（机械制造及其自动化专业论文）高速高精度pcb数控钻床进给系统静动特性的研究.pdf

中文摘要 摘要：p c b 的高密度化、细导线化、窄间距化的发展趋势使得p c b 钻孔越来越小， 越来越多，对p c b 钻孔加工精度和效率的要求也越来越高。数控钻床进给系统静、 动特性是影响加工精度的主要因素之一。提高进给系统静、动特性对提高p c b 数 控钻床加工能力具有重要的意义。本文借助于某公司两轴p c b 数控钻床，针对进 给系统的静、动特性展开研究。 首先，研究高速高精度p c b 数控钻床进给系统的组成以及各零部件的工作特 性，建立进给系统合理的实体模型以及动力学数学模型，在数学模型的建立过程 中通过有限元技术很好地将台板的变形以及导轨的安装误差等因素对系统性能的 影响反应到模型当中。 。 然后，研究滚珠丝杠在“固定一支撑和“固定一固定 两种方案的情况下 系统的静、动特性，发现方案一系统将在基频处产生共振且系统的动力学响应性 也较差，而方案二则优于方案一；获得两种方案下台板的刚度以及安装误差与丝 杠挠度关系曲线以及挠度对于系统性能的影响结果；通过对系统进行灵敏度分析 和动力学仿真分析，探究系统中的薄弱环节，研究提高进给系统静、动特性的改 进方向以及相应参数。 最后，针对薄弱环节对台板进行结构拓扑优化设计，将优化结果重新进行实 体造型。对优化后的模型进行静、动特性分析以及系统动特性仿真分析，得到优 化后系统的静、动特性提高，证明了本文的实用性以及很好的理论指导作用。 关键词：进给系统；模态分析；动力学响应；有限元分析；结构拓扑优化 分类号：t h l l 3 a b s t ra c t a b s t r a c t ：t h ed e v e l o p i n gt r e n do fp c bt o w a r d sh i g h d e n s i t y , t h i nw i r e ，t h en a r r o w s p a c i n go ft h ed e v e l o p m e n tm a k e sp c bd r i l l i n gb e c o m es m a l l e ra n ds m a l l e ra n d r e x l u i r e sah i g h e rp r e c i s i o na n de f f i c i e n c y t h es t a t i ca n dd y n a m i cp r o p e r t i e so ft h e c n c d r i l l i n gm a c h i n ef o r m i n gs y s t e mi so n eo ft h em a i nf a c t o r sm a ta f f e c tt h ep r e c i s i o n i m p r o v i n gt h es t a t i ca n dd y n a m i cp r o p e r t i e so ft h i sm a c h i n ei so fg r e a ts i g n i f i c a n c et o i t sp r o c e s s i n gc a p a c i t y t h i sp a p e rm a k e sas t u d yo nt h es t a t i ca n dd y n a m i cp r o p e r t i e s o ff e e d i n gs y s t e mw i t ht h eu s eo ft w o - a x i sp c bc n c d r i l l i n gm a c h i n ei nac o m p a n y f i r s t ，t h es t u d ym a k e sar e s e a r c ho nt h et h ec o m p o n e n t so ff e e d i n gs y s t e mw i t h h i g h s p e e da n dh i g h - p r e c i s i o na sw e l la st h eo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so fa l lp a r t sa n d t h e nb u i l dar e a s o n a b l es o l i dm o d e la n dam a t h e m a t i c a lm o d e lo fd y n a m i c si nt h e f e e d i n gs y s t e m i nt h ep r o c e s so fb u i l d i n gt h em a t h e m a t i c a lm o d e l ，t h ei m p a c to ft h e s e 也c m r ss u c ha st h ep l a t ed e f o r m a t i o na n dt h ee ：r