滾動支撐雙驅直線進給系統(tǒng)動熱耦合特性分析、試驗及結構優(yōu)化設計.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域對高檔數(shù)控機床性能的要求不斷提高，機床正向精密、高速、復合方向發(fā)展。要發(fā)揮數(shù)控機床高速切削的優(yōu)點，必須設計高速的進給系統(tǒng)，同時保證微米級的定位精度，雙絲杠驅動是一種高效的驅動方式，相比傳統(tǒng)的驅動擁有更好的動態(tài)性能，因而得到廣泛的應用。由于雙驅動進給系統(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，也會產生大量的熱，使得進給系統(tǒng)產生變形，進而影響到進給系統(tǒng)的定位精度。已有的研究方法通

2、常是分別針對雙驅動進給系統(tǒng)的力學性能和熱態(tài)性能進行分析設計，這使得進給系統(tǒng)動態(tài)性能的分析不夠全面，也造成進給系統(tǒng)綜合性能難以進一步提高。論文以雙絲杠驅動直線進給系統(tǒng)為研究對象，分析了其動力學模型，熱力學模型以及動熱耦合振動模型，為雙驅動進給系統(tǒng)的多目標結構優(yōu)化設計提供有效的理論依據(jù)與指導。
　　為研究雙絲杠驅動進給系統(tǒng)的動力學特性，提出了一種混合建模方法。該方法建立了雙驅動進給系統(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、導軌結合面參數(shù)的影響?；诶窭嗜辗匠痰贸隽穗p驅動進給系統(tǒng)的剛度、質量、工作臺位移公式，通過計算得到了固有頻率。分析了軸向剛度、工作臺的質量和位置等因素對其動態(tài)性能的影響，并且通過試驗驗證了動力學模型的準確性。
　　針對雙驅動進給系統(tǒng)振源多、熱源多、邊界條件參數(shù)難以確定的特點，提出了采用有限元與試驗相結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)，隨著運行時間和進給速度的增大，絲杠上各測點的溫度呈非線

4、性變化規(guī)律。絲杠達到熱平衡的時間隨著進給速度的增大而增長，且熱平衡時的溫度也會變高。在此基礎上設計了一種進給系統(tǒng)熱誤差測量試驗方法，并通過所選5個熱敏感點的試驗數(shù)據(jù)，構造熱誤差關于時間、坐標位置及溫度的映射函數(shù)，建立了熱誤差綜合預測模型。
　　根據(jù)進給系統(tǒng)在工作中受力和熱共同影響的特點，建立了動熱耦合效應下滾珠絲杠副結合面的軸向動態(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、預緊力等影響，絲杠螺母的溫升導致絲杠螺母預緊力變小

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。在此基礎上研究了進給系統(tǒng)的動熱耦合效應和動態(tài)性能的內在聯(lián)系機理，提出了求解動熱耦合問題的數(shù)值仿真分析方法，進一步得出溫升使得進給系統(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％。
　　綜合考慮雙驅動進給系統(tǒng)的工作臺受動熱耦合效應的影響，建立了雙驅進給系統(tǒng)多目標優(yōu)化模型，對進給系統(tǒng)的工作臺結構參數(shù)進行優(yōu)化分析。以工作臺輕量化，最優(yōu)耦合力

6、學性能和雙驅動進給系統(tǒng)一階固有頻率為目標函數(shù)，以工作臺結構參數(shù)為設計變量，建立多目標優(yōu)化模型。采用靈敏度法選取設計變量，降低構建目標函數(shù)的難度。通過有限元計算獲取正交試驗設計的二階響應面模型的樣本數(shù)據(jù)，并在此基礎上建立多目標優(yōu)化設計目標函數(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)耦合力學性能的優(yōu)化設計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％，質量