数控进给论文

数控进给论文（共7篇）

数控进给论文 篇1

在不断增长的竞争压力下, 对现代化数控机床的生产效率和加工精度的要求也不断提高, 同时机床的稳定性 (各轴进给误差) 和使用寿命也相应变得越来越重要, 这些变化直接导致了对机床进给控制检测要求的提高。机床总误差中, 进给系统的定位误差为举足轻重。目前数控机床加工零件加工精度要求高时, 本身机械装配已无法满足要求, 机床各进给轴, 必须通过直线光栅尺直接反馈进给系统运动误差, 闭环控制进而通过数控系统精细补偿, 满足前述高加工精度要求。

1 进给传动系统的结构

数控机床设计多种多样, 但进给系统结构大多相同。滚珠丝杠被用于实现伺服电机旋转运动到滑板的直线运动的转换。丝杠两端支撑座内部的轴承承受进给运动及加工的切削轴向分力。伺服电机通过联轴器与丝杠联接。而进给运动的位置值是通过直线光栅尺或电机编码器加载到丝杠旋转运动上的。单纯使用编码器对滚珠丝杠进行位置控制时, 控制环检测到的数据是电机转子角度位置, 并非机床滑板的直线运动位置。为了从电机转子的角度位置精确推算出滑板的直线位置, 驱动电机与滑板间一切传动系统的性能必须已知, 重复性必须高。而直线光栅尺控制包含了整个进给系统。进给系统的机械传动误差由光栅尺测量, 通过数控系统进行补偿, 减少进给运动定位误差。

1.1 运动误差

直接采用旋转编码器+丝杠系统带来的是丝杠螺距误差。进给系统的间隙及螺距损失。由于滚珠丝杠的螺距用来直线测量的标准, 滚珠丝杠的螺距误差直接影响测量结果。进给系统内部间隙会导致1到10μm左右背隙出现。丝杠运动一定时间后, 可达到伸长平衡状态。这个过程中会导致丝杠定位产生非线性误差。

误差补偿:

数控系统由螺距补偿和背隙补偿。补偿值需通过激光干涉仪等检测测量。

进给系统的受力变形:

在使用滚珠丝杠和编码器来进行测量时, 受滑板加速移动产生的惯性力、切削力、导轨内的摩擦力等机构变形力导致滑板轴向有位置偏移。经验值, 直径40mm滚珠丝杠, 平均轴向偏移100~200N/μm之间。

惯性力:

机床滑板的移动加速度越来越高, 移动惯性力对进给系统的变形也越来越大。

切削力:

机床的切削力很容易达到几千牛, 不仅作用于进给系统, 还作用于工件几刀具上。而光栅尺补偿小部分的变形。所以一般在进行工件精加工时, 应用较小的进给力进行加工。

摩擦力:

根据导轨形式不同, 摩擦力仅滚动导轨垂直方向力的0.1%;滑动导轨垂直方向力的3%~12%左右。另外, 进给系统中, 最大的摩擦力产生于丝杠螺母。原因是, 丝杠螺母在进给运动中, 进行复杂的滚动及滑动相结合运动。

1.2 进给系统误差来源

丝杠发热产生定位误差:

在采用编码器进行位置控制时, 由于滚珠丝杠发热而导致定位误差是最大的误差来源。

原因是, 一方面, 在将电机的旋转运动转为线性运动时, 丝杠要有高刚性, 另一方面, 丝杠起长度标尺作用。这种双重功能使得机床设计时必须满足这两方面要求。而丝杠的刚性取决于丝杠的两端固定预紧。

滚珠丝杠支撑轴承对定位精度影响:

如图a) 丝杠单边固定安装时, 丝杠可以按温度变化由紧固端出发自由伸长。通常用于短丝杠和垂直进给丝杠。承载能力小, 轴向刚度低;

如图b) 丝杠单边固定安装, 一端浮动时, 丝杠可以按温度变化由紧固端出发有微量轴向浮动。通常用于丝杠较长情况;

如图c) 丝杠两端固定安装, 并对丝杠施加预紧力时, 丝杠的轴向刚性大大提高, 但对热变形较为敏感;

