滚珠丝杠磨损对进给传动性能影响的建模分析及调控

摘要

数控机床是现代制造业的关键装备，滚珠丝杠是数控机床机械结构中最重要的传动部件之一。在使用一定时长后，滚珠丝杠发生磨损，造成数控机床性能降低、工件品质不合格、生产效率降低。因此通过各种措施保证滚珠丝杠具有优良的工作性能对于数控机床的高效生产具有重要意义。本文从实际生产需求出发，分析磨损对滚珠丝杠进给传动性能的影响，为磨损的滚珠丝杠提供了一种位置环增益调控策略。 首先使用显微镜观察滚珠丝杠的滚道表面，使用光学轮廓仪测量滚道表面形貌并计算表面粗糙度，以此来判断磨损程度。使用接触力学模型分析磨损对滚珠丝杠的滚珠滚道接触刚度、接触间隙等性能参数的影响。 建立滚珠丝杠进给传动系统的动力学模型，在Simulink中进行仿真。代入随磨损变化的滚珠丝杠性能参数，分析磨损对滚珠丝杠进给传动性能的影响。结果表明滚珠丝杠磨损导致工作台振幅增大，并进行了实验验证。 研究位置环增益对滚珠丝杠进给传动性能的调控。将滚珠丝杠的磨损参数设置在最大值，在不同的位置环增益下进行仿真。使用加速度信号的方差来表征工作台振幅。通过仿真结果得到方差与位置环增益的指数关系模型。可以减小位置环增益来抑制滚珠丝杠磨损导致的工作台振动。 搭建实验平台，选取不同磨损程度的滚珠丝杠做空运行实验。采集空运行过程中工作台的跟随误差信号。对比分析发现跟随误差信号与加速度信号具有相同的频率成分，可以从跟随误差信号中提取对滚珠丝杠磨损敏感的频率成分作为特征信号，使用该特征信号的方差来表征工作台的振幅。实验结果验证了方差与位置环增益的指数关系模型。该指数关系模型为滚珠丝杠磨损导致工作性能降低后提供了一种位置环增益调控策略。

目录

第一个书签之前

摘 要

Abstract

1 绪论

1.1课题概述

1.1.1 课题来源

1.1.2 研究的目的与意义

1.2 国内外研究概况

1.2.1 滚珠丝杠副结合部磨损与检测

1.2.2 滚珠丝杠结合部接触研究与动力学建模

1.2.3 滚珠丝杠磨损改正措施

1.3 本文主要研究内容

2 滚珠丝杠磨损检测与分析

2.1 滚珠丝杠磨损检测

2.1.1 滚珠丝杠磨损的显微观察

2.1.2 滚珠丝杠磨损滚道的轮廓测量

2.2 磨损导致滚珠滚道产生接触间隙

2.2.1 磨损对滚珠丝杠轴向接触刚度的影响

2.2.2 磨损导致滚珠滚道产生直接接触间隙

2.3 磨损对滚珠丝杠性能的影响

2.3.1 磨损导致滚珠丝杠响应性能下降

2.3.2 磨损导致滚珠丝杠运行过程产生冲击

2.4 本章小结

3 滚珠丝杠进给系统建模及磨损的影响分析

3.1 滚珠丝杠机械结构动力学模建模

3.1.1 滚珠丝杠机械结构建模及Simulink仿真

3.1.2 机械结构模型的简化

3.2 滚珠丝杠机进给驱动系统建模

3.3 磨损对滚珠丝杠进给传动性能的影响

3.3.1 滚珠丝杠动力学模型仿真

3.3.2 在卧式加工中心上的验证

3.4 本章小结

4 基于模型的位置环增益对磨损调节作用分析

4.1 伺服参数调整对滚珠丝杠性能的影响

4.2 磨损状态下位置环增益调整的仿真结果

4.3 位置环增益对滚珠丝杠性能的调控作用分析

4.3.1 振幅大小的衡量方法

4.3.2 滚珠丝杠性能随位置环增益变化趋势

4.4 本章小结

5 位置环增益调控的实验验证

5.1 滚珠丝杠调控实验

5.1.1 实验平台搭建

5.1.2 跟随误差信号与加速度信号的对比分析

5.2 实验数据预处理

5.2.1 滤波频带的选择

5.2.2 对跟随误差信号主要频率成分的分析

5.3 滚珠丝杠磨损状态判断及位置环增益调控验证

5.3.1 跟随误差特征信号的方差随位置环增益变化趋势

5.3.2 位置环增益调控的验证

5.4 本章小结

6 全文总结及展望

6.1 全文总结

6.2 展望

致 谢

参考文献