直线滚动导轨动力学特性解析及有限元建模

论文摘要

直线滚动导轨具有运动灵敏度高、定位精度高、牵引力小、磨损小、润滑维修简便等优点,已逐渐取代了传统的滑动直线导轨(重载机床除外),成为当前数控机床的重要功能部件。直线滚动导轨通常连接着工作台和主轴箱,其动力学特性直接影响着机床的加工精度和加工效率。因而,测试、建模、分析滚动导轨的动力学特性是机床整机动力学分析的基础,对数控机床抗振性及稳定性设计也有着重要的意义。本文以NSK公司生产的LH35型直线滚动导轨为研究对象,重点研究考虑结合部特性的直线滚动导动力学特性建模问题,分别对直线滚动导轨进行了解析建模和有限元建模,并通过多体动力学分析软件及模态实验验证了解析建模和有限元建模的正确性。并将导轨模型应用到整机分析中,考察导轨结合部对整机性能的影响。具体研究内容如下：(1)总结了机床导轨结合部的研究方法和研究现状,对目前学者们提出的各种导轨结合部动力学模型进行了分类,列举了5种导轨结合部的处理方法,包括用弹簧阻尼单元模拟结合部、用解析表达式描述结合部特性、用假想材料模拟结合部特性、用自创的结合部单元来模拟结合部、用接触单元模拟结合部特性,并对5种处理方法进行了简单的评价。(2)在前人动力学模型的基础上,采用弹簧阻尼单元,以LH35型直线滚动导轨为研究对象,对其进行了解析建模。应用拉格朗日方法,建立了五自由度耦合方程,求得直线滚动导轨五阶固有频率的解析表达式,并带入相应的参数,解得五阶固有频率数值,并在ADAMS中进行了仿真验证,验证了解析建模的正确性。(3)应用添加假想材料方法,对导轨进行了静力分析；应用添加弹簧阻尼单元,对导轨进行了模态分析,求得直线滚动导轨的前五阶固有频率及对应的模态振型；对模态分析所用模型,对导轨进行了谐响应分析。(4)应用B&K等设备进行了直线滚动导轨的模态实验,获得滑块响应点的振动响应,得到导轨系统的频响图,进而得到固有频率及阻尼比,并将实验结果与解析结果和有限元分析结果进行了对比,验证了解析建模及有限元建模的合理性。(5)建立了包含导轨的立式铣床简化模型,在不考虑导轨结合部的情况下,对整机进行了静力分析和模态分析。采用添加假想材料方法模拟导轨结合部,在考虑导轨在轻、中预载条件下,考察整机的静力学性能；采用弹簧阻尼单元方法模拟导轨结合部,在考虑导轨在轻、中预载条件下,考察整机的动力学性能；将上述分析结果与不考虑导轨结合部特性的分析结果进行了对比,发现结果差异较大,说明导轨结合部动力学特性对整机性能影响较大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的与意义
• 1.2 机床导轨动力学特性概述
• 1.2.1 直线滚动导轨简介
• 1.2.2 NSK直线导轨简介
• 1.2.3 表征导轨动力学特性的参数
• 1.3 国内外机床导轨结合部的研究现状
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第2章 直线滚动导轨结合部动力学建模方法
• 2.1 结合部对机床抗振性能的影响
• 2.1.1 数控机床产生振动的原因
• 2.1.2 数控机床抗振性的定义
• 2.1.3 导轨结合部对机床抗振性能的影响
• 2.2 导轨系统动力学建模方法
• 2.2.1 解析建模
• 2.2.2 实验建模
• 2.2.3 有限元建模
• 2.3 导轨结合部处理方式
• 2.3.1 用弹簧阻尼单元模拟结合部
• 2.3.2 用解析表达式描述结合部特性
• 2.3.3 用假想材料模拟结合部特性
• 2.3.4 用自创的结合部单元来模拟结合部
• 2.3.5 用接触单元模拟结合部特性
• 2.4 本章小结
• 第3章 直线滚动导轨动力学特性解析建模
• 3.1 直线滚动导轨解析建模
• 3.1.1 Lagrange建模概述
• 3.1.2 直线滚动导轨运动方程建立
• 3.1.3 直线滚动导轨固有频率解析表达式
• 3.2 基于解析公式的导轨系统固有特性求解
• 3.3 解析模型有效性验证
• 3.4 本章小结
• 第4章 直线滚动导轨有限元建模
• 4.1 有限元法简介
• 4.1.1 有限元基本概念
• 4.1.2 有限元分析法流程
• 4.1.3 ANSYS软件简介
• 4.2 直线滚动导轨有限元分析
• 4.2.1 采用假想材料建模的直线滚动导轨静力分析
• 4.2.2 采用弹簧阻尼单元建模的直线滚动导轨模态分析
• 4.2.3 采用弹簧阻尼单元建模的直线滚动导轨谐响应分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 直线滚动导轨动力学实验
• 5.1 模态分析技术
• 5.2 导轨模态实验
• 5.2.1 实验目的与原理
• 5.2.2 实验结果分析
• 5.2.3 实验结果对比
• 5.3 本章小结
• 第6章 机床整机有限元分析
• 6.1 整机模型建立
• 6.2 不考虑导轨结合部的整机有限元分析
• 6.2.1 整机静力分析
• 6.2.2 整机模态分析
• 6.3 考虑导轨结合部的整机有限元分析
• 6.3.1 整机静力分析
• 6.3.2 整机模态分析
• 6.4 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果