推板式造波机的机械结构设计（全套含CAD图纸）
收藏
资源目录
压缩包内文档预览：
编号：7069017
类型：共享资源
大小：9.88MB
格式：ZIP
上传时间：2018-01-08
上传人：机****料
认证信息
个人认证
高**（实名认证）
河南
IP属地：河南
30
积分
- 关 键 词：
-
板式
造波机
机械
结构设计
全套
cad
图纸
- 资源描述：
-
- 内容简介：
-
EXPEDIENTMODELINGOFBALLSCREWFEEDDRIVESSTUTTGART,FEBRUARY2011INSTITUTEFORCONTROLENGINEERINGOFMACHINETOOLSANDMANUFACTURINGUNITSISW,UNIVERSITYOFSTUTTGART,SEIDENSTRAE36,70174STUTTGART/GERMANYALEXANDRUDADALAUISWUNISTUTTGARTDEWWWISWUNISTUTTGARTDEABSTRACTBALLSCREWFEEDDRIVESARETHEMOSTCOMMONLYUSEDMECHANISMTOPROVIDELINEARMOTIONINHIGHSPEEDMACHINETOOLSPOSITIONACCURACYANDTHEACHIEVABLECLOSEDLOOPBANDWIDTHOFSUCHDRIVESYSTEMSAREUSUALLYLIMITEDBYTHESTRUCTURALVIBRATIONMODESOFTHEMECHANICALCOMPONENTSHIGHERORDERPLANTMODELSALLOWFORABETTERUNDERSTANDINGOFTHESYSTEMDYNAMICS,IMPROVETHEDESIGNPROCESSOFFEEDDRIVESANDAREESSENTIALFORTHEDEVELOPMENTOFSOPHISTICATEDCONTROLSTRATEGIESTHISWORKPRESENTSACLEARLYARRANGEDANDVERSATILEMODEL,CAPABLEOFEXPRESSINGTHERELEVANTDYNAMICSOFBALLSCREWFEEDDRIVESKEYWORDSMACHINETOOLSIMULATIONBALLSCREWPLASTICITY滚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（ISW）邮箱ALEXANDRUDADALAUISWUNISTUTTGARTDE网址WWWISWUNISTUTTGARTDE摘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INTRODUCTIONDYNAMICALFEEDDRIVESCOMMONLYUSEDINMACHINETOOLSANDPRODUCTIONUNITSREPRESENTCOMPLEXMECHANICALSTRUCTURESWITHMULTIPLEDEGREESOFFREEDOMDOFANDVARIOUSEIGENMODESNUMEROUSSCIENTIFICWORKSHAVEDEALTWITHTHESIMULATIONOFSUCHDRIVESYSTEMS,USINGFINITEELEMENTMETHODSFEMANDCOMPLEXMODELINGTECHNIQUESINORDERREPRESENTTHEDYNAMICALBEHAVIORASDETAILEDASPOSSIBLE13INCONTRARYTHEAPPROACHPRESENTEDINTHISPAPERAIMSATFINDINGANINTUITIVEANDEASYTOUSEMODEL,CAPABLEOFEXPRESSINGTHEMOSTRELEVANTCHARACTERISTICSOFABALLSCREWFEEDDRIVEWITHRESPECTTOTHEIRAPPLICATIONINMACHINETOOLSGENERALLYSPOKENABALLSCREWDRIVECANBECHARACTERIZEDASASYSTEMWITHTHREEDIFFERENTTYPESOFEIGENMODESAXIAL,ROTATIONALANDFLEXURALMODESTYPICALLYTHEFIRSTAXIALANDROTATIONALMODEOFTHEBALLSCREWSHOWADOMINANTINFLUENCEONTHEOVERALLDYNAMICSWHILETHERELEVANCEOFHIGHERORDERMODESFORMOSTTECHNICALAPPLICATIONSISRATHERSMALLTHEEXCITATIONOFTHEFLEXURALMODES4ANDTHEIREFFECTONTHEFEEDMOTIONGREATLYDEPENDONFABRICATIONANDMOUNTINGTOLERANCESASWELLASONTHEOPERATINGCONDITIONSOFTHEDRIVESYSTEMPRESUMINGPROPERMOUNTINGANDOPERATINGCONDITIONS,THEEXCITATIONOFTHEFLEXURALMODESARECONSIDERABLYSMALLANDTHEREFOREWILLBENEGLECTEDINTHECOURSEOFTHISPAPERTHETWODOMINANTVIBRATIONALDEGREESOFFREEDOM,NAMELYTHEAXIALANDROTATIONALMODE,AREPRIMARILYINFLUENCEDBYTHEGEOMETRICALDIMENSIONSANDTHEPITCHOFTHEBALLSCREWSHAFTDEPENDINGONTHETRANSMISSIONRATIOASWELLASONTHEOPERATINGCONDITIONSTHESYSTEMCANBEHAVEQUALITATIVELYANDQUANTITATIVELYVERYDIFFERENTINMOSTCASESHOWEVER,THECONFIGURATIONOFAFEEDDRIVEALLOWSFORASIMPLEAPPROXIMATIONOFTHESYSTEMSCHARACTERISTICSINTHEFOLLOWINGAPRACTICALANDAPPLICATIONORIENTEDMODELINGTECHNIQUEFORBALLSCREWFEEDDRIVESWILLBEDERIVEDANDVERIFIEDBYMEASUREMENTRESULTSBALLSCREWFEEDDRIVESFORMACHINETOOLSFIGURE1SHOWSATYPICALBALLSCREWASSEMBLYWITH介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（DOF）和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（FEM）和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ITSRELEVANTCOMPONENTSINTHISCASESERVOMOTORANDBEARINGSAREFIXEDTOTHEMACHINEBASEANDTHETORQUEOFTHESERVOMOTORISTRANSMITTEDTHROUGHANELASTICCOUPLINGONTOTHEBALLSCREWSHAFTNOTDEPICTEDINFIGURE1ARETHELINEARGUIDEWAYSCONSTRAININGTHEMOVEMENTOFTHEMACHINETABLEINAXIALDIRECTIONTHETRANSFORMATIONFROMTHEROTATIONALINTOTHELINEARMOTIONISREALIZEDBYTHEBALLSCREWSYSTEMWITHITSTRANSMISSIONRATIOI,DEFINEDASTHEDISTANCEOFTRAVELHDURINGONEREVOLUTIONOFTHESHAFTIH/21MANUFACTURERSPROVIDEAGREATVARIETYOFBALLSCREWSYSTEMSWITHDIFFERENTCONSTRUCTIVEDESIGNS,DIMENSIONSANDTRANSMISSIONRATIOSTHEAVAILABLEPITCHESNOWADAYSLIEBETWEEN005AND3TIMESTHEBALLSCREWDIAMETER,WHILEFORMOSTAPPLICATIONSINMACHINETOOLSVALUESBETWEEN025AND1AREBEINGUSEDFIG1SCHEMATICCONFIGURATIONOFABALLSCREWFEEDDRIVETHEDYNAMICALBEHAVIOROFSUCHADRIVESYSTEMISGREATLYINFLUENCEDBYTHEPHYSICALDIMENSIONSOFTHEBALLSCREWSHAFTDIAMETERANDLENGTHOFTHESHAFTHAVEADECISIVEIMPACTONTHEOVERALLRIGIDITYANDTHEREFOREONTHEDYNAMICALBEHAVIOROFTHEDRIVESYSTEMFIGURE2SHOWSAMEASUREDFREQUENCYRESPONSEOFABALLSCREWDRIVE,DERIVEDFROMTHECOMPARISONOFMOTORANDMACHINETABLEVELOCITYFIG2MEASUREDFREQUENCYRESPONSEOFABALLSCREWFEEDDRIVE组件。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。IH/21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005和3倍的滚珠丝杠直径之间，但在机床的应用中最常用的是025至1倍的。FIG1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CLEARLYNOTICEABLEARETHETWODOMINANTEIGENFREQUENCIESF1ANDF2,CHARACTERISTICALFORBALLSCREWFEEDDRIVESTHEFIRSTEIGENFREQUENCYINFIGURE2REPRESENTSANAXIALOSCILLATIONOFTHEMACHINETABLEWHILETHESECONDEIGENFREQUENCYCANBEPRIMARILYASCRIBEDTOANANGULARDEFLECTIONOFTHEROTATIONALSYSTEMALTHOUGHEACHMODEISARESULTOFAXIALANDANGULARDEFORMATIONS,ITISCONVENIENTTOCLASSIFYANAXIALANDAROTATIONALMODEDEPENDINGONTHEPREDOMINANTDEFORMATIONINBOTHCASESTHEFLEXIBILITYOFTHEBALLSCREWSHAFTHASAMAJORINFLUENCEONTHEABSOLUTEVALUEOFTHEEIGENFREQUENCIESTHISISDUETOTHEFACTTHATTHESHAFTREPRESENTSTHECOMPONENTWITHTHELEASTRIGIDITYWITHINTHEDRIVESYSTEM5FURTHERMORETHEPROPERTIESOFTHEBALLSCREWSHAFTARENOTCONSTANTBUTCHANGEOVERTHETRAVELRANGEOFTHEMACHINETABLEATTHISPOINTITSHOULDBENOTEDTHATFORMOSTTECHNICALAPPLICATIONSTHEEIGENFREQUENCYOFTHEAXIALMODEISARTICULATELYSMALLERTHANTHATOFTHEROTATIONALMODEONTHISACCOUNTTHEAXIALMODEISOFTENREFERREDTOASTHEFIRSTEIGENFREQUENCYOFABALLSCREWFEEDDRIVETHESTRUCTURALVIBRATIONMODESOFTHEMECHANICALSYSTEMAREOFPARTICULARIMPORTANCEWHENCONSIDERINGTHEDYNAMICALBEHAVIOROFAPOSITIONCONTROLLEDFEEDDRIVEESPECIALLYINHIGHSPEEDAPPLICATIONS,HIGHACCELERATIONANDJERKVALUESCANEXCITETHEMECHANICALSTRUCTUREANDTHEREFOREHAVETOBECONSIDEREDWHENTUNINGTHECONTROLLERWHENUSINGCASCADEDPPOSITIONPIVELOCITYCONTROLLER,THECLOSEDLOOPBANDWIDTHANDTRACKINGACCURACYOFTHEFEEDDRIVEISDIRECTLYLIMITEDBYTHEFIRSTEIGENFREQUENCYOFTHEMECHANICALSYSTEM6,7INSIMILARMATTEREXTERNALEXCITATIONSEGCUTTINGFORCESCANCAUSEUNWANTEDOSCILLATIONSANDSTABILITYPROBLEMSMORESOPHISTICATEDCONTROLSTRATEGIESUSINGPLANTMODELSINTENDTOCOMPENSATETHESENEGATIVEEFFECTS,REQUIRINGDETAILEDINFORMATIONANDAGOODUNDERSTANDINGOFTHEMECHANICALSYSTEM8,9THEDEMANDFOREVENHIGHERDYNAMICSANDBETTERTRACKINGACCURACYINMACHINETOOLSTHEREFOREGOESALONGWITHHIGHLYEFFICIENTANDACCURATEFEEDDRIVEMODELSCOMPARISONOFTWODIFFERENT对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F1和F2。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PPOSITIONPIVELOCITY控制器,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。MODELINGTECHNIQUESINORDERTOEXAMINETHEINFLUENCEOFTHESHAFTONTHEOVERALLDYNAMICALBEHAVIOROFABALLSCREWDRIVE,TWOSIMPLIFIEDMODELSWITHDIFFERENTDEGREESOFCOMPLEXITYAREBEINGINTRODUCEDANDCOMPAREDTOONEOTHERTHEFIRSTMODELISBUILTUPINFEMUSINGACOMBINATIONOFSPRINGS,DAMPERS,MASSELEMENTSANDTIMOSHENKOBEAMELEMENTSWECALLTHISMODELAHYBRIDMODELSINCEWEAREUSINGDISCRETEANDCONTINUOUSFORMULATIONELEMENTSTHERELEVANTAXIALANDROTATIONALFLEXIBILITIESOFTHESYSTEM,NAMELYTHEAXIALRIGIDITYOFTHEFIXEDBEARINGINCLUDINGTHEMOUNTINGKBEARING,THERIGIDITYOFTHEBALLSCREWNUTKNUTANDTHETORSIONALRIGIDITYOFTHECOUPLINGKCOUPLINGAREBEINGEXPRESSEDASLINEARSPRINGSTHEINDIVIDUALDAMPINGVALUESARETREATEDINEQUALMEASURETHESHAFTINCLUDINGBOTH,RELEVANTAXIALANDTORSIONALCHARACTERISTICS,ISMODELEDWITHTIMOSHENKOBEAMELEMENTSANDCOUPLEDWITHTHESURROUNDINGSPRINGSANDDAMPERSTHISPROVIDESTHEPOSSIBILITYOFANEXACTEXAMINATIONOFTHESTRUCTURALBEHAVIOROFTHESHAFTANDITSINFLUENCEONTHEOVERALLDYNAMICALBEHAVIORINCONCORDANCETOTHEREALMECHANICALSYSTEM,ROTATIONALANDAXIALMOTIONARECOUPLEDBYTHETRANSMISSIONRATIOI,WHICHISMODELEDUSINGCONSTRAINTEQUATIONSONTHEINVOLVEDDOFFIGURE3DEPICTSTHECOMPOSITIONOFTHISHYBRIDMODELFIG3HYBRIDMODELOFABALLSCREWDRIVE两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FEM用弹簧，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KBEARING，滚珠丝杠螺母的刚性KNUT和耦合的扭转刚性KCOUPLING被表示为线性弹簧。