推板式造波机的机械结构设计（全套CAD图纸+设计说明书+翻译）
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板式
造波机
机械
结构设计
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摘 要
二十一世纪是海洋的世纪，世界上各个国家越来越重视对海洋资源的开发，对船舶工程、海洋工程的研究也越来越多。在实验室相对稳定的情况下通过造波机对波浪进行模拟实验是目前最行之有效的研究海洋波浪的方法。通过在实验室的水池中模拟自然界中各种波形的波浪，然后对这些数据进行深入分析和研究，可以为工程建设提供可靠的理论依据。在众多的波浪模拟设备中，推板式造波机是当前最主流的一种，在很多的海洋工程实验室中发挥着非常重要的作用。本文通过对几种传动方式的比较，选定了滚珠丝杠作为传动装置，滚珠丝杠作为传动装置，运行平稳，可靠性高，非常适合用于推板式造波机。根据造波要求设计出整体的机械结构，对主要部件进行了校核及有限元分析，最终设计出完整的推板式造波机。
关键词：造波机；推板式；滚珠丝杠
- 内容简介：
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011 6, 70174 to in of by of a of of of a of of 珠丝杠进给 驱动的建模 斯图加特， 2011 年二月 德国，斯图加特，丝绸之路 36,70174斯图加特大学，机床与加工设备控制工程学院（ 邮箱 ：址 ： 要 ： 滚珠丝杠 进给驱动 是 为高速机床提供线性运动最常用的机构 ， 这种驱动系统的位置精度和可实现的 闭环带宽通常受限于机械部件的结构振动模式。 更高的 订单工厂模型能够 更好地了解系统 动力学 ,改进 进给 驱动 的 设计过程 并且对于 先进的控制策略的发展至关重要。 这项工作提出了明确 的安排和通用的模型 ,能够表达滚珠丝杠进给驱动 的相关动态 。 关键词 ： 机床 仿真 滚珠丝杠 可塑性 in of of in as as . In in at an to of of a to in a be as a of of a on of is of on on as as on of of be in of of by of on as as on In of a a of In a be by a 绍 在机床和生产单位中常用动力进给驱动代表具有多个自由度（ 各种本征模式的复杂 机械结构 。许多科学著作已经 介绍过 这样的驱动系统的仿真，采用有限元法（ 合理的 复杂建模技术 尽可能详细得阐述 动力学 形态 。相反本文介绍的方法 致力于 寻找一个直观和易于使用的模型，能够表达滚珠丝杠进给驱动 相对于他们的机床应用 最相关的特性。一般讲滚珠丝杠 进给驱动可被描述 为具有三种不同类型的本征模式的一个系 统：轴向，旋转和弯曲模式。典型地， 滚珠丝杠的 第一 种 轴向和旋转模式 表现出了 对整体动力学 的 主导影响而高阶模 的相关性对于 大部分技术应用 是相当小的。 弯曲模式 的激励 和其对进给运动 的影响很大程度上取决于制造和装配公差以及 驱动系统的操作条件。假定 在 正确的安装和运行条件下，弯曲模式的激励 是相当小的，因此将 在 本文的条件下 被忽略 。 两个主要的振动自由度，即在轴向和旋转模式的，主要 是由滚珠丝杠轴的 几何尺寸和 间距所 影响。取决于系统的传动比，以及操作条件 是否 表现定性和定量非常不同。 然而，在大多数情况下，进给驱动的配置 也要顾及到 系统特性 的简单近似。在 下文中，一种关于 滚珠丝杠进给驱动 的 实际应用为导向的建模技术将 会得出并用测量结果进行验证。 机床中的滚珠丝杠进给驱动 图 1 示出一个典型的滚珠丝杠结构 及其相关 In to of is an in of in is by , as of h of i=h/2 (1) a of in 1 of a of a is by of of a on on of a of a of 2 of a 件。在这种情况下，伺服电机和轴承被固定在机座上并且 伺服电动机的转矩通过弹性联轴器 传递 到 滚珠丝杠轴 上 。图 1 中 未 显 示出 的 是 能将 机台的 运动 约束在轴向方向上的直线导轨。从转动转变成线性运动是由滚珠丝杠系统以其传动比 i（轴旋转一周所推进的行程 h）实现的 。 i=h/2 (1) 厂商提供了各种各样的具有不同结构设计、尺寸和传动比的滚珠丝杠 系统。当前可用的节距介于 3 倍的滚珠丝杠直径之间，但在机床的应用中最常用的是 1 倍的。 1 滚珠丝杠进给驱动的示意性配置。 