滚动直线导轨（精选4篇）
滚动直线导轨 篇1
引言
冷拔异型钢的形状千变万化,是不能用一成不变的设计准则来进行的。其中有二个要点非常重要的:(1)模具设计:具体考虑到金属在模具中通过时产生的阻力分配,剪切应力和拉拔应力以及模具的一次和二次入口锥角、定径带的长度,出口角的大小等。(2)拉拔量的分配,在此并非指道次与道次之间的拉拔量分配,而是指同一拉拔截面中的拉拔面积的分配。
1 模具设计理论分析
图1为成品与半成品之间的模具设计示意图,图1 (a)为直线滚动导轨滑座成品图,材质为GCr15。从图1中可以看出,该图形左右对称,上下不对称,且下部有一比较深的内凹陷,已超过总高度的1/2。
根据一般拉拔概念,各方位面的拉拔量近似于一个常数,稍有区别但相差不大(见图1 (b))。但这种拉拔量的分布,存在着很大的问题(见图2)。
(1)从理论上来分析,拉拔时拉拔件的形心(形状的中心,不是质量中心)基本与拉拔中心在同一线上,可以通过调整模板(按装模具的部件)的高低来调整,。
(2)如果能做到以拉拔件的形心为X轴(水平方向)或Y轴(垂直方向)为中心,其上下或左右的拉拔系数(即拉拔延伸率)基本相等,即X左与X右下基本相等,Y上与Y下基本相等,那么拉拔出来的产品也不会上下、左右弯曲。但这里说的是基本相等,对于异形可以有一定的偏差,这种偏差可以通过修正模具的入口锥角以及调整模板的角度来弥补,但相对延伸率(延伸率之比)最好不超过20%,虽然拉拔时金属有流动性,会向阻力小的方向流动,但毕竟是冷加工,流动性很差。
2 设计方案
2.1 寻找合适的形心
此处所说的形心仅适合用于上下或左右有一面是对称的。并不是数学概念上计算出来的形心,而是在几何图形上具有明显位置的图形。下面就用直线滚动导轨滑座的图形来分析。
图3就是用直线滚动导轨滑座的成品图作为划分对像:(1)左右取中线划分,图形对称,拉拔量对称,拉拔时不会产生左右弯曲现像。(2)上下取高度的1/2为中轴,图形非对称。但如果中轴以上部份的拉拔延伸率(即拉拔系数)和中轴以下部份的拉拔延伸率相差较大的话,拉拔就较困难,将会产生如上所说的种种现像,甚至拉拔失败。
2.2 寻找合适的拉拔系数和合适的拉拔量
综上所述,将上下二个截面分别按其面积部份计算出拉拔延伸系数。
通过计算得出轴线上半部份的拉拔延伸系数N1为:
轴线以下部份的拉拔延伸系数N2为:
相对拉拔系数为:
通过计算,轴线以下部份的拉拔系数要大于轴线以上部份的拉拔系数56.7%。这是无法拉拔的,将会造成大量碎模,实际上材料是无法顺利通过模具的。
如图5 (a)所示,将轴线以上顶端部份的拉拔量由A增加为1.5A,侧面增加为1.3A。从受力分析得知,材料在模具中的受力应该是上下平衡的,当进入拉拔状态时,材料受力悬浮在平衡中心,以至于拉拔件会向上移动,出现如图5(b)情况,顶部的拉拔量会可能会缩减(1.3A),而底部的拔量会增加(1.2A),达不到所要的目的。而两侧面同时增加的拉拔量会保持平衡,对上半部份增加拉拔系数会有一点作用。但是GCr15强度高、塑性差,若再加大其延伸率,将引起碎模、材料断裂等情况的发生。
鉴于以上情况,决定采用轴线下方减少拉拔量的方法,以达到一个合理的范畴内。在做这个减少轴线下方拉拔量方案的同时,做了一个轴线下方模具的受力简图(见图6),材料与模具的受力带是在其模具的压缩带上(即通常所说的二次锥角带上,并且是正压力和剪切力的合成),为了简明说清问题,就简化成如图6所示的形式。