如图d) 丝杠两端双重支撑固定安装, 并对丝杠施加预紧力时, 使丝杠有较大的刚度, 还可以把丝杠热变形释放到推力轴承预紧中。所以必须考虑推力轴承的承载能力。

2 结论

机床进给系统因滚珠丝杠两端支撑轴承及丝杠螺母发热, 在采用半闭环控制时会导致极大的定位误差。通过丝杠和旋转编码器定位的半闭环控制最大问题是滚珠丝杠的热身长。这类伸长过程常见时间常数为1~2小时, 按加工程序的不同会产生0.1mm数量级的误差。而这类误差在数控机床整体误差中占主导地位。

综上述分析, 为了减少进给误差, 满足机床精度及速度要求有必要采用直线光栅尺进行闭环控制。

参考文献

[1]机械设计[M].沈阳:东北工学院出版社出版, 1988, 1.

[2]机械原理及机械零件教研室.机械设计[J].西安:西北工业大学, 2001, 6, 7.

[3]实用机床设计手册[M].辽宁:辽宁科学技术出版社出版, 1999, 1, 1.

数控铣床进给系统设计 篇2

1.1 数控机床的伺服进给系统的组成

数控机床的伺服进给系统由伺服驱动电路、伺服驱动装置、机械传动机构及执行部件组成。它的作用是接受数控系统发出的进给速度和位移指令信号,由伺服驱动电路作转换和放大后,经伺服驱动装置和机械传动机构,驱动机床的工作台,主轴头架等执行部件实现工作进给和快速运动。数控机床的伺服进给系统与一般机床伺服进给系统有本质上的差别,它能根据指令信号精确地控制执行部件的运动速度和位置,以及几个执行部件按一定规律运动所合成的运动轨迹。

1.2 关键部件介绍

1.2.1 滚珠丝杠副的结构

滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件,其作用是将旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动,它是传统滑动丝杠的进一步延伸发展。这一发展的深刻意义如同滚动轴承对滑动轴承所带来得改变一样。滚珠丝杠副因优良的摩擦特性使其广泛的运用于各种工业设备、精密仪器、精密数控机床。尤其是近年来,滚珠丝杠副作为数控机床直线驱动执行单元,在机床行业得到广泛运用,极大的推动了机床行业的数控化发展。这些都取决于其具有以下几个方面的优良特性:传动效率高、定位精度高、传动可逆性、使用寿命长、同步性能好。

滚珠丝杆螺母机构是回转运动与直线运动相互转换的传动装置,是数控机床伺服进给系统中使用最为广泛的传动装置。在滚珠丝杆和螺母上分别加工出圆弧形螺旋槽,这两个圆弧形槽和起来便形成了螺旋滚道,在滚道内装入滚珠,当滚珠丝杆相对螺母旋转时,滚珠在螺旋滚道内滚动,迫使二者发生轴向相对位移。为了防止滚珠从螺母中滚出来,在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置,使滚珠能返回丝杆螺母之间构成一个闭合回路,由于滚珠的存在,丝杠与螺母之间是滚动摩擦,仅在滚珠之间存在滑动摩擦。

1.2.2 滚动直线导轨副

滚动直线导轨副是由导轨、滑块、钢球、返向器、保持架、密封端盖及挡板等组成,具体结构如图1所示。当导轨与滑块作相对运动时,钢球就沿着导轨上的经过淬硬和精密磨削加工而成的四条滚道滚动,在滑块端部钢球又通过返向装置(返向器)进入返向孔后再进入滚道,钢球就这样周而复始地进行滚动运动。返向器两端装有防尘密封端盖,可有效地防止灰尘、屑末进入滑块内部。