这种驱动系统的动力学行为在很大程度上受滚珠丝杠轴的物理尺寸的影响。直径与所述轴的长度对总刚度 和 驱动系统的动力学行为产生决定性的影响。图 2 显 示出一个测得的滚珠丝杠驱动 的 频 率响应 ，从电机和机械表的速度的比较而得。 图 2 测得的滚珠丝杠进给驱动频率响应 f1 in an of be to an of is a of it is to an a on In of a on of is to 5. of of At it be of is of On is to as of a of of of a in to be of is by of 6,7. In to a of 8,9. in of 于 滚珠丝杆 进给 驱动器 的特征来说 ，显而易见 的 是两个主要的的特征频率 图 2 中 的第一本征频率 表示一个机器 工作台的轴向振动 ， 而第二本征频率可以主要归因于转动的角偏转系统。尽管每个模式是轴向和角变形的结果 ,根据 主要的变形 将 轴向和转动模式 分类 是很 方便 的 。在这两种情况下 滚珠丝杆轴 的 弹性对本征频率的绝对值有 很大的影响。这是由于这样的事实 :轴代表了 驱动系统 中硬度最低的组件5。此外滚珠螺杆轴的性能 不是常数而是 在机床工作台的行程范围内改变 。此时需要注意的是 ,对于大多数技术应用 ， 轴向模式 的本征频率 清晰的 小于旋转模式 。因为这个原因 轴向模式通常被称为滚珠 丝杠 进给驱动 的 第一 本征频率。 当考虑到位置控制 进给驱动 的动力学行为 时 ， 机械系统的结构振动模式是特别重要的。特别是在高速应用、高加速度和 跳动量 可以激发 机械结构 时 ,因此必须考虑优化控制器。当使用级联制器 ,闭环带宽和 进给驱动的 跟踪精度 直接受限于 机械系统 的第一本征频率6、 7。在类似的外部激励如切削力会导致不必要的振动和稳定性问题。更复杂的控制策略使用 工厂模式 打算补偿这些负面影响 ,要求机械系统的详细信息 和 更好的理解 (8、 9)。 因此对 更高动力 、更好的 跟踪精度 的机床的需求伴随着高效和准确的进给驱动模型出现了 。 n to of on of a of to is up EM a of We a we of of of of as in is of an of of on In to by i, is on of 3 of a 种不同建模技术 的 比较 为了检查轴对 滚珠 丝杠 传动的整体动力学行为 的影响， 两种拥 有不同 复杂度的 简化模型被引入并与 另 一个 相比较 。第一个模型是在 弹簧，减震器，大量元素和铁木辛哥梁单元的组合建立的 。我们称这种模式为 混合模式，因为我们使用的离散和连续配方元素。 系统 的相关 轴向和 旋转弹性 ， 即 固定轴承 （ 包括安装轴承 ）的 轴向刚性 珠丝杠螺母的刚性 耦合的扭转刚性个人阻尼值被视为在同等程度。该轴包括相关的轴向和扭转特性，以 铁木辛柯 梁元件 来 建模 并且 与周围弹簧和减震器 相 耦合 。这提供了在轴的结构性能和其对整体动力学行为影响的精确检验的可能性。 为了与 真正的机械系统 保持一致，旋转和轴向运动通过 传动比 i 联接在一起 ，这是使用约束方程的参与自由度模型耦合。图 3描述了这种混合模式的组合物。 图 3 滚珠丝杠驱动的混合模型 is to as a to it be In of an a by of to an up of in as of of of as as to 4 of a is of of is as a . of of be . 第二个模型，完全使用集总的物理特性，被称为一个离散模型。由于它的简单，可以直接 通过算机辅助控制工程工具） 建模 ，利用现有的 类似 榫眼、积分器 和基本的数学运算 的标准块 。在这种情况下， 轴的特征分离成两个不同的分支， 轴向分支 和 转动分支。因为所有组件是由分立的弹簧和减震器表示，轴，联轴器和轴承的刚度值被组合到一个整体的轴向 值 旋转值 图 4 表 示建立离散模型的原理。在每个模型中的各个参数，如机械表的质量， 滚珠丝杠轴 的质量，轴和电机的转动惯量，以及刚性和对应于它们物理值的阻尼因子 。 图 . 4 滚珠丝杠进给驱动的离散模型 这种方法 的 前提 条件 是对所述轴的轴向和旋转刚度 值两者之一有足够的 定义。为了这个目的，轴被认为作为 实心钢棒 （杨氏模量，剪切模量，密度）。滚珠丝杠 的尺寸 ，即等效直径，长度和有效长度，轴的轴向和旋转刚度值，并可以使用等式 4 至 6 来近似。 