从图6中可以看出,模具受力在A处特别大,好像一个舌头突入型腔里面,模具别的地方受力都是单边受力,唯有这个舌头三面受力,这就是它容易断裂的原因所在。根椐分析,如果舌头两侧的拉拔量跟外侧的拉拔量相等,那舌头所受的力是外侧的二倍,还不计顶上的力Nc,若再加上比流量挤压,就造成了碎模的发生。
3 模具的最终设计
根椐以上分析得出,必须减少下部拉拔量,同时又应保证A部型腔拉出光滑表面,据此设计了如图7所示的模具。
图7中0.4A、0.7A等都是带有一点斜度的线段,并不是与成品线段相平行的,其数值为均值。舌头内侧的间隙由0.9A缩减为0.4A,这是因为内侧舌头仅作为导向作用,不必要有很大的拉拔余量,当外侧受力时,同样可以双面拉拔,得到光滑的表面。
经过以上修改,同样以及1/2高度线作为轴线进行分割计算,得出如下数椐,
轴线上半部份的拉拔延伸系数为;
轴线以下部份的拉拔延伸系数为;
相对拉拔系数为;(N2-N1)/N1*100%=13.6%。通过计算发现,相对拉拔洗漱为13.6%,基本符合设计要求。
4 结束语
在拉拔时还对模具的二次入口锥角、定径带长度等进行了合理的修正,成功的拉拔出了直线滚动导轨滑座替代了部份进口产品。目前,公司生产的导轨滑座已销往南京工艺装备制造厂等十几家公司。
滚动直线导轨 篇2
滚动直线导轨副因具有高精度、高速度及节能环保等优越性被广泛应用于精密机械, 成为数控机床、工业机器人以及各种测量仪器中不可或缺的一种重要功能部件[1]。其运动精度、摩擦、噪音、温升等性能直接影响到机床的加工精度及寿命。目前国际知名滚动直线导轨副厂家THK、NSK等均有先进的检测设备为其产品质量提供保证。因此, 滚动直线导轨副的精确检测对国内滚动功能部件及高档数控机床的发展具有重要意义[2]。
要实现滚动直线导轨副各项性能的准确测量, 合适的测量平台及测量方法至关重要。本文以现有试验设备为平台, 以Visual Basic为编程语言, 完成了滚动直线导轨副综合性能试验台测控系统软件的设计与开发, 实现了试验过程中数据采集、处理、保存、查询及打印输出的自动化与智能化。
1 测量装置
研制的滚动直线导轨副综合性能试验台如图1 所示[3], 可检测#35、#45、#55、#65 四种型号导轨的运动精度、加速度、振动、摩擦力、噪音、温升6 项基本性能。该试验台主要由5 个部分组成, 分别为: 床身部件、驱动系统、测试系统、控制系统以及防护系统。
驱动系统主要由直线电机和滑台构成, 由直线电机推动测试系统沿滑块运动方向作往复直线运动, 可有效保证滑块在运动过程中的平稳性。同时也可提高整个系统的高速、高加速性能。测试系统主要包括试验工装、传感器安装支架及导轨转接板, 其中导轨转接板作为运动精度测量的基准平面, 其精度高达5 um/4 m, 可有效保证测量数据的可靠性。控制系统采用西门子840Dsl数控系统, 用以控制电机的运动速度、加速度及起止位置等。防护系统由数控软限位、接触式限位开关以及防撞器构成, 通过多重保护来提高试验台实验过程中设备的安全性。试验装置结构图如图2 所示。
2 测控系统硬件设计
2.1 测试原理及硬件配置
1) 测量原理
滚动直线导轨副综合性能测试台由直线电机作驱动, 气浮导轨为主支撑, 通过滑台组件带动被测滑块沿导轨来回往复运动。同时由各传感器 ( 拉压力传感器、加速度传感器、振动传感器、噪声传感器、温度传感器、激光位移传感器) 及高速数据采集卡和工控机对电压信号进行数据采集及处理。其中, 拉力传感器、加速度传感器、振动传感器用高速数据卡采集, 传感器信号通过单端模拟量输入AI口传输至工控机[4]。为了排除测试过程中强电对信号的干扰以保证数据的准确性, 激光位移传感器采用USB采集, 噪音计和温度传感器采用RS232 串口采集。最后通过测试软件对信号进行滤波及处理并将处理结果以曲线的形式显示出来, 以实现导轨各项性能的实时测量及监测。其测量原理图如图3 所示。