(1)滚动直线导轨副是在滑块与导轨之间放入适当的钢球,使滑块与导轨之间的滑动摩擦变为滚动摩擦,大大降低二者之间的运动摩擦阻力,从而获得以下效果。

①动、静摩擦力之差很小,随动性极好,即驱动信号与机械动作滞后的时间间隔极短,有益于提高数控系统的响应速度和灵敏度。

②驱动功率大幅度下降,只相当于普通机械的十分之一。

③与V型十字交叉滚子导轨相比,摩擦阻力可下降约40倍。

④适应高速直线运动,其瞬时速度比滑动导轨提高约10倍。

⑤能实现高定位精度和重复定位精度。

(2)能实现无间隙运动,提高机械系统的运动刚度。

(3)成对使用导轨副时,具有“误差均化效应”,从而降低基础件(导轨安装面)的加工精度要求,降低基础件的机械制造成本与难度。

(4)导轨副滚道截面采用合理比值的圆弧沟槽,接触应力小,承接能力及刚度比平面与钢球点接触时大大提高,滚动摩擦力比双圆弧滚道有明显降低。

(5)导轨采用表面硬化处理,使导轨具有良好的可校性;心部保持良好的机械性能。

(6)简化了机械结构的设计和制造。

1.2.3 电动机的构造

电动机是一个圆柱体,里面装有一对能产生磁场的固定电磁极叫定子(永久式和电磁式的区别就在这里,永久式的定子是一对永久磁铁,电磁式的定子是一对电磁线圈)装在钉子中间的是一个能转动的电磁体叫电枢,又叫转子。转子是由特种材料作成的圆柱体,套在电动机轴上。电动机的工作原理是在转子的纵向凹槽里嵌入有绝缘铜丝饶成的转子绕组,电流通过电刷和换向器导入转子绕组就能产生电磁场。

1.3 伺服进给系统的工作情况

机床有三套(X,Y,Z轴)相同的伺服进给系统。下面介绍工作台的纵向(X向)伺服进给系统,该系统由伺服电机驱动,采用无键连接方式用锁紧环将运动传到扰性联轴器的左连接件,联轴器的右连接件与滚珠丝杆用键连接,由滚珠丝杆螺母驱动工作台移动。滚珠丝杆由左螺母和右螺母组成,并固定在工作台上。扰性联轴器的左连接件与电机轴,靠锥形锁紧环摩擦连接,锥形锁紧环每套两环,内环为内柱外锥,外环为外柱内锥,此处共用了两套。采用这种连接方法不用开键槽,没有间隙。电动轴与丝杆可相对转任意角。横向(Y轴)伺服进给系统与纵向伺服进给系统结构相同。

滚珠丝杆直径20mm,导程为4mm,左支承为成对的推力角接触球轴承,背靠背安装,承受径向载荷,右支承为深沟球轴承,滚珠丝杆升温后可向右伸长。这种结构比较简单,但轴向刚度比两端轴向固定方式低。滚珠丝杆的螺母座固定在工作台上下侧,螺母座中安装两个滚珠螺母,两个螺母用连接键固定它们之间的周向位置,一螺母固定在螺母座上,另一螺母可轴向调整位置。在两个螺母间安装两个适当厚度的半圆垫圈,以消除滚珠丝杆螺母间的间隙,并适当地预紧,以提高传动刚度。

2 关键部件校核计算

2.1 丝杠导程

伺服系统选择半闭环还是全闭环选择应根据要求的定位精度进行,本系统为±0.012/300mm。查滚珠丝杠样本,任意300mm内导程允差,1级(P1)丝杠为0.006mm,2级为0.008mm。因此,可以考虑采用半闭环,滚珠丝杠精度取为P1级。

伺服电动机的最高转速nmin=1500r/min,如使电动机与丝杠直联,i=1,丝杠的最高转速为nmax=1500r/min,根据公式

undefined

计算出丝杠导程Ph=4mm

2.2 滚珠丝杠的选择

丝杠的最大载荷,为切削时的最大进给力加摩擦力。最大进给力为Ff=5000N。作粗略的估计,最大切削力取为Fc=2Ff=10000N,最大背向力Fp=Ff/2=2500N,根据公式Fmax=kFf+(Fc+Fp+G),得到Fmax=6300N,丝杠的最小载荷为摩擦力Fmin=fG=0.04×(500+300)×9.8N=314N,平均载荷为undefined,最大进给时,丝杠的转速为400r/min, 最小进给时,丝杠的转速为1r/min,故平均转速为undefined

丝杠的工作寿命取为undefined,代入公式undefined得当量动载荷undefined。

查滚珠丝杠样本,选择内循环FFZD2004-3-1丝杠,额定动载荷为Ca=7.3kNCa>Cm,符合要求。丝杠直径为20mm,钢球直径为3mm,导程为4mm,浮动返回器式内循环,每个螺母滚珠有3列,双螺母垫片式预警。预加载荷为Ca/4,即1825N,远大于最大载荷的1/4,丝杠副精度为P1级,刚度为519N/m。

