滚珠丝杠伺服进给系统机电耦合特性的研究

摘要

伺服进给系统是数控机床的重要组成部分,它的性能直接影响着机床的加工精度与加工效率,因此提高伺服进给系统的性能具有重要意义。作为典型的机电系统,伺服进给系统的设计一度采用传统设计方法,即机械系统和控制系统作为两个分立的子系统进行设计,最终将它们整合在一起调试、改进。然而,伺服系统的功能实现是两个子系统协同工作的结果,两个子系统之间必然存在着某种耦合关系影响系统的整体性能,如果能在设计之初就将这种耦合作用考虑在内,那么对于提高伺服系统的性能以及提高工作效率具有重要意义。
　　本文首先在刚体假设的条件下,建立了伺服进给系统的理论模型(这里刚性假设指丝杠、轴承组等机械组件在系统工作过程之不发生横向变形,只有轴向弹性变形),将机械结构的主要特征与典型的控制系统结合起来,通过MATLAB仿真分析得到机械结构因素,主要控制参数以及结构因素和控制参数的组合伺服系统跟踪误差、幅值裕度以及带宽的影响。
　　考虑到理论模型的局限性,如:不能考虑机械结构的变形、振动以及质量分布的不均匀等实际问题对伺服系统性能造成的影响,本文进一步建立了滚珠丝杠伺服进给系统的有限元模型,采用刚度矩阵的方式解决了轴承组、螺母等复杂结构的建模,并通过静力学仿真验证了机械模型的有效性。然后,在机械模型的基础上,利用MATRIX27单元集成了PID控制回路,建立了滚珠丝杠伺服进给系统的机电耦合有限元模型。在耦合模型的基础上,分析了移动质量变化及质量分布对伺服系统性能的影响。
　　最后,为了对分析结果进行验证,本文基于哈工大自主研制的五轴数控小型机床,设计了相应的实验装置,在进给系统工作台上加载不同的质量及分布,验证了有限元集成模型的分析结果。

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第1章 绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3本文的主要研究内容

第2章 伺服进给系统理论模型的建立与仿真

2.1伺服进给系统模型的建立

2.2伺服系统性能仿真分析

2.3本章小结

第3章 基于ANSYS的伺服系统机电耦合建模与分析

3.1复杂结构组件的ANSYS建模

3.2机电耦合有限元模型的建立

3.3伺服系统有限元模型的仿真分析

3.4本章小结

第4章 伺服进给系统的实验分析

4.1耦合振动现象的实验分析

4.2质量分布对伺服系统性能的影响

4.3载荷变化对伺服系统的影响

4.4本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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