2) 硬件配置
由于该试验台可针对高精度等级的导轨进行测量, 则要求以高精度的传感器为测量基础。表1 为滚动直线导轨副综合性能试验台传感器配置。
2.2 运动控制系统方式确定
该试验台的运动控制主要是针对直线电机的运动控制。其位置控制主要通过光栅尺测量系统实现闭环控制[5]。将光栅尺反馈的实际位置信号与数控系统输入的理论值进行比较, 从而对直线电机的位置进行校正。其控制原理为数控系统发送指令至驱动单元控制直线电机沿导轨作直线运动, 同时NC控制系统读取电机坐标值。当直线电机开始运动, 光栅尺将脉冲信号反馈给NC控制单元, NC控制单元将接收到的脉冲信号与设定的指令信号进行比较之后经驱动单元控制直线电机的运动, 从而实现电机位置的闭环控制。此外, 工控机通过PCI1784U运动控制卡对光栅尺进行脉冲计数, 由公式: 实际位移= 栅距×脉冲数可得到直线电机相对于零点的实际位置。其闭环控制流程如图4 所示。
3 测控系统软件设计
3.1 程序主要功能
由于该测试软件需要对滑块运动过程中导轨的各项性能参数进行实时采集及显示, 要求软件必须实现试验参数的设置、试验状态的实时监测、试验数据的采集及显示、试验数据的处理及结果保存、试验数据的查询、试验报表的输出与打印。本程序与VB6.0 为设计平台, 其程序主界面如图5 所示。
1) 监控警报功能。由于该试验装置由气浮导轨做主支撑, 因此需要对气浮气压做实时监测, 以防止气压低于标准值而导致主导发生损坏。
2) 参数设置功能。该试验台可检测#35、#45、#55、#65 四种不同型号的导轨, 通过参数设置对被测导轨的试验信息、导轨信息及环境参数进行保存, 以便最终查询及报表输出。
3) 数据采集功能。通过Timer控件读取板卡接收到的值, 采集的同时对数据进行滤波及均化处理以排除不正常的高信号或低信号, 然后对数据进行存储和实时显示并绘制各个传感器的原始数据曲线。其中曲线的绘制采用iocomp控件实现, 横坐标为滑块相对于绝对零点的位置, 纵坐标为传感器的数值, 如图6 所示。
4) 数据处理功能。数据采集完成后从数据库读取传感器的原始数据并对其进行计算以得到需要的结果, 并绘制结果曲线。
5) 数据存储功能。本程序的数据存储通过VB与Access数据库的对接来实现。分别建立试验人员信息表、参数表、原始数据表、结果数据表来存储不同试验阶段的数据以方便最终的查询与打印输出。人员信息表主要用以存储试验人员的个人信息及密码, 参数表主要用以存储每次试验的导轨信息及导轨重要参数等, 原始数据表主要用以存储试验过程中传感器直接采集且未通过处理分析的数据以方便后期查询及输出。结果数据表用以存储针对试验数据所给出的试验结果, 以便输出报表及后期查询。
6) 数据查询功能。试验结束后可在数据查询界面通过试验日期或导轨型号对试验原始数据及结果数据进行查询、删除、修改等。
7) 打印报表功能。试验结束后可在试验界面打印本次试验的报表, 也可通过查询界面对历史数据进行打印。报表包括试验参数、试验结果、试验曲线图片。
3.2 主程序流程图
系统主程序流程如图7 所示, 实验开始前先设置试验参数。进入试验界面后打开板卡、USB接口及RS232 接口并开始检测气浮气压是否达到设定值, 同时检测数控信号。数控系统控制电机找到零点位置后, 将传感器针对当前位置初始化。当数控开始执行数控程序时给工控机发送信号, 同时程序识别信号开始采集。采集完成后对原始数据进行数据处理得到最终结果。最后保存数据并打印输出, 至此完成一次试验由采集到输出结果的全部过程。
4 试验验证
为验证实验台测控系统的可行性, 现对国内某厂家#45 导轨运动精度进行试验检测, 分别在4 m / min、12 m / min、20 m / min的速度下进行检测, 其试验结果曲线如图8、图9、图10 所示。表2 为多次试验数据对比。
5 结语
针对滚动直线导轨副综合性能试验台对滚动直线导轨副综合性能的检测所需实现的功能问题进行了研究, 并提出了试验台测控系统的设计方案。由试验结果可看出试验数据具有较高的重复性, 其实验结果具有较高的可行度, 从而证明该方案的可行性, 可为滚动直线导轨副综合性能的研究提供较为可靠的试验基础并对相关领域的研究具有借鉴意义。
摘要：为了准确测量滚动直线导轨副的各项性能参数, 研制了滚动直线导轨副综合性能试验台的测控系统。该系统由传感器、工控机和数控系统组成, 可实时测量滑块在运动过程中的运动精度、加速度、振动、摩擦力、噪音及温度的变化情况。测量过程用西门子数控系统控制, 由传感器采集数据并通过数据采集卡将测量结果传输至工控机, 最后通过测量软件实时显示并保存采样数据。试验结果表明, 该系统完全能够满足高速、高精度数据采集要求。
关键词：滚动直线导轨副,综合性能,测控系统,软件设计
参考文献
[1]徐起贺, 陈静.滚动直线导轨副的研究现状及发展动向[J].河南机电高等专科学校校报, 2009, 17 (2) :1-3.
[2]李春梅, 冯虎田.直线导轨副摩擦力测控系统设计[J].机床与液压, 2010 (11) :76-79.
[3]周保安.基于ABAQUS的精密滚动直线导轨副测试台有限元分析[J].组合机床与自动化加工技术, 2014 (2) :24-27.
[4]李善文, 林辉.基于PCI1716的高速数据采集系统方案设计[J].仪器仪表学报, 2009 (4) :86-87.
滚动直线导轨 篇3
关键词：滚动,线轨,精度,量仪,优越性
随着现代化制造技术的不断发展, 使得传统的制造业发生了巨大的变化, 数控技术、机电一体化在生产中得到了更加广泛的应用。同时机械传动机构的定位精度、导向精度和进给速度在不断提高, 使传动的导向机构发生了重大的变化。因此, 滚动直线导轨副以其独有的特性, 逐渐取代了传统的滑动直线导轨, 以满足现今机械对于高精度、高速度、节约能源以及缩短产品开放周期的要求。各种重型组合机床、数控机床、高精度电火花切割机床、磨床等机械中得到了广泛的应用;我公司在龙门铣床数控改造中, 横梁滑座导轨也采用了滚动直线导轨副以保证精度。
1、滚动直线导轨副类型、结构及工作原理
1.1 滚动直线导轨副的类型和结构
在机床中常用的滚动直线导轨副主要有两种类型, 即GGA (径向型) 和GGB (四方向等载荷型) , 其主要特性详见表1。
1.2 滚动直线导轨副的工作原理
滚动直线导轨副是由一根长导轨和滑块构成, 详见图1 (a) GGA型和图1 (b) GGB型, 滑块数量根据需要而定。滑块体内有四组滚珠: (1、2) , (3、4) , (5、6) , (7、8) 。其中2、3、6和7为负载滚珠, 1、4、5和8为回珠。导轨副工作时, 随着滑块与导轨的相对移动, 滚珠就周而复始地进行滚动循环。
2、滚动直线导轨副的性能特点
2.1 定位精度高