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THESECONDMODEL,ENTIRELYUSINGLUMPEDPHYSICALFEATURES,ISREFERREDTOASADISCRETEMODELDUETOITSSIMPLICITYITCANBEDIRECTLYMODELEDWITHCACETOOLSCOMPUTERAIDEDCONTROLENGINEERINGTOOLS,USINGAVAILABLESTANDARDBLOCKSLIKEGAINS,INTEGRATORSANDBASICMATHEMATICALOPERATIONSINTHISCASETHECHARACTERISTICSOFTHESHAFTARESEPARATEDINTOTWODIFFERENTBRANCHES,ANAXIALANDAROTATIONALBRANCHSINCEALLCOMPONENTSAREEXPRESSEDBYDISCRETESPRINGSANDDAMPERS,THERIGIDITYVALUESOFSHAFT,COUPLINGANDBEARINGARECOMBINEDTOANOVERALLAXIALKAXANDROTATIONALVALUEKROTFIGURE4SHOWSTHEPRINCIPLESETUPOFTHEDISCRETEMODELTHEINDIVIDUALPARAMETERSINEACHMODELSUCHASTHEMASSOFTHEMACHINETABLE,THEMASSOFTHEBALLSCREWSHAFT,THEROTARYINERTIAOFSHAFTANDMOTOR,ASWELLASTHERIGIDITYANDDAMPINGFACTORSCORRESPONDTOTHEIRPHYSICALVALUESFIG4DISCRETEMODELOFABALLSCREWFEEDDRIVEPRECONDITIONFORTHISAPPROACHISTHEDEFINITIONOFADEQUATE,ALTERNATIVEVALUESFORTHEAXIALANDROTATIONALRIGIDITYOFTHESHAFTFORTHISPURPOSETHESHAFTISCONSIDEREDASASOLIDSTEELRODYOUNGMODULUS,SHEARMODULUS,DENSITYWITHTHEDIMENSIONSOFTHEBALLSCREW,NAMELYEQUIVALENTDIAMETER,LENGTHANDEFFECTIVELENGTH,THEAXIALANDROTATIONALRIGIDITYVALUESOFTHESHAFTANDCAN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CACE工具（计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KAX和旋转值KROT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。BEAPPROXIMATEDUSINGEQUATIONS4THROUGH6NOTICETHATTHEALTERNATIVEROTATIONALRIGIDITYOFTHESHAFTHASBEENAPPROXIMATEDUSINGTHEEIGENFREQUENCYFSOFASOLID,ONONESIDEFIXEDRODWHICHCANACCORDINGTO10BECALCULATEDUSINGEQUATION6WITHTHISAPPROACHTHEAXIALRIGIDITYOFTHESHAFTDEPENDSONTHEEFFECTIVELENGTHLEFFWHILETHEROTATIONALRIGIDITYISCONSIDEREDCONSTANTTHROUGHOUTTHETRAVELRANGEOFTHEMACHINETABLEINTHEFOLLOWINGBOTHMODELSHAVEBEENEXAMINEDWITHANIDENTICALSETOFPARAMETERSACCORDINGTOTABLE1TABLE1PARAMETERVALUESUSEDFORTHESIMULATIONSFURTHERISSHOULDBENOTICEDTHATTHEEXACTEQUIVALENTDIAMETERDEPENDSONALLGEOMETRICPARAMETERSOFTHEBALLSCREW,INCLUDINGSCREWPITCHIN11ITISSHOWN,THATSPINDLEPITCHCANAFFECTTHEAXIALANDTORSIONALSTIFFNESSOFBALLSCREWSUPTO15FORREASONSOFSIMPLICITYINTHISWORKTHEBALLSCREWDIAMETERISCHOOSENTOBECONSTANTTHESIMULATIONRESULTS,NAMELYTHEFIRSTTWOEIGENFREQUENCIESOFTHEFEEDDRIVE,AREPRESENTEDINTABLE2注意，轴的备选转动刚性与已使用的固体的本征频率FS近似，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LEFF而转动刚度被认为是贯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。