r o r si nt h ei n s t a l l a t i o no fg u i d er a i l s w i l lb ew e l lr e f l e c t e di n t h em o d e lt h r o u g ht h ef i n i t ee l e m e n tt e c h n i q u e s e c o n d ，s t u d yo nt h es t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ef e e d i n gs y s t e mi nt h e c a s eo ft h eb a l ls c r e wi nt h ec a s e so ft h e ”f i x e d - s u p p o r t a n d f i x e d f i x e d ”，a n df i n d t h a tt h ef i r s tp r o g r a mw i l ls e tu pr e s o n a n c ei nt h eb a s i cf r e q u e n c ya n dt h ed y n a m i c r e s p o n s ei sp o o r h o w e v e r , t h es e c o n dp r o g r a mi sb e t t e rt h a nt h ef i r s to n e ；f u r t h e rm o r e , t h es t u d yw i l lg e tt h es t i f f n e s so fp l a t ea n dt h ed e f l e c t i o nc u r v eo ft h ei n s t a l l a t i o ne r r o r a n dt h es c r e wa sw e l la st h ei m p a c to fd e f l e c t i o no nt h es y s t e mp e r f o r m a n c e ；t h es t u d y w i l la l s op r o b ei n t oaw e a kl i n ki nt h es y s t e mt h r o u g ht h es e n s i t i v i t ya n a l y s i sa n d d y n a m i cs i m u l a t i o na n a l y s i s ，a n ds t u d yt h ei m p r o v e m e n td i r e c t i o no ft h es t a t i ca n d d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h es y s t e ma sw e l la st h ec o r r e s p o n d i n gp a r a m e t e r s f i n a l l y ，t h es t u d yw i l lm a k es t r u c t u r a lt o p o l o g yo p t i m i z a t i o np l a t ed e s i g no nt h e w e a kl i n k s ，a n dt h eo p t i m i z i n gr e s u l t sw i l lb eu s e di nt h es o l i dr e m o d e l i n g a n dt h e s i m u l a t i o na n a l y s i so fd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h es y s t e mw i l lb em a d et og e tt h e i m p r o v e m e n to nt h es t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h es y s t e ma f t e rt h es y s t e m h a sb e e no p t i m i z e d ，w h i c hp r o v e st h ep r a c t i c a l i t yo ft h i sp a p e r , a n dw i l lp l a yar o l ei n t h et h e o r e t i c a lg u i d e k e y w o r d s ：f e e d i n gs y s t e m ；m o d a la n a l y s i s ；d y n a m i c sr e s p o n s e ；f e a ；s t u c t u r a l t o p o l o g yo p t i m i z a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 虢节：犷月2 铝 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) = 荔是f 辩醐乡年脚日1 导师签名： 飙名夕日 致谢 本论文的工作是在导师李建勇教授的悉心指导下完成的，导师在学术上严谨 敏锐、深邃的洞察力等都是我学习的楷模，为我以后的学习和工作尊定了良好的 基础。