2.3 选择丝杠轴承

丝杠采用一端轴向固定,一端简支的方式。固定端采用一对推力角接触球轴承,面对面配对。型号为7202,额定动载荷为8.68kN,预加载荷为F0=660N,平均载荷为1500N,轴承寿命为undefined能满足要求。简支端只承受丝杠的部分重量,不需计算。

2.4 选择伺服电机

(1)最大切削负载转矩

最大载荷Fmax=6300N,丝杠导程Ph=4mm=0.004m,查查滚珠丝杠样本,丝杠螺母副的摩擦系数η=0.9,摩擦力矩Tf1=0.3N·m,查轴承样本,单个7202型轴承的摩擦力矩为100N·mm,故一对轴承为Tf2=0.2N·m。简支端不预紧,其摩擦力矩可忽视不计,丝杠与伺服电机直联,故i=1。带入公式undefined,最大切削负载转矩为,undefined。

(2)惯量匹配

负载惯量按下列次序计算,工件及工作台的最大质量为800kg,折算到电动机轴,其惯量J1按公式

丝杠直径d=20mm=0.02m,在结构设计中,决定长度为l=0.6m,

联轴器的惯量可直接查出J3=0.0006kg·m2

J2与J3和电动机直接叠加,负载惯量

JL=J1+J2+J3=0.00032+0.000075+0.006=0.000455kg·m2

电动机惯量JM应符合条件JL

(3)空载加速转矩

FB-15型直流伺服电动机的最大输出转矩为Tmax=154N·m,这个输出转矩发生在阶跃指令加速时,要求的加速时间为

FB-15型的机械时间常数为tM=15.2ms=0.0152s。ta<(3-4)tM,说明这种电机具有足够的加速能力。

摘要：数控机床的伺服进给系统由伺服驱动电路,伺服驱动装置,机械传动机构及执行部件组成。通过介绍数控铣床进给系统关键部件的设计,掌握数控机床进给系统的设计方法。

关键词：数控,进给系统,校核设计

参考文献

[1]王先逵.机械加工工艺手册[M].北京:机械工业出版社,2007.

[2]荣维芝.数控原理与维修技术[M].北京:机械工业出版社,2004.

[3]陈宇晓.数控铣床故障诊断与维修技巧[M].北京:机械工业出版社,2006.

直线电机驱动的数控车床进给机构 篇3

该直线电机进给机构具有最大5 m/s的运动速度和10 g的加速度, 定位精度0.5μm, 小位移快速相应频率达50 Hz。

本机构作为一个具有通用性的独立部件, 设计、布局更合理, 能更好地发挥直线电机的高加速度驱动性能。

应用范围

数控车床X轴进给部件, 以及具有快速运动速度、加速度要求的高位置精度的数控设备。

市场预测

在非圆数控车床中具有应用前景, 以及作为专用数控设备的配套部件。

经济效益

对于开发具有X轴直线电机进给驱动的非圆数控车床具有重要价值, 对替代国外产品的进口将有很大的经济效益。

单位:江苏科技大学科技服务部

地址:江苏省镇江市梦溪路2号

邮编:212003

数控镗床X轴进给故障的解决 篇4

一台2B622Φ4数控镗床各坐标轴采用KSA23/63系列晶闸管直流调速装置 (齐齐哈尔大华电气有限公司生产) 作为进给伺服驱动, 并配有NC-110 (北京凯奇公司生产) 控制操作系统。在手动及自动程序下进给X轴运行一段距离停止后出现猛烈向前窜动一小段行程, 机床才真正停止下来, 并且出现报警。查阅数控镗床资料, 该报警为编码器故障。检查X轴编码器时发现编码器与电机之间联轴器严重松动, 固定联轴器后再进给X轴, 此故障现象消失。