TABLE2FIRSTTWOEIGENFREQUENCIESOFTHEBALLSCREWDRIVEMODELSFORDIFFERENTMASS,SCREWPITCHANDTABLEPOSITIONSASEXPECTEDTHEVALUEOFTHEFIRSTEIGENFREQUENCYGREATLYDEPENDSONTHEMASSANDTHEPOSITIONOFTHEMACHINETABLETHEHIGHERTHEMASSANDTHEGREATERTHEDISTANCEBETWEENMACHINETABLEANDFIXEDBEARINGTHESMALLERTHEVALUEOFTHEFIRSTEIGENFREQUENCYINCOMPARISONTOTHATTHESECONDEIGENFREQUENCYSEEMSTOCHANGERATHERINSIGNIFICANTLYWITHDIFFERENTOPERATINGCONDITIONSBOTHMODELSSHOWTHATTHEROTATIONALMODEREMAINSALMOSTCONSTANTFORAGREATRANGEOFPARAMETERSTHEDIFFERENCEBETWEENHYBRIDANDDISCRETEMODELEXPRESSEDINFIGURE5CANBEASCRIBEDTOTHESIMPLIFIEDREPRESENTATIONOFTHESHAFTINTHEDISCRETEMODELFIG5PERCENTALDIFFERENCEBETWEENHYBRIDANDDISCRETEMODELOFTHEBALLSCREWDRIVE表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FROMFIGURE5ITCANBESEENTHATTHEABSOLUTEDIFFERENCEASWELLASTHEPARAMETERSENSITIVITYOFTHEEIGENFREQUENCYGREATLYDEPENDSONTHEINTERACTIONBETWEENAXIALANDROTATIONALMODE,DETERMINEDBYTHETRANSMISSIONRATIOOFTHEBALLSCREWWITHINCREASINGTRANSMISSIONRATIOTHEINFLUENCEOFTHEROTATIONALRIGIDITYOFTHESHAFTONTHEOVERALLAXIALRIGIDITYINCREASESTHEPOSITIONDEPENDENT,EFFECTIVEAXIALRIGIDITYCANBEEXPRESSEDASFOLLOWSINMANYCASESHOWEVER,THEINFLUENCEOFTHEROTATIONALRIGIDITYONTHEAXIALMODECANBENEGLECTEDDUETOTHETRANSMISSIONRATIOOFTHEBALLSCREWWITHTHEEFFECTIVEAXIALRIGIDITYANDTHEKNOWLEDGEOFTHECONSISTENCYOFTHEROTATIONALMODE,THETWOCHARACTERISTICEIGENFREQUENCIESOFABALLDRIVECANBEAPPROXIMATEDUSINGEQUATIONS8AND9DESPITETHECHOSENSIMPLIFICATIONSTHEDISCRETEMODELSHOWSGOODRESULTSFORTHEFIRSTTWOEIGENFREQUENCIESOFABALLSCREWSYSTEMTHISALLOWSFORANINTUITIVEANDCLEARLYARRANGEDSIMULATIONOFTHEDYNAMICALBEHAVIOR,VALIDFORAGREATRANGEOFPARAMETERSANDWELLSUITABLEFORMOSTPRACTICALAPPLICATIONSINTHEFOLLOWINGCHAPTERTHESIMULATIONRESULTSOFTHEDISCRETEMODELDEPICTEDINFIGURE4WILLBECOMPAREDTOMEASUREMENTSONANACTUALMACHINETOOLFEEDDRIVEEXPERIMENTALVERIFICATIONOFTHEMODELATTHEINSTITUTEFORCONTROLENGINEERINGOFMACHINE从图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TOOLSANDMANUFACTURINGUNITSISWATTHEUNIVERSITYOFSTUTTGARTEXISTSAGREATVARIETYOFTESTBENCHESWITHDIFFERENTSIZEBALLSCREWSANDNUMEROUSTRANSMISSIONRATIOSWHILETHERESEARCHONTHISTOPICISBASEDONEXPERIMENTSWITHDIFFERENTBALLSCREWTYPES,THEFOLLOWINGMEASUREMENTSFOCUSONATYPICALBALLSCREWSETUPFORMACHINETOOLSACCORDINGTOTHESPECIFICATIONSINTABLE3THEPARAMETERSUSEDFORTHESIMULATIONCOMPLYWITHTHOSEOFTHEEXPERIMENTALSETUPTHEVALUESFORRIGIDITYANDMASSAREBASEDONMANUFACTURERSDATAWHILETHEDAMPINGFACTORSCORRESPONDTOEMPIRICALVALUESTABLE3SPECIFICATIONSOFTHETESTBENCHWITHTHEGIVENFEEDDRIVEVARIOUSMEASUREMENTSHAVEBEENCONDUCTEDANDCOMPAREDTOTHESIMULATIONRESULTSFROMTHEDISCRETEMODELFIGURES6AND7EXEMPLARILYSHOWSIMULATEDANDMEASUREDFREQUENCYRESPONSESFORTHEGIVENFEEDDRIVEATDIFFERENTOPERATINGCONDITIONSFIG6SIMULATEDANDMEASUREDFREQUENCYRESPONSEFORTHEFEEDDRIVEATDIFFERENTMACHINETABLEPOSITIONS斯图加特大学的机床和制造设备控制工程研究所ISW拥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3测试台规格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。