滾動支撐雙驅(qū)直線進(jìn)給系統(tǒng)動熱耦合特性分析、試驗(yàn)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、隨著航空工業(yè)、汽車工業(yè)、模具制造、船舶與海洋工程等領(lǐng)域?qū)Ω邫n數(shù)控機(jī)床性能的要求不斷提高，機(jī)床正向精密、高速、復(fù)合方向發(fā)展。要發(fā)揮數(shù)控機(jī)床高速切削的優(yōu)點(diǎn)，必須設(shè)計(jì)高速的進(jìn)給系統(tǒng)，同時保證微米級的定位精度，雙絲杠驅(qū)動是一種高效的驅(qū)動方式，相比傳統(tǒng)的驅(qū)動擁有更好的動態(tài)性能，因而得到廣泛的應(yīng)用。由于雙驅(qū)動進(jìn)給系統(tǒng)工作臺在高加速度條件下的快速移動易激發(fā)系統(tǒng)振動，也會產(chǎn)生大量的熱，使得進(jìn)給系統(tǒng)產(chǎn)生變形，進(jìn)而影響到進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度。已有的研究方法通

2、常是分別針對雙驅(qū)動進(jìn)給系統(tǒng)的力學(xué)性能和熱態(tài)性能進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，這使得進(jìn)給系統(tǒng)動態(tài)性能的分析不夠全面，也造成進(jìn)給系統(tǒng)綜合性能難以進(jìn)一步提高。論文以雙絲杠驅(qū)動直線進(jìn)給系統(tǒng)為研究對象，分析了其動力學(xué)模型，熱力學(xué)模型以及動熱耦合振動模型，為雙驅(qū)動進(jìn)給系統(tǒng)的多目標(biāo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有效的理論依據(jù)與指導(dǎo)。
　　為研究雙絲杠驅(qū)動進(jìn)給系統(tǒng)的動力學(xué)特性，提出了一種混合建模方法。該方法建立了雙驅(qū)動進(jìn)給系統(tǒng)多自由度模型，綜合了絲杠螺母副，支撐軸承及直線滾動

3、導(dǎo)軌結(jié)合面參數(shù)的影響?；诶窭嗜辗匠痰贸隽穗p驅(qū)動進(jìn)給系統(tǒng)的剛度、質(zhì)量、工作臺位移公式，通過計(jì)算得到了固有頻率。分析了軸向剛度、工作臺的質(zhì)量和位置等因素對其動態(tài)性能的影響，并且通過試驗(yàn)驗(yàn)證了動力學(xué)模型的準(zhǔn)確性。
　　針對雙驅(qū)動進(jìn)給系統(tǒng)振源多、熱源多、邊界條件參數(shù)難以確定的特點(diǎn)，提出了采用有限元與試驗(yàn)相結(jié)合的方法分析其溫度場分布、熱平衡時間、熱模態(tài)等熱態(tài)性能。通過溫度場分析發(fā)現(xiàn)，隨著運(yùn)行時間和進(jìn)給速度的增大，絲杠上各測點(diǎn)的溫度呈非線

4、性變化規(guī)律。絲杠達(dá)到熱平衡的時間隨著進(jìn)給速度的增大而增長，且熱平衡時的溫度也會變高。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種進(jìn)給系統(tǒng)熱誤差測量試驗(yàn)方法，并通過所選5個熱敏感點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，構(gòu)造熱誤差關(guān)于時間、坐標(biāo)位置及溫度的映射函數(shù)，建立了熱誤差綜合預(yù)測模型。
　　根據(jù)進(jìn)給系統(tǒng)在工作中受力和熱共同影響的特點(diǎn)，建立了動熱耦合效應(yīng)下滾珠絲杠副結(jié)合面的軸向動態(tài)參數(shù)測試模型。滾珠絲杠軸向動態(tài)特性參數(shù)受軸向載荷、預(yù)緊力等影響，絲杠螺母的溫升導(dǎo)致絲杠螺母預(yù)緊力變小

5、;溫度越高熱軸向載荷越大，從而降低絲杠軸向動態(tài)剛度。在此基礎(chǔ)上研究了進(jìn)給系統(tǒng)的動熱耦合效應(yīng)和動態(tài)性能的內(nèi)在聯(lián)系機(jī)理，提出了求解動熱耦合問題的數(shù)值仿真分析方法，進(jìn)一步得出溫升使得進(jìn)給系統(tǒng)的固有頻率變小，振動幅值增大，特別是一階固有頻率在溫升影響下減小7.14％，振幅增大25％。
　　綜合考慮雙驅(qū)動進(jìn)給系統(tǒng)的工作臺受動熱耦合效應(yīng)的影響，建立了雙驅(qū)進(jìn)給系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化模型，對進(jìn)給系統(tǒng)的工作臺結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析。以工作臺輕量化，最優(yōu)耦合力

6、學(xué)性能和雙驅(qū)動進(jìn)給系統(tǒng)一階固有頻率為目標(biāo)函數(shù)，以工作臺結(jié)構(gòu)參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，建立多目標(biāo)優(yōu)化模型。采用靈敏度法選取設(shè)計(jì)變量，降低構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)的難度。通過有限元計(jì)算獲取正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的二階響應(yīng)面模型的樣本數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上建立多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)，并采用NSGA-Ⅱ算法求解出Pareto最優(yōu)解集。根據(jù)輕量化、高抗振性及最優(yōu)耦合力學(xué)性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)原則選擇工作臺尺寸參數(shù)最優(yōu)解，優(yōu)化后工作臺的一階固有頻率提高了9.28％，振動幅值減小了25％，質(zhì)量