同上故障现象, 但是机床没有报警。检查X轴编码器, 编码器与电机的连接正常;检查X轴的系统文件中各参数也正常。因为X轴配置的KSA23/63系统的晶闸管直流调速装置共有A1、A2、A3等3块电路板, A1板上有R11、R99、R35、R56、R25、R51、R20等7个电位器。其中R35和R25分别用来调节转速调节器时间常数TN和比例增益KP, R11用来调节最高转速, 搭配调节R35和R25后, 故障现象依旧, 再减小R11, 调节X轴的最高转速后, 故障现象消失。还是上述故障现象, 在检查完编码器、调节调速装置及X轴的系统文件中各个参数均正常后, 故障依旧, 怀疑是机械原因引起此故障, 检查发现X轴丝杠支撑座上的锁紧螺母严重松动, 调整锁紧螺母后, 启动机床, 故障现象消失。W10.04-45

实用型单轴数控进给系统开发 篇5

一、C8051F020芯片简介

在众多的控制系统中, MCS-51系列单片机曾被广大的工程师视为最理想的8位机, 然后, 随着CPU技术的发展, 一些高性能、高集成度的单片机, 如8位和16位RISC单片机的上市, 基于8051内核的单片机正面临着被淘汰的危险。针对控制领域的高速度及模拟量的控制要求, Silabs集成产品公司推出其新产品C8051F020, 该产品是有着功能完善、功耗低、速度快、资源丰富的完全集成的混合信号系统级MCU芯片, 单片机的整体性能有很大幅度的提高。该单片机的主要特点如下:一是高速、流水线结构的8051, 兼容的CIP-51, 内核 (可达25MIPS) 。二是真正12位100ksps的8通道ADC, 带PGA和模拟多路开关。三是两个12位DAC, 具有可编程数据更新方式。四是64K字节可在系统编程的FLASH存储器。五是5个通用的16位定时器。六是具有5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列。七是片内看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器。八是具有片内VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器C8051F020/1/2/3是真正能独立工作的片上系统。

二、单轴数控进给系统硬件方案设计

本单轴数控进给系统的总体设计方案如图1所示。

本系统采用单片机C8051F020为控制核心, 系统共分6个模块, 详细如下:

第一, 键盘输入模块, 提供人机界面, 供用户输入控制数据。

第二, 液晶显示模块, 提供进给数据量的实时显示。

第三, 驱动模块, 驱动采用闭环控制, 元件选用深圳雷塞公司的驱动器及电机, 性能匹配, 选用增量式实心轴编码器ZJE-44-3000BM-G05P, 用于解决单轴进给的位置误差问题。

第四, 串口通信模块, 用于实现PC机与单轴数控系统的数据通讯, 可以通过PC对其数据设置与修改, 优化系统。

第五, 开关量输入/输出模块, 系统有急停, 正向, 负向限位, 回零等开关量信号, 为了有效隔离模拟量和数字量通道, 减少干扰信号, 选用了TLP621光电耦合器, 提高系统的稳定性和可靠性。

第六, 数据存储模块, C8051F020的内部存储器存放系统程序, 采用FM18L08作为外部存储器, 存放用户数据及程序。

三、单轴数控进给系统软件设计

本单轴数控进给系统软件部分主要有四个模块, 分别为界面功能模块、通讯功能模块、解释功能模块、控制功能模块。界面功能模块完成用户数据输入和修改以及数据实时显示等;通讯功能模块负责本单轴数控系统与PC间的数据交换;解释功能模块是对用户输入的数据进行控制前预处理, 包括数据报错, 代码识别﹑数制转换等;控制功能模块负责调用相关数据, 对进给过程采用闭环控制。

单轴数控控制系统流程图如图2所示。系统开机后进行初始化, 有用户输入数据, 读出用户的位置参数, 再进行检测参数是否在合理范围内, 若不合理, 系统报警提示, 由用户进行修正再检测, 若合理, 单轴伺服进给并有显示屏实时显示位置量, 进给结束后, 再判断有无新的进给要求, 如此循环, 用户可以随意根据要求进给, 使用十分便捷。

四、总结

系统整体功能全面、模块独立、耦合性低、调试简易、且维修方便。且C8051F020有诸多预留口, 有较好的扩展性, 在同类型的控制器中, 性能在速度上、稳定性和可靠性上明显优于其他单片机。在满足要求的情况下能够有效控制成本, 为一些小微企业进行数控化技术改造提供了一种优选途径。

参考文献

[1].左敬志.基于MSP430F149微控制器的经济型数控车床系统[D].大连理工大学, 2005.