FIG7SIMULATEDANDMEASUREDFREQUENCYRESPONSEFORDIFFERENTMACHINETABLEMASSESTHEDISCRETEMODELUSEDTODESCRIBETHEMECHANICALSYSTEMSHOWSGOODCONCORDANCEWITHTHEBEHAVIOROFTHEACTUALFEEDDRIVEDESPITEOFTHECHOSENSIMPLIFICATIONSANDTHEIMPRECISENESSOFTHEMANUFACTURERSDATA,AGOODPREDICTABILITYCOULDBEACHIEVEDFURTHERMORETHEPREDICTEDPARAMETERDEPENDENCYOFTHEEIGENFREQUENCIESISCONFIRMEDBYTHEMEASUREMENTRESULTSTHEFREQUENCYOFTHEAXIALMODECHANGESDEPENDINGONMACHINETABLEMASSANDPOSITIONWHILETHEROTATIONALMODEOFTHEBALLSCREWDRIVEREMAINSALMOSTCONSTANTTHEINVARIANCEOFTHEROTATIONALMODETOWARDSOPERATINGCONDITIONS,ASALREADYDETECTEDINTHEFOREGOINGSIMULATIONS,CANBEEXPLAINEDBYTHELOWPASSCHARACTERISTICOFTHEMECHANICALSYSTEMAFTERTHEFIRSTEIGENFREQUENCYTHESYSTEMEXPERIENCESANAMPLITUDEDROPOFFOF20DB/DECADEHENCETHEENERGYIMPOSEDBYTHESERVODRIVEATHIGHERFREQUENCIESISMERELYTRANSFORMEDONTOTHEMACHINETABLETHEAXIALMOTIONOFTHETABLEATTHESECONDEIGENFREQUENCYISTHEREFOREQUITESMALLDUETOTHEKINEMATICCOUPLING,THEANGULARDEFLECTIONOFTHESHAFTWILLSTILLLEADTOANAXIALDISPLACEMENTWHICHINTHISCASEISPREDOMINANTLYEXECUTEDBYTHEDEFLECTIONOFTHESHAFT,BEARINGANDMOUNTINGCONSIDERINGTHEMINORCHANGESINTABLEPOSITIONATTHEROTATIONALMODEOFTHEBALLSCREWSYSTEM,ITISINTELLIGIBLETHATTHENEITHERTHEMASSNORTHEEFFECTIVEPOSITIONOFTHETABLEHAVEARELEVANTINFLUENCEONTHESECONDEIGENFREQUENCYOFTHEOSCILLATINGSYSTEMTHEPREDICTABILITYANDSIMULATIONOFTHEDOMINANTEIGENFREQUENCIESOFABALLSCREWDRIVEANDTHEIRDEPENDENCYTODIFFERENTOPERATINGCONDITIONSPROVIDESABETTERUNDERSTANDING图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20DB/DECADE急剧下降后。因此伺服传动装置施加的能量在更高的频率仅仅是转换到机床工作台上。在第二个本征频率上工作台的轴向运动因此非常小。由于运动学耦合、轴的角度偏转仍将导致轴向位移,在这种情况下,主要是由轴
- 温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明，都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等，如果需要附件，请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸，网页内容里面会有图纸预览，若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 人人文库网仅提供信息存储空间，仅对用户上传内容的表现方式做保护处理，对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑，并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容，请与我们联系，我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
人人文库网所有资源均是用户自行上传分享，仅供网友学习交流，未经上传用户书面授权，请勿作他用。
川公网安备: 51019002004831号