滚动直线导轨副的运动借助钢球滚动实现, 导轨副摩擦阻力小, 动静摩擦阻力差值小, 低速时不易产生爬行。重复定位精度高, 适合作频繁启动或换向的运动部件, 可将机床定位精度设定到超微米级。同时根据需要适当增加预载荷, 确保钢球不发生滑动, 实现平稳运动, 并减小运动的冲击和振动。
2.2 磨损小
对于滑动导轨面的流体润滑, 由于油膜的浮动产生的运动误差是无法避免的。在绝大多数情况下, 流体润滑只限于边缘区域, 由金属接触而产生的直接摩擦是无法避免的, 在这种摩擦中, 大量的能量以摩擦损耗被浪费。与之相反, 滚动接触由于摩擦耗能小, 滚动面的摩擦损耗也相应减少, 故能使滚动直线导轨系统长期处于高精度状态。同时, 由于使用润滑油也很少, 这使得在机床的润滑系统设计及使用维护方面都变的非常容易。
2.3 适应高速运动且大幅降低驱动功率
采用滚动直线导轨的机床由于摩擦阻力小, 可使所需的动力源及动力传递机构小型化, 使驱动扭矩大大减少, 使机床所需电力降低80%, 节能效果明显。可实现机床的高速运动, 提高机床的高速运动, 提高机床的工作效率20%-30%。
2.4 承载能力强
滚动直线导轨具有较好的承载性能, 可以承受不同方向的力和力矩载荷, 如承受上下左右方向的力以及颠覆力矩、摇动力矩和摆动力矩。因此, 具有很好的载荷适应性。在设计制造中加以适当的预加载荷可以阻尼, 以提高抗振性, 同时可以消除高频振动现象。而滑动导轨在平行接触面方向可承受的侧向负载较小, 易造成机床运行精度不良。
3、滚动直线导轨副的选择与安装
3.1 滚动导轨副在机床中的选择
在机床中, 导轨副的功用是导向和承载, 其配置的优劣影响机床执行件按正确轨迹运动的同时, 还关系到机床执行件的运动特性以及系统的使用寿命。在龙门铣床横梁滑座采用的是GGB型六滑块精密滚动直线导轨副。
3.2 滚动直线导轨副安装方法及注意事项
滚动直线导轨副与床身是采用内六角螺钉联接的, 在钻螺孔时, 应根据导轨副上已有的联接孔来配钻。在拧紧螺钉时, 应从导轨副的中间开始, 然后依次向两端拧紧。两条直线导轨安装后, 必须检查两条导轨副在水平面内的平行度, 并保证在横梁全部长度其平行度误差≤0.01mm。
4、滚动直线导轨副安装基面精度的提高
滚动直线导轨副的安装误差对摩擦阻力和导轨副的寿命都有一定影响, 安装后误差极大时, 会造成摩擦力增加, 寿命降低。因此滚动直线导轨副安装基面的平面度允差0.005/1000mm, 直线度允差中凸0.003/1000mm, 粗糙度Ra1.6um。因此, 为保证安装基面的精度, 应采用以下措施:
4.1 采用水平仪初步测量滚动直线导轨副安装基面
首先将龙门铣床的横梁放置在调整垫铁上, 用水平仪检查调平至最小误差, 用较长的直尺检查横梁导轨安装基面的直线度, 粗刮基面并用涂色法检查, 合格后再用光学量仪检测。
4.2 采用光学平直仪测量滚动直线导轨副安装基面在垂直平面内和水平平面内的直线度
采用光学平直仪测量时, 首先在距龙门铣床横梁导轨 (安装基面) 一端距离不远处 (约1米) 处放调节支架, 其上固定光学平直仪本体, 将反射镜置于垫铁上移至被导轨靠近仪器本体的一端, 调节支架用目测使本体的镜头基本平行于被测导轨, 高度也与反射镜等高。左右摆动反射镜, 同时观察量仪目镜, 使可调分划板上的十字形图像位于视场中心位置, 然后移动反射镜垫板使反射镜移至导轨的另一端, 再观察十字线是否出现在分划板的视场中, 必要时重新调整支架和平直仪本体使十字形图像能很清晰完整地出现在视场中。调整好后, 要用压板或橡皮泥将仪器和反射镜固定, 否则在测量过程中常会出现轻微走动而未发觉, 导致测量错误。
