滚动直线导轨副数控精密工作台的静动态性能分析

论文摘要

随着现代制造技术的不断发展,传统的制造业发生了巨大的变化,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,使传统的导向机构发生了重大变化。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,在工业生产中得到了广泛的应用。同时搭建目前典型的滚珠丝杠带动的四滑块工作台试验系统也是数控伺服系统执行机构的重要组成环节,为使其具有较高的稳定性,需要进行必要的力学及静动态方面的分析。本文以安装有艺工牌GGB25BA四方向等载荷窄型滚动直线导轨副的SZHT2020-P4型数控精密工作台为研究对象,通过理论、试验和有限元分析相结合的方法研究滚动直线导轨副精密工作台的各项性能。根据导轨副刚性和抗振性差、结构复杂等的缺点,本文主要针对这两方面的特点,对滚动直线导轨副精密工作台进行了力学性能以及静动态性能的一些研究。本文的研究内容主要包含以下几个方面：（1）对课题研究意义、滚动直线导轨副国内外发展现状以及最新研究动向进行理论性的了解,并对全文进行构思,提出了理论研究、动态试验和有限元分析相结合的研究方法。（2）对滚动直线导轨副进行了与力学相关的分析。分析了影响其工作性能的几个重要参数指标。并分析了摩擦力的影响因素之一的弹性滞后损失,得到较精确的摩擦力。推导出精密工作台各滑块受载的理论计算公式；并通过模拟的试验工况载荷来验算导轨副的工作性能。得到了精密工作台呈直线和抛物线轨迹运动时,各方向速度的关系,并开发系统程序对其验证并演示。（3）使用ANSYS Workbench软件对单滑块导轨副进行静力分析,试凑出一种未知弹性体夹层来代替钢球、保持架和滚道间结合面的复杂接触关系,使导轨副在样本规定的几种额定负载之内所产生的刚度变形量,满足刚度要求。得到了准确的有限元模型。（4）用有限元仿真方法识别出了滚动直线导轨副的静刚度。采用弹簧加阻尼的方法模拟结合面,建立了滚动直线导轨副的动力学模型,推导其固有频率的理论公式并计算结果。进行有限元模态分析,求得前6阶的固有频率及对应的振型,对照结果并证明有限元模型及理论模型的动态性能的分析是准确的。（5）对精密工作台整体静、动态特性进行有限元分析。求解了其整体及各向的静刚度值。考虑结构的动态特性,对工作台进行了模态分析,确定结构的固有频率和振型。（6）使用HP3566A动态信号分析系统,并采用锤击法,对工作台进行动态试验,测得了工作台的固有频率及振型,得到了精密工作台的实际动态特性,同时对比有限元分析结果,验证有限元分析模型的正确性。本文对有效提高导轨副产品质量具有实际意义,同时也为新产品开发提供重要的理论依据和试验装置手段。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究意义
• 1.2 滚动直线导轨副国内外发展现状
• 1.2.1 国外滚动直线导轨副的发展动态
• 1.2.2 滚动直线导轨副在我国的发展状况
• 1.3 滚动直线导轨副的研究动向
• 1.3.1 滚动直线导轨副额定载荷及额定寿命的研究概述
• 1.3.2 滚动直线导轨副结合面性能的研究概述
• 1.4 本文的主要工作
• 第2章 滚动直线导轨副精密工作台的力学性能分析
• 2.1 滚动直线导轨副的结构及优点
• 2.1.1 滚动直线导轨副的结构（GGB型）
• 2.1.2 滚动直线导轨副的优点
• 2.2 滚动直线导轨副的力学性能参数
• 2.2.1 滚动直线导轨的额定寿命L和额定动载荷C
• 0'>2.2.2 额定静载荷C₀
• 0'>2.2.3 额定静力矩M₀
• s'>2.2.4 静安全系数f_s
• 2.2.5 摩擦系数μ
• 2.3 弹性滞后损失对摩擦力的影响
• 2.4 作用于滚动直线导轨副的载荷计算
• 2.4.1 滚动直线导轨副的载荷特点
• 2.4.2 滚动直线导轨副载荷求解的理论依据
• 2.4.3 四滑块工作台中滚动直线导轨副负载的计算
• 2.4.4 试验载荷下的理论验算
• 2.5 数控精密工作台的运动轨迹分析
• 2.5.1 数控精密工作台的特性
• 2.5.2 运动轨迹为直线
• 2.5.3 运动轨迹为抛物线
• 2.5.4 数控精密工作台运动轨迹分析系统的开发
• 2.6 本章小节
• 第3章 滚动直线导轨副有限元模型在额定静负载下的分析和验证
• 3.1 弹性体结合面模拟接触关系
• 3.2 对单滑块进行实体建模
• 3.2.1 使用Pro/ENGINEER软件进行建模
• 3.2.2 Pro/ENGINEER与ANSYS Workbench的数据对接
• 3.3 使用Workbench Simulation 11.0对模型进行前处理
• 3.3.1 定义材料属性
• 3.3.2 添加虚拓扑
• 3.3.3 对装配体设定接触选项
• 3.3.4 设定网格划分参数并进行网格划分
• 3.4 滚动直线导轨副的静力学分析
• 3.4.1 静力学分析步骤及额定负载
• 3.4.2 滑块受到额定静载荷的响应
• 3.4.3 滑块受到额定静力矩及远端载荷时的响应
• 3.5 验算静力分析结果的准确性及确定弹性体参数
• 3.5.1 验算静力分析结果
• 3.5.2 确定弹性体参数
• 3.6 本章小结
• 第4章 滚动直线导轨副的动态特性分析
• 4.1 滚动直线导轨副静刚度的识别
• 4.1.1 导轨副静刚度的有限元仿真分析
• 4.1.2 整理结果数据并计算刚度值
• 4.2 滚动直线导轨副的动力学模型
• 4.2.1 理论模型与固有频率的公式推导
• 4.2.2 单滑块固有频率的理论计算
• 4.3 滚动直线导轨副的模态分析
• 4.3.1 有限元模态分析过程
• 4.3.2 振型结果的分析与固有频率理论值和仿真值的对比
• 4.4 本章小结
• 第5章 数控精密工作台整体静动态有限元分析
• 5.1 数控精密工作台的实体建模
• 5.2 数控精密工作台的静力分析
• 5.2.1 有限元前处理
• 5.2.2 施加载荷和边界条件
• 5.2.3 求解模型并分析结果
• 5.3 精密工作台的模态分析
• 5.3.1 有限元模型的模态分析过程
• 5.3.2 查看固有频率与振型云图
• 5.3.3 分析振型结果
• 5.4 本章小结
• 第6章 精密工作台整体结构的模态试验
• 6.1 模态试验前提条件
• 6.2 试验原理及试验装置
• 6.2.1 试验原理
• 6.2.2 测量与分析装置
• 6.2.3 激励装置
• 6.2.4 传感器装置
• 6.3 试验方案
• 6.3.1 试验方法与试验过程
• 6.3.2 试验过程的注意事项
• 6.4 分析试验结果
• 6.5 对有限元分析结果的验证
• 6.6 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