滚珠丝杠进给系统动态特性分析与参数辨识

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随着高端数控机床的速度、精度和加速度越来越高,我国对数控机床的需求不仅仅体现在数量上,还体现在综合机械性能方面,滚珠丝杠进给系统作为数控机床的进给机构,其动态特性与结合部参数有重要关系。本文对滚珠丝杠进给系统的动态特性分析、结合部参数辨识和参数辨识应用进行研究:(1)针对滚珠丝杠进给系统的动态特性分析问题,提出了一种改进集中参数法与分布式参数法相结合,以此建立系统的动力学模型。首先将左段丝杠与右段丝杠视为连续的弹性体,中段丝杠与螺母接触配合的结构视为刚体,将工作台视为集中质量单元,滚动轴承组、丝杠螺母副、导轨滑块副以及左段丝杠、右段丝杠与中段丝杠之间的结构简化为弹簧阻尼单元,然后计算系统的总动能、总势能以及总耗散能,建立系统的振动微分方程组。最后分析了系统的固有频率随着工作台位置、工作台质量以及滑块间距改变时的影响规律,分析结果将有助于参数辨识在立式数控铣床上的应用。(2)针对滚珠丝杠进给系统的轴向参数辨识问题,首先基于传递矩阵法计算了进给系统的轴向振动方程和分析了工作台的受力情况,并基于振动微分方程推导了轴向刚度和阻尼参数的辨识模型,然后根据系统的振动位移幅值建立辨识方程组,最后将参数辨识问题转变成粒子群遗传混合算法优化问题。(3)针对滚珠丝杠进给系统的轴扭耦合参数辨识问题,首先基于频响函数法推导多子系统的响应耦合方程,采用牛顿欧拉方程、响应耦合方程以及拉格朗日能量法建立系统的轴向子系统、扭转子系统以及工作台子系统模型,然后建立固有频率和振动幅值的辨识方程组,最后将参数辨识问题转变成遗传算法优化问题。(4)以立式数控铣床为例,首先描述了铣床以及功能部件建模的简化方法,对其立柱与床身之间固定结合部的刚度以及滚动结合部的刚度参数进行了评估。然后,建立了铣床的有限元模型,在考虑结合部刚度参数和不考虑结合部参数两种情况下,对铣床进行了理论模态分析。固有频率和振型表明,在高阶模态的情况下,结合部参数的动态特性对整个铣床的性能有重要影响。本文的研究内容为数控机床动态特性分析、结合部参数辨识和参数辨识应用研究提供了理论和思想,为后续的研究作了铺垫。
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