在此衷心感谢李建勇老师对我的关心和指导。 特别感谢王恒老师两年来对我实验室的科研工作的悉心指导，王老师的细心 指导使我专业水平和科研能力的得到了极大的拓展和提高，同时在生活上也给予 了我很大的关心和帮助，在此向王恒老师表示衷心的感谢。 鄂明成老师、程卫东老师、温伟刚老师、黄铁球老师等对于我的科研工作和 论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 在撰写论文期间，王丁磊、马丽梅、魏强、寇莎莎等以及一起学习的徐金墀、 刘荣星、辛浩、王子成、孔涛、智少丹等同学对我论文研究工作给予了热情的帮 助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人以及各位好朋友，他们的理解和支持使我能够在学校专 心完成我的学业。 钸南悖，哗 秀埤、日刊乙犟闺 1 绪论 1 1p c b 数控钻床的概况及发展趋势 1 1 1p c b 数控钻床的概况 印刷电路板( p r i m e dc i r c u i tb o a r d ，p c b ) 是组装电子零件用的基板和关联部件， 是现代电子设备、电子仪器和电子计算机等电子设备中必不可少的重要部件。近 年来随着电子产品的快速发展，对p c b 的质量要求不断提高，其需求数量也持续增 加，从而对p c b 钻孔质量和效率的要求越来越高。p c b 的整个生产过程中钻孔是关 键的一步，通常钻孔的费用占p c b $ 1 j 板费用的3 0 4 0 ，钻孔质量决定着p c b 质量的好坏n 。p c b - f _ 业的繁荣给p c b 数控钻床设备的发展带来极大的机遇和挑 战。随着电子产品向“小、轻、薄的方向发展，使p c b 的布线越来越密，对p c b 的钻孔质量要求越来越高，提出了通常在0 0 2 5m m 左右的定位精度要求，从而对 数控钻床的要求也越来越高。上世纪六十年代初以来，工业发达国家的许多p c b 加工设备的设计、生产厂家，为了满足对p c b j j i - 1 - _ 的要求，使公司生产的p c b 加工 设备具有强劲的市场竞争能力，纷纷投入较大的人力、物力和财力，对p c b j i i 工设 备存在的问题进行针对性攻关。当前在p c b 生产制造公司里普遍的采用数控钻床进 行p c b 钻孔的加工方式，据统计，目前有9 0 9 6 左右的钻孔设备都是采用p c b 数控钻床 1 。专门用于p c b t 业的c n c 钻床是在上世纪6 0 年代初面世的，从此开辟了p c b i 业 c n c 钻铣技术发展的新局面。我国的p c b 数控钻床起步较晚，在八十年代中期才开 始将数控技术引入p c b 钻孔领域，九十年代得到了一定的发展。同类产品最早从台 湾开始出现雏形，p c b 数控钻床钻孔速度一般低于1 孔秒h 1 。国产p c b 数控钻床与工 业发达国家相比仍然还存在着一定的差距，通过阅读国内外文献资料踊 6 1 ，分析了 国内外在p c b 数控钻床钻孔加工方面的主要性能差距如表1 1 。 表1 1 国内外p c b 数控机床性能的比较 t a b l e l 1t h ep e r f o r m a n c eo fc n cd r i l l i n gm a c h i n e 进给加速度( m s 2 ) 定位精度( 咖) 重复定位精度( r a m ) 1 - - 一3 9 0 0 0 2 5 0 0 0 1 1 1 5 9 0 0 0 5 0 0 0 5 实际钻孔精度( 咖) 最小钻孔直径( m m ) 最大钻孔直径( n u n ) 最人钻孔速度( 个m i n ) o 0 2 0 1 6 o 5 0 0 0 0 5 0 2 6 0 2 5 0 当今我国p c b 数控钻床的微小孔加工能力不足主要表现在以下几方面： ( 1 ) 加工0 5m m 以下大小的孔时加工效率低，不能满足一些经济指标的要 求，断刀现象严重，而且孔壁质量差；加工0 1m m 以下大小的孔非常困难甚至 不能加工。 ( 2 ) 加工效率不高主要表现在x 、y 、z 轴的移动速度较低。 ( 3 ) 加工精度不够主要原因之一是进给系统的定位精度不足。 ( 4 ) 可靠性不高。国产平均无故障工作时间在3 0 0 d x 时，与国外的平均8 0 0 d 、时 相差悬殊。 目前我国生产的主要还是较低端的p c b 数控钻床，其性能和种类尚不能满足 p c b 生产厂家的要求。因此，虽然进口设备的价格比较昂贵，但在国内市场每年约 需1 5 0 0 台，其中国外产品为主流，占9 0 以上1 。 