将横梁导轨 (安装基面) 按垫铁长度等分若干段并作好记号, 反射镜可依次由后向前移动, 反射镜在第一档位置时观察目镜, 调节微调手轮, 使可调分划板上的黑色基准线对准亮十字线是一边, 记下手轮刻度值;依次向前移动一个垫铁距离, 再次观察目镜中视准线与亮十字线是否重合。不重合时再旋转微调手轮使视准线仍如第一档位置时一样对准, 记下手轮读数。如此重复依次前进。然后再自前向后重复测量一次, 如相同位置两次读数相差两格以上, 则可能是量仪已走动, 须重新测量。将两次读数取平均值作为测量的原始数据。
测量横梁导轨水平平面内的直线度 (即安装基面是侧面) 时, 将读数目镜转过90°即可。
4.3 采用桥板水平仪测量辅助导轨基面
采用检验桥板和合像水平仪配合来测量横梁辅助导轨基面与主导轨的平行度, 方法简单且测量精度较高。在测量时步骤同上。
根据测得的数据绘制误差曲线图, 铲刮导轨安装基面的凸起部位, 铲刮时用直尺研点检查, 然后再次测量导轨副安装基面在垂直平面内和水平平面内的直线度以及辅助导轨基面与主导轨的平行度, 要求铲刮至精度合格。最后, 将滚动直线导轨副安装在横梁上, 再用量仪检查滑块座沿导轨轴移动时在垂直平面内和水平平面内的直线度, 如符合数控龙门铣床的精度要求即可进行下一步的装配工作。
5、效果分析
滚动直线导轨 篇4
精度设计是高档数控机床重要的设计环节, 目前国内外学者研究的重点多数集中于静态精度方面[1,2,3]。若仅仅考虑各种静态误差, 基于多刚体动力学理论对双驱动滚动支承直线进给系统建立精度模型, 未能考虑到关键部件柔性化和运动结合面的刚度阻尼对系统精度误差的影响[4]。徐礼钜[5]采用虚拟机构法对并联机床进行精度建模和误差分析。刘志峰[6]对机床加工精度进行事先预测并验证设计方案的合理性。以上仅仅用误差矩阵对系统进行精度建模, 缺乏振动变形过程的考虑, 采用adams和有限元结合的方法分析双驱滚动支承直线进给系统的动态精度, 有利于深入了解机床进给系统输出参数精度的动态行为和变化过程。
1 系统精度模型
1.1 多柔体动力学分析物体运动模型
在进给系统中, 多柔体动力学将工作台柔性体看作是有限元模型的节点的集合, 其变形视为模态振型的线性叠加。在多刚体理论基础上, 节点相对于局部坐标系有小的线性变形。每个节点的线性局部运动近似视为振型或振型向量的线性叠加[7]。
式中:
r为工作台上的点在整体坐标系里的向量;
r0为工作台坐标系在整体坐标系中的向量;
A为工作台坐标系到整体坐标系的变换矩阵;
Si为工作台未变形时点在局部坐标系的向量;
φi为工作台上的点的模态矩阵;
q为工作台上的点的模态坐标;
1.2 振动模态部分建模
首先定义工作台柔性化, 其次考虑移动结合面部分。由于磨损导致刚度的退化仅发生在运动结合部, 并且固定结合面的刚度参数远大于移动结合面, 所以建模中仅考虑滚动结合面。丝杠螺母副结合面的刚度有轴向和径向刚度, 轴向刚度对系统的定位精度和重复定位精度影响较大。导轨滑块副的结合面刚度对除进给方向的其他2 个方向的振动影响较大。此处只考虑结合面的3 个坐标轴方向的刚度, 建立模型如图1 所示。
1、2、3、4 皆为导轨滑块滚动结合面, 建立y, z 2 个方向的弹簧阻尼器; 5、6 皆为丝杠螺母滚动结合面, 建立x, y, z 3 个方向的弹簧阻尼。
2 adams与有限元ansys结合仿真
2.1 adams与有限元结合仿真流程
基于多体运动学分析原理基础, 在考虑关键部位工作台振动变形等情况下, adams仿真需要对刚体进行柔性化。在各种柔性化处理的方法中, 利用adams与ansys结合的方法分析的精度较高[8]。仿真流程如图2 所示。
