直线滚动导轨的静刚度建模研究与动力学特性分析

论文摘要

相对于传统的直线滑动导轨,直线滚动导轨具有很多滑动导轨所不具备的优点。因此,近年来,直线滚动导轨广泛的应用于高精度的定位系统,例如CNC机床、测量系统与运输系统等。伴随着对高精度机床的日益增长的需求,为了获得高速度和高精度的定位系统,在机床的设计阶段,了解直线滚动导轨的静态、动态特性就显得尤为重要。研究表明,直线滚动导轨结合面产生的刚度和阻尼对机床的动态性能有显著的影响。然而机床动力学建模过程中导轨结合面的处理,一直是影响机床动态设计和仿真精度的关键。本文以日本THK公司生产的径向型直线滚动导轨为研究对象,在有限元静力分析的基础上提出了直线滚动导轨可动结合部的静刚度解析计算公式,并通过理论计算、有限元分析与试验相结合的方法研究了导轨可动结合面与螺栓固定结合面对直线滚动导轨动态性能的影响。本文的主要研究内容如下：(1)本文总结和归纳了机床导轨结合面动力学建模的研究方法和研究现状,提出了理论研究、动态试验和有限元分析相结合的结合面研究方法。同时也对国内外螺栓结合面的有限元建模方法进行了归纳和总结,对其中几种较为典型的建模方式进行了仿真与对比,并根据相关理论得到与本文所研究导轨相关的螺栓结合面参数。(2)对THK公司生产的径向型直线滚动导轨副进行了静力接触分析,并根据文中提出的直线滚动导轨的静刚度解析计算公式,得到了直线滚动导轨结合面的法向静刚度值和切向静刚度值。(3)建立了直线滚动导轨副的动力学理论模型和有限元模型；通过对直线滚动导轨振动模型的理论计算,获得直线滚动导轨有限元模型的等效刚度以及前5阶理论计算频率。在对直线滚动导轨进行两种边界条件下的有限元模态分析获得了直线滚动导轨的前5阶固有频率和模态振型,最后通过导轨滑块的动态试验验证了理论模型和有限元模型的准确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 本论文的研究意义
• 1.2 直线滚动导轨简介
• 1.3 结合面动力学建模的研究现状
• 1.4 本文的研究内容
• 第2章 滚动导轨螺栓固定结合面的建模研究
• 2.1 引言
• 2.2 螺栓预紧力的模拟
• 2.2.1 螺栓预紧力的计算
• 2.2.2 螺栓预紧力的模拟
• 2.3 螺栓接触面的模拟
• 2.3.1 接触单元的选择
• 2.3.2 接触面的接触类型选择
• 2.4 螺栓实体的有限元建模
• 2.5 典型螺栓建模的仿真与对比
• 2.5.1 螺栓有限元的静力分析
• 2.5.2 螺栓有限元的模态分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 直线滚动导轨的解析模态分析
• 3.1 引言
• 3.2 直线滚动导轨静刚度的研究现状
• 3.3 直线滚动导轨结构参数的确定
• 3.3.1 直线滚动导轨的沟槽类型及选择
• 3.3.2 直线滚动导轨滚珠的排列方式及选择
• 3.3.3 直线滚动导轨的结构参数列表
• 3.4 直线滚动导轨静刚度的解析建模
• 3.4.1 导轨副的受力分析
• 3.4.2 考虑滑块体和滑轨变形的导轨静刚度模型
• 3.5 滚动直线导轨接触特性的有限元分析
• 3.5.1 滚动直线导轨模型的简化
• 3.5.2 滚动直线导轨有限元模型的建立
• 3.5.3 滚动直线导轨接触分析
• 3.5.4 导轨静刚度计算
• 3.6 直线滚动导轨的动力学模型
• 3.7 直线滚动导轨动态特性的解析计算
• 3.8 小结
• 第4章 直线滚动导轨的有限元模态分析
• 4.1 引言
• 4.2 模态分析的理论
• 4.3 常见的结合部处理方式
• 4.4 滚动直线导轨的模态分析
• 4.4.1 滚动直线导轨的有限元模型的建立
• 4.4.2 自由状态下含预紧力的导轨模态分析
• 4.4.3 约束状态下含预紧力的导轨模态分析
• 4.4.4 有限元结果分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 直线滚动导轨的试验模态分析
• 5.1 引言
• 5.2 试验模态分析技术
• 5.2.1 试验模态分析的基本理论
• 5.2.2 试验系统的构成
• 5.2.3 试验的准备与设计
• 5.3 直线滚动导轨的模态试验
• 5.3.1 模态试验测试系统
• 5.3.2 试验装置的连接
• 5.3.3 激振点和拾振点布置
• 5.3.4 激励方式
• 5.4 试验结果与数据分析
• 5.4.1 滑块激励下试验结果
• 5.4.2 导轨激励下试验结果
• 5.4.3 导轨滑块同时激励的整体试验
• 5.4.4 试验结果对比
• 5.5 小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