1 1 2 p c b 数控钻床的发展趋势 p c b 数控钻床作为p c b 加工过程中的主要设备，随着p c b 的发展对其钻孔设备 的要求也在不断的提高，主要体现在儿7 9 1 ： ( 1 ) 继续向高速、高精度、钻微细孔和盲孔的方向发展。随着电子产品轻、薄、 短、小要求的不断深化，打微细小孔和盲孔，生产多层p c b 板，将是今后p c b 生 产的主产品。在c n c 钻床现有技术的基础上，继续探讨、研制高速( 1 6 0 0 0 0 r m i n 以 上) 、高精度( 0 0 0 4 m m 以上) c n c 钻床符合微细小孔、深孔( 深度直径比为 2 0 ：1 ) 和盲孔的加工需要，仍是今后一个时期内c n c 钻机发展的主攻目标。 ( 2 ) 研制高速高精度的滚珠丝杠、主轴等等关键部件，从而进一步提高运动平 台的运动速度，提高加工效率。 ( 3 ) 进一步提高机床的可靠性。 ( 4 ) 向着数控编程功能多样化。 总之，为了满足电子整机产品多功能化，小型化，轻量化的要求，p c b 正在 向高精度、大密度、多层化、小型化发展。如何提高p c b 数控钻床的性能以及数控 钻床的制造水平已成为我国电子制造行业的重要研究领域。 2 1 2 数控机床进给系统的研究现状 进给系统作为数控机床机械系统中的重要组成部分以及关键运动部件，其静、 动特性好坏对p c b 数控钻床的性能有着重要的影响。尤其是近年来p c b 数控钻床不 断向高速、高精度的方向发展，对进给系统静、动特性的要求越来越高。其中进 给系统静、动特性主要是静、动特性是影响p c b 数控钻床定位精度的关键因素之一。 目前，国内外在p c b 数控钻床进给系统上主要是采取伺服电机带动安装在滚珠 丝杠螺母副和直线导轨上的工作台的传动形式n 训。 国外已经对机械系统的动特性展开研究，主要是将多体动力学理论运用到进 给系统当中，加之国外由于虚拟样机技术的发展使用早已经商业化，可以借助于 仿真软件进行动态仿真以便更好的进行优化设计，使得国外在进给系统静、动特 性的研究上更先进一些；同时国外还致力于对零部件进行结构上不断的优化和新 材料的研制。例如国外用有限元法优化机床移动部件几何形状和尺寸参数，在不 影响刚度的条件下减轻质量和惯性保证工作台有良好的动特性，如普遍采用龙门 式、框式、o 型整体结构，箱中箱式结构，l 型床身等。国外机床滚珠丝杠驱动的 快速进给大多在4 0 m m i n 以上，最高已达n 9 0 m m i n ，而日本通过加大导程提高 循环部分的零件质量已经研制出1 0 0 m m i n 的滚珠丝杠。国内加工中心快速进给大 多在3 0 m m i n 左右，个别达至u 6 0 m m i n 。在1 9 9 9 年日本国际机床展会上看到大部 分高速加工中心都使用大导程滚珠丝杠副如日本马扎克公司在f f 6 6 0 机床上使用 滚珠丝杠副，机床快速移动速度达9 0 m m i n ，加速度达1 5 9 。 我国由于虚拟样机、有限元技术还处在发展期并且主要集中在一些院校和科 研机构，使得我国在进给系统静、动特性的分析和设计方面还落后于国外，并且 在结构创新设计核心材料的研制上也落后于国外，这导致国内的许多设计生产厂 家对机械产品的设计没有很好的对其机静、动特性进行分析，而大多仍采用经验 和样机试制的方式开发产品。随着p c b 钻孔加工对数控钻床要求的不断提高，国内 也开始重视了对静、动特性的研究。文献n 2 1 3 ，对滚珠丝杠进给系统建立动力学模 型，分析了丝杠变形对静、动特性的影响，但是仅对滚珠丝杠的静、动特性展开 研究；文献n 4 1 5 1 运用有限元方法对龙门加工中心中进行力动力学分析和拓扑优化 设计，并将灵敏度分析技术应用于动特性的分析当中，提高了整机的静、动特性， 但是主要是针对静特性；文献n 6 1 7 1 运用集中质量法，拉格朗日方程很好的对拽引 电梯系统建立动力学方程，对其动态性进行了分析；文献n 8 剐借助与虚拟样机技 术对机械传动系统的动态性进行了研究，在一定程度上定量的分析，但是他在所 建的动力学模型中并没有考虑传动系统中的耦合性，而实际机械传动系统是一个 耦合的多体系统；运用虚拟样机技术对曲柄连杆机构进行并借助a n s y s 软件对曲 3 轴进行了精确的动力学相应分析，获得了很好的仿真效果为曲柄机构的改进提供 了很好的设计方案。 虽然对系统的静、动特性的研究已经取得了定的成果，但是由于机械系统 的构成、使用工况及对系统性能的要求各不相同，目前尚没有一套现成的完整理 论柬指导实践，必须针对具体的问题具体分析。 1 3 课题的提出及意义 本课题以深圳某公司的龙门型两轴p c b 数控钻床进给系统为研究对象如图1 1 所示，针对p c b 数控钻床在高速高精度钻孔加工过程中出现定位精度不足的问题展 开研究，分析影响进给系统定位精度的因素并对进给系统展开静、动特性的研 究，寻找一种有效的改进方法来改善进给系统静、动特性从而提高机床的加工性 能，以便用于指导实际p c b 数控钻床进给系统的设计和制造过程中。 