在仿真过程中, 整个大的仿真环境是adams, ansys是并行的对adams的补充。利用ansys生成模态中性文件是对工作台一种柔性化的处理方式。流程图中ansys柔性化的工作台替换掉导入adams中模型的刚性工作台。然后对此模型在adams中施加约束, 最后计算分析。
2.2 采用有限元模型柔性化处理
将进给系统的工作台导入ansys软件中, 定义其材料属性。密度为7 800 kg/m3, 弹性模量为2 GPa, 泊松比为0.49。然后采用solid45 单元, 对工作台实体进行网格划分。在工作台的导轨滑块滚珠丝杠移动结合面中心位置和工作台面中心位置, 建立关键点, 采用mass21 单元对关键点划分网格[9]。利用关键点将导轨滑块、滚珠丝杠移动结合面和工作台面中心部分刚性化, 形成刚性面, 如图3 所示, 刚性区域呈深色。模态分析取前20 阶频率, 生成模态中性文件。模态分析结果如图4 所示。
2.3 结合面的等效约束和载荷的施加
如图5 所示, 导入adams的模态中性文件在每个移动结合面形成的intereface node作为弹簧阻尼约束的联接位置, 同时该刚性单元取代了滑块, 使得建模更加合理。在工作台面上的刚性化区域施加载荷作用。
3 系统动态误差仿真结果
在机床加工时, 进给系统受到的载荷为x, y, z 3 个方向, 大小分别为1 500 N、2 000 N、1 000 N, 频率皆为333Hz的简谐力。
进给系统运动结合部刚度阻尼值[10]如表1 所示。
在此种工况和约束条件下得到系统的动态误差仿真结果, 在工作台中心向x轴正向均匀选择4 个测量点作为精度测量考察点依次形成点44、45、46、47, 仿真结果如图6、图7、图8 所示。
根据上述建立模型仿真, 从各点的变形位移图中可以看出, 柔性工作台上各点振动产生的误差不同, 点44、45、46、47 四个点的选取可以代表整个工作台误差的范围。从变形和位移角度可以看出, 3 个方向点44 的误差波动幅值最大, 这是由于44 点位于工作台中心直接与载荷接触。
从3 个方向位移图中可以看出, 系统刚受到交变载荷时其振动还不能稳定, 都要经过5 个周期后才可以稳定。这是由于各种移动结合面刚度阻尼系数在各个方向的大小都是不同的, 且在y方向上受到重力影响, 所以会整体下降1.35 μm的位移。因此, 可以取稳定时期波动的最大值作为峰值, 最小值作为谷值来判断动态误差波动范围。变形图反映的是工作台自身振动变形, 位移图反映了工作台自身的振动变形和整体的振动。其中, 由于移动结合面刚度阻尼影响工作台, 致使其产生的整体位移误差较大, 其幅值为1 μm到2 μm, 是工作台变形误差的7 倍左右。
4 载荷变化对动态误差的影响
4.1 载荷大小对进给系统输出精度的影响
改变模型中的载荷大小, 可以得到如图9 和图10 所示的不同载荷下输出z向、x向误差值和趋势。
图9 中, z向误差代表进给系统直线度误差, 其左右偏移程度可以从峰值和谷值看出, 谷值和峰值变化与载荷大小基本都是线性的。图10 中, x向代表进给系统定位误差, 其定位精度可以从峰值和谷值看出, 且误差变化与载荷大小也呈线性关系。两图中, 各个转速下的动态误差的幅值与谷值并不是对称的, 原因在于在交变载荷作用下自身模态的叠加和各移动结合面刚度不完全相同。
4.2 载荷的频率对进给系统输出精度的影响
模型中改变频率大小, 得到不同载荷频率 ( 机床主轴转速) 下输出z向误差值和趋势, 如图11 所示。
