数控机床进给系统动力学建模与参数辨识方法的研究

摘要

滚珠丝杠进给系统作为数控机床重要的组成部分，其动态特性直接影响机床的使用性能以及工件的加工质量。因此，研究进给驱动系统动力学特征，揭示其动力学参数对进给系统的运动稳定性的影响规律，提出改善进给系统稳定性的有效措施，对提高数控机床的加工精度具有重要的意义。
　　本文以高速卧式加工中心为研究对象，通过对滚珠丝杠进给系统的参数化建模，研究了动力学参数对进给系统动力学特性的影响，探索了利用进给系统工作过程试验检测数据辨识系统动力学参数的方法，提出提高和改进系统动态性能的措施，完成了如下研究工作。
　　(1)基于Timoshenko梁理论和分布质量方法，利用拉格朗日方程，建立了数控机床进给系统的动力学模型，其中，将丝杠处理为具有横向、纵向和扭转变形的五自由度柔性体，而将丝杠螺母副及丝杠与轴承的结合部处理为成组弹簧阻尼单元，以表征丝杠螺母副及丝杠与轴承结合面预紧参数对系统动力学特性的影响。
　　(2)利用Ansys Workbench软件建立了滚珠丝杠进给系统的三维模型。通过进给系统的模态和谐响应分析，研究了工作台的位置、丝杠轴向预紧力、轴承预紧力、进给力对系统工作台轴向振动幅值的影响，探究了工作台的位置变化对系统轴向振动的影响规律，结果表明工作台在丝杠中间位置对系统振动稳定性的影响最大;随着丝杠螺母副和轴承预紧力的增加，进给系统的轴向振幅逐渐降低，进给力越大对系统稳定性影响越大。
　　(3)通过Siemens840D系统的二次开发，实现了数控机床工作过程中进给系统的电动机转速、工作台位置、伺服电动机力矩电流实时采集，并提出了利用实时采集数据计算工作台运动参数及驱动力的方法。综合上述理论分析结果，建立了工作台运动的运动微分方程，提出了进给系统运动力学参数的辨识方法。对实验数据进行处理，得到了工作台在运动过程中的速度与加速度随时间的变化曲线是波动的，分析了引起工作台速度波动的原因是工作台受到的摩擦阻尼以及轴向刚度的影响。分析了进给速度对工作台运动稳定性的影响，结果表明随着进给速度的增大，工作台的运动越平稳。运用最小二乘法辨识方法，应用Matlab软件编程，对工作台运动微分方程中的系统轴向刚度和阻尼进行参数辨识，分析结果表明工作台从丝杠最左端移动到中间位置时，系统刚度和阻尼随之减小，通过阻尼可以反应工作台受到的摩擦力的变化，并结合仿真的结果，提出了提高系统运动稳定性的措施。

目录

论文说明

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文主要研究内容

第2章 机床进给系统动力学建模

2．1 滚珠丝杠进给系统

2．1．1 机床进给系统的组成

2．1．2 机床的切削力

2．2 机床进给系统的动力学模型

2．2．1 结合部的动力学模型

2．2．2 机床进给系统的动力学模型

2．3 机床进给系统动力学建模

2．4 本章小结

第3章 系统参数对机床进给系统的影响

3．1 滚珠丝杠进给系统有限元建模

3．1．1 有限元方法简介

3．1．2 机床进给系统实体建模

3．2 机床进给系统模态分析

3．2．1 模态分析基本理论

3．2．2 材料属性定义与网格划分

3．2．3 进给系统结合面建模与系统边界条件设定

3．2．4 进给系统模态分析结果

3．3 系统参数对进给系统的影响

3．3．1 谐响应分析理论

3．3．2 工作台位置对系统轴向振动的影响

3．3．3 滚珠丝杠预紧力对系统轴向振动的影响

3．3．4 轴承预紧力对系统轴向振动的影响

3．3．5 切削进给力对进给系统轴向振动的影响

3．4 本章小结

第4章 机床进给系统运动过程分析

4．1 机床工作台运动的力学模型

4．1．1 伺服电机的输出力矩方程

4．1．2 滚珠丝杠副力矩方程

4．1．3 机床工作台振动模型

4．2 实验数据的获取

4．3 实验数据处理

4．3．1 不同进给速度下工作台的运动分析

4．3．2 系统阻尼和轴向刚度参数辨识

4．4 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