本文丌展高精度高速p c b 数控钻床进给系统静、动特性的研究与应用，探寻系 统的薄弱环节对其进行优化运用有限元以及虚拟样机技术在设计阶段就可以对 其性能进行仿真分析，有利用系统的设计改进，可以从理论上分析和指导p c b 数控 钻床进给系统设计、制造等：能有效的提高整机的加工性能，降低成本，提高我 国p c b 数控钻床的钻孔加工能力，有利于打破国外产品垄断国内f h 场的局面，对提 高我国电子制造工艺装备水平和电子信息制造业自我配套能力具有重要的现实意 义。 图1l 两轴p c b 数控钻床 f i g 1 - ip c b c n c d l l 堍m a c h i n e 1 4 论文的内容安排 第一章：绪论阐述了p c b 数控钻床的发展，国内外数控机床性能的对比，p c b 数控钻床的发展趋势，以及数控机床进给系统的概况。分析了国内外研究现状， 简述了本课题提出以及意义，最后对本文的主要内容作了安排。 第二章：针对进给系统的多样性以及复杂性分析了本课题中进给系统的组成、 工作原理以及主要零部件工作特性，并通过理论联系实践的方法确定进给系统零 部件的相应参数；对主要零部件以及整个进给系统采取了实体造型构建虚拟样机 模型，进行运动仿真，验证模型正确性。 第三章：对进给系统的实际工作状况进行了分析运用多体动力学知识采用集 中参数法建立进给系统的动力学力学模型，运用拉格朗日方程和能量方程建立进 给系统的五自由度的耦合数学模型，对模型中的参数进行确定，其中通过有限元 分析将导轨的安装误差给系统带来的影响也反应到系统的数学模型中。 第四章：运用模态分析方法很好的对耦合的数学模型进行了解耦，对其动特 性进行理论分析，借助a n s y s 以及a d a m s 软件对进给系统主要零部件和系统的 静、动特性进行了仿真分析，研究了其影响因素，提出提高系统性能的改进方法。 第五章：针对薄弱环节对台板进行结构优化设计，对优化后的结构以及整个 进给系统进行静、动特性分析，对优化结果进行评定。 第六章：结论与展望 5 2 进给系统的方案及实体造型 p c b 数控钻床是典型的机电一体化产品，整机的性能主要受机械系统、伺服 控制系统和数控系统性能的影响。机械系统是p c b 数控钻床的基体，而进给系统 作为机械系统加工过程的主要执行机构，其性能好坏直接影响着数控机床的加工 性能。如何提高进给系统性能一直是国内外为提高数控机床性能所研究的重点。 2 1 进给系统的组成 随着p c b 上的布线越来越密集、孔越来越多、孔径越来越小对p c b 数控钻 床的“高速、高精度、启停频繁”等要求越来越高因而进给系统必须具有快速 进给、精确定位等特点。p c b 数控钻床大多采用龙门式结构，本课题所研究的p c b 钻床进给系统如图2 1 所示，就为三坐标龙门式进给结构。在床身的基础之上安置 双立柱和横梁，构成门式框架结构，台板置于支座平台上，进行横向移动( x 坐 标) ；主轴架置于托板上，沿横梁移动构( y 坐标) ：拖板上装有两个主轴架， 主轴架通过直线导轨安装在拖板上，作垂直运动( z 坐标) 。工作台和拖板分别由 各自的伺服电机带动通过滚珠丝杠副将电机的旋转运动转化为工作台和拖板各自 直线运动，完成x 、y 轴上的定位，主轴架上的电机带动主轴架作垂直运动，完 成z 轴上的定位，如图2 1 所示。 图2lp c b 数控钻床进给系统 f i g2 1f e e d i n gs y s t e mo f p c b c n c d r i l l i n g m a c h i n e 本课题所研究的p c b 数控钻床进给系统在x 、y 、z 方向上是相互独立的且 运动形式一样，因此本文将针对x 轴的进给系统展开研究。 进给系统是p c b 数控钻床的主要机械运动部件，也是机械系统的最终运动部 件，包括伺服电机、联轴器、直线滚动导轨副、滚珠丝杠副以及机床工作台等机 械部件。数控机床中进给系统的静、动特性是机床一项重要的性能指标，尤其在 高速高精度p c b 数控钻床中，瞬态定位更是一个高动态定位控制过程，会把动态响 应特性引入到定位控制中来，因为在高速运动状态下丝杠、工作台、以及连接工 作台与滚珠丝杠副的螺栓等都会发生变形，出现高度不足，从而影响进给系统的 定位精度影响，最终导致出现钻床加工精度不足的问题。因此对于进给系统的静、 动特性能的研究是十分重要的。为了便于研究，得到研究对象x 轴进给系统结构示 意图如图2 2 所示。 巩电机输出转角乙电机输出转矩x ( f ) 台板位移 图2 - 2 进给系统的物理模型 f i g 2 - 2 t h ep h y s i c a lm o d e lo ff e e d i n gs y s t e m p c b 数控钻床进给系统的作用就是将伺服电机驱动装置的运动和动力传给执 行部件，实现进给方向上的精确定位。通常设计进给传动机构时必须满足一定的 要求，才能保证机床进给系统的定位精度和静态、动态性能，从而保证机床的加 工精度。一般要求机床运动平台的进给传动系统具有摩擦阻力小、传动刚度高、 快速定位且运动部件惯性小和传动间隙小等特点窿。 2 1 1直线滚动导轨副 为了提高进给系统的灵敏度、定位精度和防止爬行，必须降低数控机床进给 系统的摩擦并减少静、动摩擦系数之差，因此进给系统常选用的滚动导副轨以及 滚珠丝杠副。 