图11 反应的是直线度动态误差与载荷的频率关系。随着转速的增加直线度误差变化呈现变化率由小变大再变小的趋势。由于载荷频率会对工作台运动产生的惯性加速度有所影响, 同时频率变化对应力在一个方向上的作用时间逆变化, 综合两者因素其产生如上误差趋势。
5 结论
采用有限元ansys软件和adams软件结合仿真, 考虑了双驱滚动支撑直线进给系统工作台的柔性和运动结合部位的刚度阻尼而产生的动态行为, 建立了进给系统的动态精度模型。仿真结果可以看出, 移动结合面的特性对动态误差影响较大, 是工作台本身的柔性化产生动态误差7倍左右。载荷大小在2 500 N主轴转速在20 000 r/min变化范围内, 整个工作台动态误差在3 μm内。
同时得出了上述模型下进给系统的动态精度随载荷幅值频率的变化关系, 其中载荷幅值对动态精度影响程度更大, 频率即机床主轴转速对动态精度影响呈非线性正相关的关系。
摘要：机床运行过程中, 其精度可靠性至关重要, 这与运动结合部及其承受的载荷有着很大的关系。考虑到工作台的柔性化和进给系统运动结合面的刚度阻尼, 建立了双驱动滚动支承直线进给系统动态仿真模型, 发现结合面的特性比单部件的柔性化对系统动态误差影响更大。分析了在不同载荷下由于系统振动变形所产生的直线度误差范围和定位精度范围, 发现系统受到载荷的频率大小对动态精度变化影响呈现非线性关系。
关键词：数控机床,双驱滚动,运动结合面,柔性化,动态精度
参考文献
[1]Hong C, Ibaraki S, Matsubara A.Influence of position-dependent geometric errors of rotary axes on a machining test of cone frustum by five-axis machine tools[J].Precision Engineering, 2011, 35 (1) :1-11.
[2]Kong L B, Cheung C F, To S, et al.A kinematics and experimental analysis of form error compensation in ultra-precision machining[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2008, 48 (12) :1408-1419.
[3]朱赤洲, 陈蔚芳, 赵鹏, 等.数控机床三维空间误差建模及补偿技术研究[J].组合机床与自动化加工技术, 2012 (4) :16-19.
[4]焦广发, 周兰英.ADAMS柔性体运动仿真分析及运用[J].现代制造工程, 2007 (5) :51-53.
[5]徐礼钜, 范守文, 马咏梅.一种新型并联机床的精度建模与误差分析[J].四川大学学报:工程科学版, 2004, 35 (4) :1-5.
[6]刘志峰, 刘广博, 程强, 等.基于多体系统理论的精密立式加工中心精度建模与预测[J].吉林大学学报:工学版, 2012, 42 (002) :388-391.
[7]仲昕, 杨汝清.多柔体系统动力学建模理论及其应用[J].机械科学与技术, 2002, 21 (3) :387-389.
[8]王飞.基于ADAMS及ANSYS的船舶推进轴系特性分析[D].大连:大连海事大学, 2012.
[9]赵希芳.ADAMS中的柔性体分析研究[J].电子机械工程, 2006, 22 (3) :62-64.