金刚石线切割机进给系统的动态特性分析

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进给系统作为机床最重要的部件之一,其静动态特性对机床的加工质量和效率的影响是非常显著的。传统的类比、经验设计方法是难以达到机床动态性能要求的,必须采用动态分析及动态设计的方法。对进给系统进行动态性能分析时,以往常采用理论建模计算和动态特性试验相结合的方法来施行。对于各机械结合部的动态特性参数,主要依靠试验测定或者试验积累的相关数据算出;而对于进给系统的整体动力学等效模型,则主要采用有限元的方法来算出其模态振型及固有频率。但金刚石线切割机进给系统有普通机床所不具备的特殊结构,现有文献对其研究还有待深入。本文借鉴已有的研究成果,以本课题组与某企业共同开发的金刚石线切割机进给系统为对象,对其动态性能进行了专门的研究。首先,以机床结构的动力学模型建模理论为基础,结合金刚石线切割机进给系统的具体结构,建立了其整体动力学模型。针对滚珠丝杠、直线滚动导轨、滚动轴承等运动结合面的特点,将三者作为一个整体,建立了其等效动力学模型;对于螺栓连接的固定类结合面,其动力学模型是一致的;对于夹紧气缸结合面,与空气弹簧类比建立其动力学模型。对于支撑基座和进给板,则进行了模态分析,并适当地进行了优化。其次,对各个结合面的等效动态参数进行了详细计算。对于滚珠丝杠、直线导轨及滚动轴承,以三者为整体,计算了三者的综合等效刚度和阻尼;对于螺栓连接固定结合面,采用吉村允孝结合面面积积分法来计算;对于夹紧气缸,提出了运用空气状态方程和空气动力学推导出其等效动态参数的解析解。最后,以前述的动力学模型和等效动态参数为基础,在ANSYS动力学仿真软件中建立了金刚石线切割机进给系统的有限元模型,并计算出其模态振型及固有频率,然后施加符合实际工况的外部周期激励,得到进给系统的动力响应结果。对金刚石线切割机进给系统进行动态特性试验,以试验结果验证有限元仿真结果的正确性。在对进给系统进行模态分析的基础上,找到系统的薄弱环节,进行试优化。
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