根据工况的具体要求直线滚动导轨的长度要大于1 2 0 0 m m ，在每一条导轨上 安装两个动导轨的结构。 直线导轨的使用条件以及使用环境： 台板质量5 0 妇： 滑块跨距3 5 0 r a m ； 导轨跨距7 0 0 m m ； 运行速度6 0 m m m 。 根据“a 4 - 2ln s k 直线导轨种类及特点”确定使用直线导轨的类型。由于本 系统使用的是双导轨4 滑块的配置，所以选用适用于它的l h ，l s ，l u 系列产品。 直线导轨型号为l h l 5 a n 指标如下2 1 ： 导轨长度 1 6 6 0 r a m ： 基本额定动负荷1 0 8 k n ； 基本额定静负荷2 07 k n ； 滑块重量0 1 8 妊； 滚珠直径31 7 5 m m 。 2 1 2 台板 本文所研究的进给系统中，工作台主要是由台板和通过螺钉吲定安装在台板 上的薄平板组成，平板主要是为了保证工作台的承载面积和平面度。后文中主要 是以台板作为进给系统的最终输出传动部件展开研究。课题中台板的材料为 z l l 0 5 t 由 ：= = 二= ：二二 ，一 一 ， 却f i 西e 三兰= 司= j ：巧c o 导i 丑i = 对j 0 r = j - 耳五_ j 一州 三二t # 一_ _一。一1 。耐如 图2 0 台板的_ t 程圈 f i g2 3p l a t e o f e n g i n e e r i n g & a w i n g s ，ji 量同蚶刖川蝌川刨四 2 1 3滚珠丝杠螺母副 ( 1 ) 滚珠丝杠螺母副的结构形式及安装方式 滚珠丝杠螺母副按照循环的方式可以分为内循环和外循环两种方式，内循环 丝杠在工作的过程中滚珠始终不脱离滚道无反向间隙，反向器固定牢靠、刚性好 不易磨损且丝杠副螺母的外形尺寸较小；滚珠丝杠的反向通道短，滚珠数目少， 流畅性好摩擦损失小、传动效率高。鉴于本课题中要求要有较高的高度以及减少 发热量等要求，选用的是内循环方式。 滚珠丝杠的安装方式采用两种方案：方案一：安装方式选用的是“固定一支 撑”；方案二：安装方式选用的是“固定一固定”。通过两种方案之间的对照， 以便对进给系统采用相同型号零部件的情况下，研究进给系统的静、动特性。 ( 2 ) 滚珠丝杠的选择计算 本文中x 进给进给系统的主要规格技术参数： 工作台的有效行程s = 1 0 0 0 m m ； 工作台质量m ，= 6 0 k g ； 最大加速度1 5 9 m s 2 ； 滚珠丝杠的最高转速4 0 0 0 厂m i n ； 重复定位精度0 0 0 2 5m m ； 台板的快速进给速度v = 6 0 m m i n = 1m s 。 根据实际工况对进给系统中台板的运动条件要求如图2 4 所示。 d h s 2 1 1 5 吕 矿s ) 3 l i 卜、一 ! l !n - 一r t i； i l ! 一l 一 | r nn l jl 矿 | t 1 6面3 0 乱7 08 0 图2 4 台板的理想特性曲线 f i g 2 _ 4 t h ei d e a lc h a r a c t e r i s t i cc u r v eo ft a b l e 结合滚珠丝杠的长度系列最终选取总长度三总= 1 4 0 0 m m 。根据导程、丝杠的底 径以及额定动载荷以及滚珠丝杠副标准参数的组合等，滚珠丝杠副选用n s k 标准 1 0 螺母的l 系列产品胁1 ，型号如表2 1 所示： 表2 1 滚珠丝杠的型号 m 出l e2 1b a l ls c r e wm o d e l s 2 1 4滚动轴承 轴承所承受的载荷的大小、方向和性质是选择轴承类型的主要依据。在一般 转速下，转速的高低对轴承类型的选择不会有什么影响，但是当轴承的转速较高 时就会有比较显著的影响。本课题运动平台的最高转速是4 0 0 0 r m i n ，转速较高，并 且主要是承受的轴向力，同时由于安装误差、热变形等一些外在因素引起台板、 丝杠的变形从而也会产生一定的径向载荷。结合前文的所选的珠丝杠安装方式的 要求，在此结构中轴承将主要承受轴向力以及要具有良好的调心性能，所以轴承 类型固定端选取为角接触球轴承，支撑端选取深沟球轴承。 由此选择滚动轴承为7 6 0 2 0 2 0 ”佃轴承嘲1 ，基本参数如表2 2 所示： 表2 2 角接触球轴承参数 t a b l e2 2 a n g u l a rc o n t a c tb a l lb e a t i n gp a r a m e t e r s 轴承内径 轴承外径 轴承宽度 接触角 滚珠个数 滚珠直径 基本额定动载荷 基本额定动载荷 摩擦力矩 极限转速 2 0 ( m m ) 4 7 ( m m ) 1 4 ( m m ) 6 0 ( 度) 1 7 ( 个) 6 3 5 ( m m ) 1 9 1 0 0 ( ) 3 8 0 0 0 ( ) 5 0 n m m 5 0 0 0 r m i n ( 脂润滑) 6 7 0 0 r m i n ( 油润滑) 2 1 5伺服电机 伺服电机是根据负载条件来选取的。施加在电机上的负载主要有两种：负载 扭矩和负载惯量，其中负载扭矩包括钻削扭矩和摩擦扭矩。