立式加工中心Z向双驱直线进给系统静、动特性分析与优化

摘要

随着高档数控机床对于制造业的重要性越来越大，这就要求高速立式加工中心的Z向进给系统能够具有良好的静动态特性。因此建立Z向进给系统静力学与动力学模型，在进给系统设计之初，便能预测其静动态特性并对其薄弱环节进行优化设计显得尤为重要。本文以Z向进给系统作为研究对象，对其静动态特性与薄弱环节优化进行了深入的探讨和研究。
　　针对Z向进给系统的特点，基于赫兹接触理论，建立进给系统静力学数学模型，并提出运用二分法高速高效求解赫兹接触问题的计算方法与计算程序。研究了轴承预紧力与滚珠丝杠副预紧力对进给系统静力学特性的影响关系，并提出在已知进给系统设计精度的前提下，给出滚珠丝杠副与轴承预紧力优化模型并运用罚函数法求解此优化模型。
　　建立了融入结合面特性的Z向进给系统动力学有限元模型，考虑重力的影响并结合Z向进给系统的自身特点，对进给系统的CAD模型进行了一定的简化，分析了其固有频率和振型，并运用模态测试技术对其进行了振动测试，通过分析试验数据得出，模态试验得出的振型与有限元分析得出的振型十分相似，且两者得出的进给系统固有频率也大体一致，误差全部不超过10％。由此，验证了有限元模型的正确性和可靠性，随后对进给系统进行了谐响应分析。
　　根据有限元的分析结果，得出Z向进给系统动态性能的薄弱环节为进给系统的结合面，并运用正交法对结合面特性进行了优化分析，根据优化分析结果，当三个结合面刚度组合为A3B2C3时，进给系统的固有频率得到了较大的提高，最高提高了10.57％，进给系统三个方向上的最大幅值也得到了较大的降低，最大降低幅度达到了13.77％。针对进给系统模态分析结果，对立滑板进行了形状优化设计，在保证质量基本不变的前提下，动应变降低了15.0％，动应力降低了14.8％，从而提高了进给系统整体的动态性能。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究目的与意义

1．2 国内外研究概况

1．2．1 进给系统静态特性研究概况

1．2．2 进给系统动态特性研究概况

1．3 课题来源与主要研究内容

1．3．1 课题来源

1．3．2 主要研究内容与章节安排

2 进给系统中滚珠丝杠副和轴承静力学特性分析

2．1 赫兹接触理论

2．1．1 滚珠丝杠副接触点处的主曲率

2．1．2 赫兹接触理论

2．2 赫兹接触理论数学模型的求解

2．2．1 二分法原理

2．2．2 δ*的求解

2．3 双螺母预紧滚珠丝杠副轴向接触变形和刚度的数学模型

2．3．1 双螺母预紧滚珠丝杠副受力和变形分析

2．3．2 双螺母预紧滚珠丝杠副轴向接触变形的求解

2．3．3 双螺母预紧滚珠丝杠副轴向接触刚度的求解

2．4 预紧力对滚珠丝杠副静力学特性的影响

2．4．1 预紧力对滚珠丝杠副轴向接触变形的影响

2．4．2 预紧力对滚珠丝杠副轴向接触刚度的影响

2．5 双列角接触球轴承轴向接触刚度的数学模型

2．5．1 双列角接触球轴承的受力和变形分析

2．5．2 双列角接触球轴承刚度的求解

2．6 预紧力对轴承静力学特性的影响

2．6．1 预紧力对轴承轴向接触变形的影响

2．6．2 预紧力对轴承轴向接触刚度的影响

2．7 本章小结

3 滚动支撑Z向双驱直线进给系统静力学特性分析

3．1 滚动支撑Z向双驱直线进给系统概况

3．2 Z向双驱直线进给系统受力分析

3．2．1 Z向双驱直线进给系统受力特点

3．2．2 Z向双驱直线进给系统受力分析

3．3 Z向双驱直线进给系统静力学模型

3．3．1 Z向双驱直线进给系统的静刚度

3．3．2 进给系统进给方向上的静刚度数学模型

3．4 滚珠丝杠副预紧力对进给系统静力学特性的影响

3．5 轴承预紧力对进给系统静力学特性的影响

3．6 双驱进给系统静力学特性优化

3．6．1 罚函数法

3．6．2 进给系统中滚珠丝杠和轴承预紧力优化

3．7 本章小结

4 滚动支撑Z向双驱直线进给系统动力学特性分析与试验

4．1 进给系统动力学有限元模型的建立

4．1．1 滚动支撑双驱直线进给系统结构简介

4．1．2 单元类型的选择

4．1．3 材料属性的设置

4．1．4 网格划分

4．1．5 结合面的动力学建模

4．1．6 进给系统动力学有限元模型

4．2 进给系统有限元模态分析

4．2．1 有限元模态分析的理论基础

4．2．2 融入结合面特性的进给系统动力学建模

4．2．3 进给系统的有限元模态分析

4．3 进给系统试验模态测试与分析

4．3．1 试验系统

4．3．2 试验设计

4．3．3 参数设置

4．3．4 模态试验

4．3．5 模态振型正交性检验

4．4 试验模态与有限元分析模态对比

4．5 进给系统谐响应分析

4．5．1 谐响应分析理论基础

4．5．2 有限元谐响应分析

4．5．3 谐响应特性改善

4．6 本章小结

5 滚动支撑Z向双驱直线进给系统动力学优化设计

5．1 进给系统结合面特性优化设计

5．1．1 进给系统动态特性的正交试验

5．1．2 结合面参数优化后的进给系统动力学特性分析

5．2 进给系统立滑板的形状优化

5．2．1 立滑板的形状优化

5．2．2 优化后立滑板的动力学特性分析

5．3 本章小结

6 总结与展望

6．1 本文总结

6．2 展望

致谢

参考文献

附录