[2].孙业明.基于C8051F020单片机的车床数控系统设计[J].机床电器, 2010 (1) .

数控进给论文 篇6

随着计算机软硬件技术的快速发展, 以多领域建模与协同仿真技术为核心的虚拟样机越来越受到人们的青睐, 而多体系统尤其是刚柔耦合多体系统的建模与仿真是应用这项技术的前提和基础。目前, 多刚体系统建模理论已经相当成熟, 相反多柔体系统的建模成为一个研究热点。多柔体系统动力学由于本身存在大范围的刚体运动, 又存在弹性变形运动, 因此多柔体系统动力学与多刚体系统动力学分析方法及有限元分析方法有着密切关系。多刚体理论认为机构具有绝对的刚度, 即使机械运动过程中结构件自身的变形也可以忽略。事实上, 由于自身的材料属性以及联结方式的影响, 往往具有一定的柔性。这样就会影响到构件的动态特性, 产生噪声和振动等。因此柔性体会对整个系统的运动产生重要影响。

目前“旋转电机+滚珠丝杠”的进给驱动方式在数控机床进给驱动系统中得到了广泛的应用。通过电动机驱动滚珠丝杠转动, 再通过丝杠螺母带动工作台实现直线进给。本文以数控成形磨齿机进给驱动为研究对象, 如图1是数控成形磨齿机X轴滚珠丝杠进给驱动的结构图。由于滚珠丝杠是一种细长的低刚度元件, 在工作时由于受到驱动力的作用会产生较大的轴向变形及扭转变形, 另外工作台重量相对于丝杠也比较大, 加减速过程中会产生较大的惯性力, 这样就会影响进给驱动系统的传动精度。然而进给驱动系统是机床的重要组成部分, 它的动态特性直接影响机床的加工精度。因此把滚珠丝杠作为柔性体, 建立多柔体系统的模型, 更贴近于实际。以提高仿真的精度。

1 柔性体动力学方程的建立

多柔体系统的运动描述方式采用相对坐标描述方法, 如图2所示

柔性体上任一点P, 其位置向量是

r=r0+A (sp+up)

式中r是P点在惯性坐标中的位置向量;r0是浮动坐标系远点在惯性坐标系中的位置向量;A是方向余弦矩阵;sp是柔性体未变形时P点在浮动坐标中的位置向量;up为相对变形量。

1.1 柔性体系统的动能

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因此动能的广义坐标形式可写为

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1.2 势能

W=∫vργpgdV+0.5ξTKξ

1.3 能量损失和阻尼

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设ξ是 (6+M) 维的广义坐标, 柔性体的运动方程从下列拉格朗日方程导出:

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其中, ψ为约束方程;λ为对应于约束方程的拉氏乘子;ξ为如式定义的广义坐标;Q为投影到ξ上的广义力;L为拉格朗日项, 定义为L=T-W 将求得的T, W, Γ带入式 (1) , 得到最终的运动微分方程为:

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其中undefined为柔性体的广义坐标及其时间导数;undefined为柔性体的质量矩阵及其对时间的导数;undefined为质量矩阵对柔性体广义坐标的偏导数, 它是一个 (M+6) × (M+6) × (M+6) 维张量, M为模态数。

2 进给驱动系统联合仿真模型的建立

2.1 Solidworks和ADAMS数据传递

首先利用三维CAD软件建立机构的三维模型, 定义简单的约束和运动关系。通过solidworks与Adams专业接口文件parasolid (*.xmt_txt) 将实体模型导入ADAMS, 考虑到减小模型数据的大小, 在不影响精度的情况下对机构所有细小特征, 包括导圆、导角、小孔等进行适当的简化, 去除键槽和螺纹等一些细节信息。忽略丝杠与轴承、丝杠与螺母之间的接触问题等。在ADAMS中添加载荷和相关的约束使之成为机床的多刚体动力学模型如图3所示。

本文选用SANYO电机P60B15300HXS, 其基本输出特性如表1所示。

由计算可得其转动角速度:

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滚珠丝杠的导程为10mm, 根据丝杠与螺母的转换关系, 得到工作台的运动速度:

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则工作台在0.5秒内移动的位移为:

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通过设置仿真时间为0.2秒, 仿真步为50, 当电机以恒定的角速度12000d/s运转时, 得到机床工作台的位移曲线和速度曲线, 如图4、5所示:

2.2 ANSYS建立柔性体模型

在ADAMS中建立刚柔耦合模型时, 因ADAMS本身不具有单元划分等有限元分析的相关能力, 其所使用的模态中性文件MNF必须借助其他有限元软件来完成。

(1) 通过Solidworks建立模型保存为Parasolid (*x_t) 并导入ANSYS。

(2) 对实体模型进行单元类型、材料属性、实常数定义、网格划分, 以及在柔性体与刚性体的联接处interface nodes点的建立。通过这些interface nodes生成的mark点与其他刚性体外接点联接, 建立刚性区域。通过模态计算, 运用ANSYS的宏命令ADAMS.MAC生成建立柔性体的模态中性文件mnf。此文件包含了模型的节点的质量和转动惯量、几何信息、模态的广义质量和广义刚度等。生成的中性文件确保单位和ADAMS刚性模型的单位一致, 否则会造成结果偏差, 然后直接读取到ADAMS软件中。

2.3 ANSYS和ADAMS刚柔耦合模型的建立

ADAMS中柔性体是通过导入模态中性文件来完成, 模型中要保存构件刚性体和柔性体, 并通过有效或无效来设定它们属性。模态中性文件导入ADAMS后原刚形体上的运动副、载荷会自动转移到柔性体上。新的柔性体会继承原来刚形体的一些特征, 如颜色、图标、尺寸、初始速度、模态位移等。需要注意的是:柔性体上不能添加移动副或平面内运动的虚约束, 需要通过建立一个无质量的连接物体将其他构件连接起来, 然后把约束加到这个无质量的连接物体上。得到进给传动系统的虚拟样机刚柔耦合模型如图6所示:

通过设置仿真时间为0.2秒, 仿真步为50, 当电机以恒定的角速度12000d/s运转时, 得到机床工作台的位移曲线和速度曲线, 如图7、8所示:

3 仿真计算及结果分析

由ADAMS的仿真结果, 可以得到进给驱动的速度、位移曲线, 从理论结果和仿真结果可以看出, 多刚体建模时机床的位移和速度和理论值一样, 也验证了多刚体建模的正确性。

通过刚性体和刚柔耦合结果对比, 机床的位移曲线是一致的。由图5可以看出工作台的曲线为一条匀速的曲线.图8工作台在运动过程中尽管传动装置的速度是匀速的, 与刚性体模型仿真结果相比, 产生误差的主要原因是刚柔耦合分析中考虑了滚珠丝杠的弹性变形, 但被驱动的部件由于变形就出现了走的快或走的慢及跳跃式的运动, 速度的波动会使工作台产生“爬行”现象, 爬行现象主要产生和进给系统的刚度有关。进给速度越低工作的时候就会产生爬行。当高速运动时更会造成机床的振动, 影响了机床的平稳性进而影响了被加工零件的加工精度。

4 结论

刚柔耦合动力学模型建模结合了多刚体和多柔体系统动力学建模。尽管过程很复杂。但从计算结果看, 滚珠丝杠的弹性变形对机床扰动影响巨大, 仿真结果也更符合实际。所以对机床动力学建模时, 把滚珠丝杠当做柔性体来处理, 更符合实际情况, 仿真结果更为精确。更能反映机床的动态特性。

摘要：高速高精度数控加工技术在数控加工行业占有非常重要的位置, 然而机床扰动是影响加工精度的重要因素, 滚珠丝杠进给传动作为机床的重要组成部分直接影响着机床的工作特性。以滚珠丝杠进给传动系统为研究对象, 利用Solidworks、Ansys、Adams建立机床整机的刚柔耦合多体动力学模型, 得到机床的动态特性曲线。通过与刚性体模型仿真结果作对比, 验证刚柔耦合建模方法的可行性, 为机床构件的结构设计优化提供依据。

关键词：刚柔耦合,多体动力学,可行性

参考文献

[1]韩清凯, 罗忠.机械系统多体动力学分析、控制与仿真[M].北京:科技出版社, 2010.