负载扭矩应小于所选 电机的额定扭矩；负载扭矩与加速扭矩之和应等于所选电机的最大扭矩。加速扭 矩应考虑负载惯量和电机惯量的匹配，同时还应考虑连续过载时间在所选电机的 允许范围内，负载快速移动时所需的电机转速应在电机的最高转速之内。这样可 以使电机在机床伺服系统中工作性能得以充分发挥。同时为了使伺服进给系统的 进给执行部件具有快速的响应能力，必须使伺服电机转子的惯量，肘与进给负载惯 m j 合理匹配瞳3 1 ，条件如下： 1 孕 4 ( 2 1 ) j l 、 负载的转动惯量，( k g m 2 ) 按照能量守恒定律计算 以= 纠轷纠去) 2 泣2 ) 式中： j i ，n i 分别为个旋转件的转动惯量( 咖2 ) 和转：速( r m i n ) m ，1 ，分别为各直线运动件的质量( 瞎) 和速度( m m i n ) 在本文中旋转部件的转动惯量主要是滚珠丝杠的转动惯量z ，滚动轴承的转 动惯量j 2 ( 忽略) ，联轴器的转动惯量j 3 ；直线运动部件的转动惯量主要是包括 丝杠螺母、直线滑块、支架等在内的工作台组件的转动惯量以。所以负载的转动 惯量为 五= + 以+ 以+ 厶 ( 2 3 ) 以= 言朋存i 1p 以2 = l x d 4 如 4 2 1 1 0 4 ( 咖2 ) ( 2 - 4 ) 联轴器的转动惯量以可以根据所选择的联轴器的型号从其指标中查取 以= 2 2x l o 4 ( k g m 2 ) ( 2 5 ) _ f ，墨2 x 、1 j 2 = 聊( 羡 2 = 6 旷c 6 ， 将式( 2 - 3 ) 一( 2 6 ) 代入式( 3 - - 2 3 ) 得负载转动惯量，= 1 2 4 9 x 1 0 - 4 ( k g m 2 ) 由式( 2 - 1 ) 可求出j ，= 1 2 4 9 x1 0 4 4 9 9 6 x1 0 - 4 范围之内。 根据伺服电机的主动惯量的取值范围以及要求电机的最高转速应大于等于 1 2 3 0 0 0 r m i n 。电机为富士电机，型号为g y g l 0 2 c c 2 t 2 基本参数如下口制： 表2 3 伺服电机参数 t a b l e2 3s e r v om o t o rp a r a m e t e r s 额定输出功率( k w ) 额定转矩( n m ) 最大转矩( n m ) 额定转速( ，- m i n ) 最大转速( r m i n ) 转动惯量( k g m 2 ) 额定电流( a ) 最大电流( a ) 1 0 4 7 7 1 4 3 2 0 0 0 3 0 0 0 1 5 1 4 x1 0 - 4 6 4 1 9 2 2 1 6 联轴器 伺服电机进给系统中有多种联轴器可以选用，最常用的是无齿隙梅花形弹性 联轴器、刚膜片联轴器和波纹管联轴器。本文选用的是无齿隙梅花形弹性联轴器。 方面由于在几种常用的联轴器中它的价格便宜性能又好；另一方面本课题是将 其用在伺服电机和滚珠丝杠之间的直接联结，要求有较高的定位精度，在正反转 时都要求联轴器无转动间隙。无齿隙梅花形弹性联轴器安装时是将梅花形的弹性 元件在一定预压力的作用下装入两个半联轴器内，这样通过对弹性元件施加一个 预压力将弹性元件充分与两个半联轴器接触可以消除正反转时的周向间隙，提高 其扭转刚度。因此这时联轴器的扭转刚度就是弹性元件的剪切、挤压刚度。选取 联轴器的型号为l m l 汹1 ，参数如表2 4 所示： 表2 4 联轴器的型号 t a b l e2 4 c o u p l i n gm o d e lp a r a m e t e r s 2 2 进给系统实体造型 2 2 1 主要零部件的实体造型 1 3 实体造型不仅叫| 三【提供拓扑信息，而且可以包台模型的材料、质量、质心位 置和转动惯量等物理信息。建立实体模型的日的在于： ( 1 ) 实体模型比较直观，并且可以转换为二维模型，稍做修改便可以输出工程 图： ( 2 ) 实体模型包含大量的物理信息，模型可以通过接口转换为有限兀和虚拟样 机动力学仿真分析的模型，是有限冗分析和动力学分析的起点； ( 3 ) 在实体模型中还町以模拟系统的运动，便于发现构件间的干涉。现在大型 工程软件如c a i t i a 、p r o e 等带有功能相当完善的实体造型模块，可以快速准确 的完成复杂系统的实体造型。 为了实现以上目标，本文结合实际条件以及p r o e 软件”“的特点采用 p r o e 对其运动平台进行实体造型。 根据图2 - 3 中所示的尺寸，将其中的圆角、定位孔以及便于安装电气线路而丌 的槽或孔等进行简化处理，利用三维建模软件p r o e 对其台板进行三维实体造型 如图2 5 所示： 酬2 - 5 台扳的实体模型 f i g2 5s o l i d m o d e l o f p l a t e 在p r o e 中分别对滚珠丝杠进行建模如图2 - 6 所示 幽2 - 6 滚珠丝杠实体模型 f i 9 2 - 6s o l i d m o d e l o f b a l ls c r e w 然后根据上文中零部件的型号，按照其各自的参数对联轴器、伺服电机、滚 珠丝杠螵母、轴承支座分别对其进行实体造型。