两端应有挡珠器挡住，并有回路管道b 使它 的两端连起来，使滚珠从螺旋的一端a 滚入螺母1 体后，沿 着这个回路管道b 重新滚回到管道的另一端c ，以进行循环 不断的流动。 图2 6 丝杠螺母结构原理图 2 3 1 2 滚珠丝杠副的特点 1 传动效率高，摩擦损失小。 滚珠丝杠的传动效率r l = o 9 2 o 9 6 ，而一般的 常规( 滑动) 丝杠螺母副传动效率1 1 = 0 2 0 o 4 0 ，效率高3 4 倍。 2 给于适当的预紧，可以消除丝杠和螺母螺纹之间的间隙。这样反行程就不 会有空程死区，反向定位精度高，轴向刚度也较高。 3 传动平稳，无爬行现象，传动精度高。因为滚珠丝杠副是滚动摩擦，摩擦 阻力小，摩擦阻力的大小基本与速度无关，这样传动平稳，无爬行现象，故传动 精度高 4 有可逆性。因为滚珠丝杠副是滚动摩擦，滚动摩擦阻力小，从而直线运动 和旋转运动可以相互转换，即螺母和丝杠可以互为主动件和从动件。 5 磨损小，使用寿命长。 6 制造工艺复杂。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度高，表面粗糙度也要求 高，一般都要磨削成型表面，故制造成本高。 7 不能自锁。特别是垂直丝杠，由于自重惯性力的作用，下降时当传动切断 后，不能立即停止运动，需要附加制动装置。 2 3 1 3 滚珠丝杠副的参数 1 丝杠导程h ，丝杠导程的大小根据机床的加工精度来确定的，加工精度要求高时，丝杠导 程就应该取小些，这样丝杠上的摩擦阻力矩也就小。由于丝杠要具有一定的承载 力，滚珠的直径d 不能太小。但如果丝杠导程小的话，滚珠直径减小，丝杠直径不 变的情况下，螺旋升角减小传动效率减小。所以在满足加工精度的前提下，丝杠 导程尽量取大些。通常丝杠副的常用的丝杠导程h = 5 、6 、8 、1 0 、1 2 m m 等。 2 公称直径d 按工作滚珠中心圆而定的直径，它与承载能力有关，有些文献介绍，滚珠丝 杠的公称直径应该大于丝杠工作长度的1 3 0 。数控机床一般常用的进给丝杠，其 公称直径一般为d = 0 3 0 0 8 0 m m 。 3 滚珠直径d o 滚珠丝杠副的滚珠直径d 。是按轴承厂制造的滚珠尺寸选用的。从承载能力而 数控落地铣铧床十轴箱动力学分析与结构蹬计研究 占，滚珠直径尽可能选的大些，但螺距h 确定以后，滚珠直径是受丝杠相邻两螺纹 问的凸起部分宽度所限制。一般而言，滚珠丝杠可取d o z 0 5 h 。 4 滚珠的工作圈数j 和工作滚珠总数n 在每一个循环回路中，各圈滚珠所受到的轴向负载是不均匀的，根据实验滚 珠在第一圈约占总负载的5 0 ，而在第二圈约占总负载的3 0 ，在第三圈约占总负 载的2 0 。因此，滚珠丝杠螺母副中的每一个循环回路滚珠的工作圈数_ ! i = 2 5 3 5 圈，工作圈数j 3 5 意义不大。工作滚珠的总数n ，一般不超过1 5 0 个。过多容易引 起流通不畅而堵塞，一般从单回路改为双回路式，也可以加大滚珠丝杠的直径或 是加大滚珠的直径来解决；滚珠太少会使得每个滚珠所受的负载加大，弹性变形 变大，传动误差变大。 2 3 2 滚珠丝杠螺母副的选用 目前我国数控机床上用的滚珠丝杠螺母副的精度标准为四级：p 一普通级、b 一标准级、j 一精密级和c 一超精密级。各级精度所规定的各项允许差可查手册。 一般的数控机床可选用标准级，精密数控机床可选精密级或超精密级，选用可参 考下表2 1 所示。 表2 1 各类数控机床对滚珠丝杠副的精度要求胁1 坐标方向 机床类型 xyzw 纵向竖直方向横向刀杆、镗杆 数控压力机 bb 数控绘i 茎i 机bb 数控午床b ，j b 数控磨床 jj 数控线切割机jj 数控钻床bpb 数控铣床 bbb 数控镗床jj j b 数控坐标镗床j ，cj ，cj ，c j 自动换刀数控机床 j ，c j ，c j ，c b 坐标镗床、螺纹磨床 j ，c j c j ，cj 仪表机床j ，cj ，cj ，c 普通机床、通用机床 ppp 在设计和选用滚珠丝杠螺母副时，首先要确定螺距、名义直径、滚珠直径等 兰州理l 人学硕十学伊论文 主要参数。选择螺距时，一般应根据丝杠的承裁能力和刚度的要求，首先确定名 义直径，然后根据名义直径尽量取较大的螺距，因为螺距越小，在一定轴向力作 用下摩擦力矩较小：但螺距小时( 滚珠也小) ，导致滚珠承载能力明显下降。另外， 如滚珠名义直径一定时，螺距减小，螺旋升角随之减小，传动效率也随之降低。 丝杠的名义直径是指滚珠中心圆的直径，根据承受的载荷来选择。名义直径愈大， 丝杠承载能力和刚度愈大。滚珠直径对承载能力有直接的影响，应尽可能的取较 大的数值。 对于各级精度的滚珠丝杠螺距允差和积累螺距允差，不应低于下表2 2 所示的 规定。为了提高数控机床进给系统的刚度，要在滚珠丝杠安装以后施加预紧拉力， 此时丝杠的累积螺距误差应取负值，其数值大小取决于预紧拉力的大小口”。 表2 2 滚珠丝杠螺