[2]陈立平, 张云清, 任卫群, 覃刚等.机械系统动力学分析及AD-AMS应用教程[M].北京:清华大学出版社, 2005.

[3]秦为前等.基于ADAMS和ANSYS的高速冲床执行机构动态仿真分析[J].锻压技术, 2011, 36 (6) .

[4]许涛, 王建平.基于Pro/E、ANSYS和ADAMS的动力学联合仿真研究[J].机械工程与自动化, 2009, (3) .

数控进给论文 篇7

1 圆柱齿轮消隙结构

图1是双齿错齿周向弹簧式消隙结构。两个相同齿数的薄齿轮1和2与另一个厚齿轮啮合。两个薄齿轮套装在一起,并可作相对回转,拉簧3通过支柱4和8分别与齿轮2、1相连。在弹簧的拉力作用下,使薄齿轮错位,即两个薄齿轮的左、右齿面分别紧贴在厚齿轮齿槽的左、右齿面上,消除了齿侧间隙。弹簧的张力可以通过螺钉5和螺母6进行调整,调节完毕用螺母7锁紧。

2 圆锥齿轮消隙结构

同样的原理也可用于圆锥齿轮传动的消隙,其结构如图2所示。

3 斜齿轮消隙结构

图3是用碟形弹簧消除斜齿轮齿侧间隙的结构。斜齿轮1和2同时与宽齿轮6啮合,齿轮1和2之间没有相对转动,加工时1和2一起加工,装配后在碟簧3的作用下,齿轮1、2沿轴向产生一定的位移,使其螺旋线产生错位,其左、右两齿面分别与厚齿轮的齿面贴紧从而达到消隙的目的。

4 齿轮齿条的消隙结构

如图4所示。进给运动由轴2输入,该轴上装有两个螺旋线方向相反的斜齿轮,当在轴2上施加轴向力F时,能使斜齿轮产生微量的轴向移动,使,轴1和轴3便以相反的方向转过微小的角度,使齿轮4和5分别与齿条齿槽的左、右侧面贴紧,从而消除齿侧间隙。

5 其他结构

以上结构为齿轮传动消隙的经典结构,在消除齿轮侧隙的前提下,也有一些其他的结构方式出现。

如图5所示。1-a和1-b同时与齿轮2啮合,同时1-a和1-b在碟簧3的作用下通过端面齿啮合,端面齿数与周向齿数不存在公约数。加工时1-a和1-b同时加工,装配时选择适当位置使周向齿和端面齿都准确啮合,在弹簧力的作用下实现消隙。

6 双电机消隙结构

由于上述结构传递能力的限制,目前重大型机床进给系统大都采用双减速箱消隙。国外知名品牌如STOBER、REDEX、阿尔法等都有相关的产品和相应的案例。

图6是REDEX提供的双减速箱机械消隙方案:单电机驱动,两个减速箱通过联轴器连接,通过该公司拥有专利的预载系统实现预载,运行过程中,两个齿轮箱内部始终存在预紧力,从而消除了传动间隙。

当负载更大,则多采用双电机双减速箱的驱动方案,即所谓的电气消隙。电气消隙一般有两种操作方式:理想消隙和实际消隙。理想消隙方式下,有一个电机始终作为负载存在,保持预紧力,因此要求每个电机功率都大于系统实际需要功率。考虑到只有在系统转矩输出方向变化时才有消隙的要求,实际操作往往采用更为经济的实际消隙方案,即:在系统输出转矩为零附近的区域,对电机施加足以克服间隙的转矩偏置(预紧力矩),此范围内两个电机实施消隙驱动,越过这个区域后则协同出力,每个电机可以选系统最大功率的50%。相对于机械消隙方式而言,电气消隙的成本要更高一些。

本文对目前机床常用的消隙结构进行了简单的剖析,实际应用中可以根据需要选用合理的方式,也可以在基本原理基础上进行改进和创新。

参考文献

[1]陈心昭权义鲁主编现代实用机床设计手册,上册.

[2]实用新型专利-双齿轮消隙减速传动的结构,江苏多棱数控机床股份有限公司,专利号:ZL03278064.8.