本文中将滚动轴承进行了简化 将滚珠丝杠与轴承支座之间直接进行联接。 2 2 2进给系统的整体建模 根据前面所选出豹机械传动系统各零部件的型号及尺寸分别对滚珠丝杠、丝 杠螺母、直线导轨、联轴器、轴承座、伺服电机等在p r o e 中进行三维实体造型， 最后对各零部件进行装配建模，得到p c b 数控钻床x 轴进培系统的装配模型如图 2 - 7 所示： 图2 7 进培系统装配图 f i g2 7s o l i d m o d e l “1 n ga s s c m b l os y s t e , m 进绘系统零部件以及整体三维实体模型的建立为后文的虚拟样机模型的建立 及仿真以及有限元的分析仿真作好准各工作。 2 3 虚拟样机模型 ( 1 ) 实体模型的导入 在p r o e 中建立系统的模型后我们要进一步检验所建模型的正确性。这样可 以保证我们对其模型的f 确性以及模型进一步细化后仿真结果的f 确性。研究的 过程中忽略伺服电机本身对机械系统的影响，并将滚珠丝杠中的螺纹删除，以阶 梯轴代替；滚珠丝杠是通过轴承安装于轴承支座上的，由于轴承的径向刚度较大， 可认为是刚性的，所以在作模型简化的过程中采用丝杠与轴承座直接接触的；同 时我们将电机的输出动力将以相依的输入形式添加到与电机轴相连接的半联轴器 上作为进给系统的输入。对p r o e 中所建的系统装配模型简化后生成p a r a s o l i d 格 式的文件并将此文件存放于a d a m s 的路径下，最后打开a d a m s 导入生成的 p a r a s o l i d 文件洲，在a d a m s 所得到的模型如图2 7 所示。 一f 蚓2 - 8 导八a d a m s 中的装配模型 f i 9 2 - 8 a s s e m b l es y s t e m m o d e l i n t o a d a m s 在a d a m s 中通过导入p a r a s o l i d 文件生成的装配模型是没有质量、材料等物 理参数，而且相互之间也没有任何联系的独立零部件。首先，我们将模型中各个 零件根据前面所选的型号，以及实际当中的要求，对其设置相应的物理参数；观 察重力加速度的方向是否与实际情况相符，不相符时对其重力加速度的方向进行 调整。有时为了更直观的观察各零部件的位置状态，我们町以对其修改颜色属性。 ( 2 ) 添加约束 建立好模型后，就要定义各零部件之间的连接关系，从而表示出各零部件之 间的相互作用，建立整个进给系统的虚拟样机模型，以便后续施加载荷，仿真分 析。根据系统的实际装配状况，两定导轨是通过螺栓联结固定在床身上的，因此 我们可以用两个固定副对两定导轨分别加以固定；同样两轴承支座与床身( 选择 g r o u n d ) 也是分别通过两个固定副联结；滚珠丝杠是同通过轴承安装于轴承座上的， 将丝杠与轴承座之问添加两个旋转副；蝗杠的输入端是与联轴器联结的，通过一 个周定副将丝杠与左半联轴器联结：联轴器本身的左、右半联轴器和中间的弹性 体的联结我们同样添加两个固定副：右半联轴嚣是整个系统的输入端，电机的转 动由此输入，所以用一个旋转副联结；丝杠螺母与丝杠之b j 添加一个螺旋副；联 结板是通过螺栓分别与螺母和台板相联结的，所以添加两个固定副；四个动导轨 一端通过螺栓与台板联结，在其间分别添加一个固定副，另一端是与定导轨联结， 其间接触面分别添加一个移动副。 ( 3 ) 添加驱动或载荷力 由前面分析可知，由于在钻孔加工的过程中的钻削力较小，主要是研究系统 在空载时的静、动特性，所以在不考虑阻尼的情况下唯的外载荷就是电机轴的 输出，将电机的输出作为系统的驱动施加在与电机输出轴相连接的半联轴器( 右 半联轴器) 上。由图2 - 4 可知工作台理想的特性曲线，我们可阻求出在此时情况下 输入端的特性曲线。经分析可知，理想情况下系统输入应为 进给丕蕴啦直至丛甚挂醒瑶 以o ) = 警z e ) ( 2 - 7 ) 对式( 2 7 ) 分别求一阶导数和二阶导数可得式( 2 8 ) 和( 2 9 ) o - ( f ) = 誓上( ，) ( 2 - 8 ) 1 ( f ) = 警置( f ) ( 2 _ 9 ) 其中，以e ) 、( f ) 、( f ) 分别为输入的角位移、角速度和角加速度；z o ) 、 x ( ，) 、x ( j ) 分g q 就是台板的直线位移、速度和加速度。考虑到驱动力的加载形 式，本文中将在右半联轴器的旋转副的约束上以角加速度的形式施加驱动力。本 文中是以s t e p 函数俐的形式对其进行施加驱动力，函数如下： s t e p ( t i m e ，0 ，0 ，0 0 1 ，- 1 5 + 98 + 1 0 0 0 + 2 + p i 2 0 ) + s t e p ( t i m e ，0 0 1 ，0 ，0 0 2 ，0 ) + s t e p ( t i m e ，0 0 2 ，0 ，0 0 3 ，1 5 + 98 + 1 0 0 0 + 2 + p i 2 0 ) + s t e p ( t i m e ，00 3 ，0 ，00 6 ，0 ) + s t e p ( t i m e ，00 6