of fs of a on 10 be . of on is of In an of to . is be on of 11 it is of up 5%. of in is to be of in 注意，轴的备选转动刚性 与 已使用的固体的本征频率 似，在一侧上的固定杆，可根据 10利用公式 6 进行计算 。采用这种方法，轴的轴向刚性依赖于有效长度 穿于整个机台 行程范围 的常数 。在下面的两个模型已根据表 1 检测具有相同的参数集。 表 1 模拟得出的参数值 是进一步应该注意的是，确切的当量直径取决于滚珠丝杠的所有几何参数，包括螺距。在 11中示出，该主轴螺距可以影响滚珠丝杠轴向和扭转刚度高达 15。为简单起见，在此工作的滚珠丝杠直径被选择为恒定。 模拟结果，即该进给驱动的前两个本征频率，列于表 2。 of As of on of of In to to a of in be to of in 5 of 2 不同质量、螺距和工作台位置下的滚珠丝杠驱动模型的第一和第二本征频率 。 正如预期的第一特征频率的值很大程度上取决于质量和机床工作台的位置：质量 越大， 机床工作台 和 固定轴承 之间的距离越远，第一特征频率的 值越 小。相比，第二本征频率 在不同的工作 条件下 似乎 改变 得 不 是 特别 明显。两种型号都表明，旋转模式仍然是在一个 很大 的参数 范围 内 几乎 保持 不变。 在图 5 中表现出的混合模型和 离散模型之间的差异可以归因于在离散模型的轴的简化表示。 图 5 滚珠丝杠驱动的 混合模型和离散模型 之间的部分 不同 it be as as of on by of of of on be as In of on be to of of of of a be . of a an of a of In of in be to on an of t 图 5 可以看出 ,绝对的区别以及本征频率的 参数敏感性很大程度上取决于轴向和转动之间的交互模式 ,决定于 滚珠丝杆的传动比。随着传动比的 增加， 轴的转动刚度对整个轴向刚度 的 影响 增加。位置的依赖 ,有效轴向刚度可以表示如下。 然而 ,在许多情况下 由于滚珠丝杆的传动比 ， 轴 的转动刚度 对轴向模式的影响 可以被忽视。有效轴向刚度和转动 模式 的一致性 知识 ,这两种 滚珠丝杠驱动 典型 本征频率 可以使用方程 8 和 9 近似 计算 。 尽管 选择 的 简化离散模型显示了滚珠 丝杠 系统 前两个 本征频率的好的结果 。这考虑到 一个直观、清楚的对 动态行为 的计划模拟 ,大范围的参数 有效 并且 适用于大多数实际应用。在接下来的一章离散模型的仿真结果如图 4 所示将与 一个实际的机床 进给驱动测量值相 比 较 。 模型的实验验证 斯图加特大学的机床和制造 设备 at a of on is on on a up to in . of on s to of to at 6 at 控制工程研究所 (有 各种各样的 具有不同尺寸滚珠丝杠 和 不同的传动比的 测试 平 台 。虽然这个主题的研究是基于 不同的滚珠丝杠类型 的 实验 , 根据表 格 3 中的 规格 ， 以下测量集中在一个典型 为机床设置 的滚珠 丝杠 。用于仿真的参数符合试验装置。刚度和质量的值是 基于 制造商的数据而阻尼因素 与 经验值 是一致的 。 表 给定进给 驱动各种测量进行 并比较了 离散模型的仿真结果。图 6和 7 示范性 的展 示 了 在不同的操作条件 下 给定的进给驱动模拟和测量 的 频率响应。 图 6 在不同 机床 工作台 位置 的进给驱动模拟和测量 的 频率响应。 7 to of of of s a be of is by of on of of as in be by of an 0 dB/by at is of at is to of to an in is by of in at of it is of a on of of of a to a 7 在不同的机床工作台 质量 下模拟和测量 的 频率响应。 离散模型用于描述机械系统 显示了 与实际的 进给驱动 行为良好的一致性。尽管选择简化和 不精确的 制造商的数据 ,可以实现良好的可预见性。此外 ， 从属于本征频率的 预测参数是 通过 测量结果 确定的 。轴向模式 的 频率 变化取决于机床工作台的 质量和 位置 ， 而滚珠丝杠传动 的 转动 模式 （ 的频率 ） 几乎 保持 不变。旋转 模式 的不变性 有利于 操作环境 ,已经 在 上述仿真中 被察觉 ,可以 通过 机械系统 的低通特性来 解释 。在第一个系统 的 本征频率 的 振幅 经历 20 剧 下降 后 。因此 伺服传动装置 施加
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