大慣量進(jìn)給系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性及其穩(wěn)定性研究.pdf

1、大慣量滾珠絲杠系統(tǒng)是高速、重載、高精度數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中的關(guān)鍵功能部件，是一個(gè)多自由度阻尼系統(tǒng)。由于滾珠絲杠的細(xì)長中空桿特殊結(jié)構(gòu)，以及絲杠兩端不同的支承形式的影響，高速旋轉(zhuǎn)的大慣量滾珠絲杠系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，這一觀點(diǎn)已得到很多學(xué)者認(rèn)同。目前主流的滾珠絲杠系統(tǒng)的研究工作大部分均基于線性振動(dòng)的理論來考查進(jìn)給系統(tǒng)的縱向、橫向及扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，忽略了非線性因素的影響，使得理論研究結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)論相較存在較大偏差。當(dāng)機(jī)床進(jìn)行強(qiáng)力切削、高速切

2、削、難加工材料切削時(shí)，或刀具、夾具、工件結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜時(shí)，都會(huì)對系統(tǒng)產(chǎn)生各階頻率的激勵(lì)，使系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生分岔，有可能進(jìn)入混沌狀態(tài)。故本論文將在系統(tǒng)線性振動(dòng)的基礎(chǔ)上主要研究大慣量高轉(zhuǎn)速滾珠絲杠的非線性動(dòng)力學(xué)特性。
　　論文以數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)為對象，采用“理論推導(dǎo)—仿真分析—實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”的研究方法，主要研究工作包括以下幾方面:
　　利用拉格朗日方程建立進(jìn)給系統(tǒng)的線性振動(dòng)模型，辨識(shí)影響系統(tǒng)慣量的四個(gè)參數(shù)，利用正交試驗(yàn)分析主要部件剛

3、度系數(shù)和慣量參數(shù)對工作臺(tái)定位精度的影響程度。
　　分析了滾珠絲杠的支承方式，考慮滾珠絲杠的振動(dòng)，建立絲杠在彈性支承條件下振動(dòng)的頻率方程和振型函數(shù)。采用Timoshenko梁模型，考慮剪切變形、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和預(yù)拉伸力的影響，以及絲杠大導(dǎo)程、大長徑比的結(jié)構(gòu)特征，提出滾珠絲杠副的動(dòng)態(tài)剛度呈非線性特性變化，并在理論推導(dǎo)過程中合理簡化，建立絲杠的剛度非線性方程。采用林滋-龐加萊法求解方程的近似解析解，通過數(shù)值仿真，研究動(dòng)力學(xué)方程的分岔和混沌特征

4、;并分析非線性系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，找出進(jìn)給系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性與系統(tǒng)參數(shù)的關(guān)系和匹配規(guī)律。
　　由Stribeck摩擦理論和摩擦模型，對摩擦力的非線性特征進(jìn)行了研究，提出了非線性摩擦力的變化規(guī)律在Stribeck摩擦曲線的四個(gè)特性區(qū)間內(nèi)的非線性摩擦力的響應(yīng)分別遵從不同的規(guī)律。建立考慮摩擦非線性因素的動(dòng)力學(xué)方程，對方程進(jìn)行近似解析解分析，通過數(shù)值仿真與參數(shù)辨識(shí)，對非線性系統(tǒng)進(jìn)行分岔與混沌特征分析。同時(shí)考慮彈簧力和摩擦阻尼的非線性作用，即考慮

5、剛度-摩擦耦合非線性動(dòng)態(tài)特性，建立耦合非線性結(jié)構(gòu)模型。對其響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值仿真分析，通過改變相關(guān)參數(shù)，研究耦合系統(tǒng)的分岔與混沌特征。
　　以單軸數(shù)控銑床為基礎(chǔ)，搭建滾珠絲杠副動(dòng)態(tài)特性測試實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，對采集的加速度時(shí)間序列進(jìn)行一系列分析，作出進(jìn)給系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的非線性判斷，從不同角度驗(yàn)證理論分析結(jié)論的有效性。在一臺(tái)臥式加工中心上進(jìn)行進(jìn)給系統(tǒng)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，得出慣量參數(shù)、絲杠與螺母接觸剛度、工作臺(tái)與導(dǎo)軌接觸剛度的變化對滾珠絲杠、工作臺(tái)上刀