考虑热特性的双丝杠进给系统同步误差实验与分析

为了研究双驱进给系统中双丝杠温度差异对同步误差的影响,建立进给系统有限元模型,分析其在不同进给速度下的热特性。利用温度传感器和激光干涉仪,对进给系统温度、热变形进行测量,分析双丝杠温度、同步误差与进给速度、时间的关系。结果表明:主动轴热平衡温度高于从动轴,且丝杠螺母的温度随进给速度的增加而增加。同步误差与进给速度成线性关系,有限元模型预测误差在15%以内。     

超精密滚珠丝杠进给系统谐响应的有限元分析

以超精密滚珠丝杠进给系统试验台为研究对象,使用有限元法对其进给系统的工作台受到轴向正弦力载荷时系统的谐响应进行了分析.由于目前传统的滚珠丝杠进给系统有限元模型不能准确的分析电机轴输出端的转矩动载荷对进给系统产生的谐响应,据此提出了一种新的进给系统有限元模型,保证了其谐响应分析的准确性.并根据分析结果可知,在超精密滚珠丝杠进给系统中,电机轴输出端的转矩动载荷会对进给系统的定位精度产生不可忽视的影响.     

超精密滚珠丝杠进给系统的谐响应分析

超精密滚珠丝杠进给系统除了在工作台轴向存在外界激励,电机在启动和刹车时产生的冲击以及电机轴输出端的振荡特性都可能导致整个进给系统产生振荡,而利用目前的滚珠丝杠进给系统有限元模型不能准确地分析出电机轴输出端的转矩动载荷对进给系统产生的谐响应。针对此问题,提出一种新的进给系统有限元模型,保证了其谐响应分析的准确性。     

空心/实心滚珠丝杠机床伺服进给系统热特性分析

机床正向着高速高精度的方向发展,解决机床伺服进给系统在高速运行下产生的大量摩擦热及热变形,成为推进机床发展的突破口。提出采用通入冷却介质的空心滚珠丝杠来抑制温升从而控制热变形。先对轴承副和螺母副摩擦生热、热边界条件及滚珠丝杠变形进行理论计算,运用ANSYS分别对不同载荷不同转速下实心/空心滚珠丝杠的传热进行分析,再对空心/实心滚珠丝杠机床伺服进给系统变形进行分析,通过完整的仿真得出:通入冷却介质的空心滚珠丝杠伺服进给系统可以有效地抑制温升和热变形,为机床伺服进给系统的设计和研究提供理论依据。     

滚珠丝杠进给系统机电能耗实验研究

为深入探索数控机床能耗规律、发挥能耗匹配在数控机床关键部件选型上的指导作用,针对数控机床滚珠丝杠进给系统的机电能耗进行了实验研究。进给系统总能耗可分为伺服电机电功耗以及由各部件相对运动产生的机械功耗(MPC)。因此,首先通过设计全新的实验装置,在多组转速及负载转矩条件下,对伺服驱动电机的电功耗及电效率进行了测量与分析;进一步,考虑4种不同导程滚珠丝杠,对进给系统各部件的MPC进行实验研究,阐明滚珠丝杠的结构参数对系统功耗的影响,以及进给系统功耗与工作台速度的关系。结果表明：电机的工作状态对其效率以及整个进给系统的功耗有很大影响,且影响功耗的最关键因素之一是电机转速,系统功耗是电机效率和机械部件相对运动产生MPC之间的权衡。研究结果有助于从能耗角度进行滚珠丝杠及伺服电机的合理选型,以及对机床进给参数的优化。     

双驱进给系统热误差仿真分析及试验

为了研究双驱伺服进给系统热变形对双丝杠不同步误差的影响,建立了有限元仿真模型。分析了进给系统稳态温度场,通过改变电机转速,分析在不同进给速度下系统达到热平衡的时间和其热变形,得到了双丝杠不同步误差变化规律。使用Renishaw激光干涉仪测得MCH63试验台在不同转速下不同步误差的变化情况,同时将试验结果与有限元分析结果对比。仿真与试验结果表明:双驱结构易造成温度场分布不均而产生不同步误差;随着电机转速的增加,双丝杠达到热平衡时其温度差和不同步误差也会增加。有限元仿真和试验的增幅差值在14%以内,并呈现波动减少的趋势,说明有限元建模和分析的可靠性。因此,该研究可为预测双丝杠进给系统不同步误差提供一种可行的方法。     

基于ADAMS的数控机床进给系统动力学仿真

为了分析机床进给系统在零件加工时对其精度影响,利用三维造型软件Solid Works建立数控机床进给系统的动力学模型;利用Ansys分别建立丝杠和工作台的有限元模型,将模型导入Adams,对数控机床进给系统进行振动仿真。结果表明:固定转速下,工作台在不同位置的振幅不同,改变转速其规律相近;在不同转速下,速度越大,工作台振幅越大,并呈线性关系。     

数控机床空心丝杠进给轴热误差补偿研究

文章以提高进给轴的精度为研究对象,目的是减小滚珠丝杠系统的热误差对加工精度的影响。改变传统的实心丝杠而设计成空心丝杠进给轴是减少滚珠丝杠内热量,降低成本的有效方法。然而,压力油在丝杠内循环流动只能够带走部分热量,文章在考虑进给轴结构优化的同时也分析了残余热量的热膨胀和热传导的效应,通过误差补偿的方式减小丝杠受热所带来的影响。实验证明这种补偿的方法是有效的。     

空心滚珠丝杠在数控机床伺服进给系统中的应用

针对数控机床主轴和伺服传动系统的热误差阻碍进一步提高机床定位精度的问题,对数控机床伺服进给系统的热变形作了深入研究。结果表明:螺母摩擦和轴承摩擦是滚珠丝杠伺服进给系统的主要热源,其摩擦热量与滚珠丝杠转速及轴向载荷几乎成正比;采用空心丝杠和空心螺母有效抑制了滚珠丝杠在高速进给时的热变形量,减小伺服进给系统的稳态误差。     

中走丝线切割机床工作台进给系统设计方案的研究

在采用滚动直线导轨的基础上,对中走丝线切割机床DK7732的工作台进给系统进行了设计。根据机床工作台速度从静止加速至快速移动速度,为满足工作台性能的要求,对工作台进给系统电机转速、驱动扭矩、惯量匹配作了详细的计算。另外,对工作台滚珠丝杠螺母进给传动系统结构进行了设计和分析。     

Expedient modeling of ball screw feed drives

Ball screw feed drives are the most commonly used mechanism to provide linear motion in high speed machine tools. Position accuracy and the achievable closed loop bandwidth of such drive systems are usually limited by the structural vibration modes of the mechanical components. Higher order plant models allow for a better understanding of the system dynamics, improve the design process of feed drives and are essential for the development of sophisticated control strategies. The ball screw shaft, describing a complex flexible structure, is probably the most significant component concerning structural vibration modes of a feed drive. In this paper, the behavior of the shaft and its dominant influence at different operating and coupling conditions is particularly addressed. Using a hybrid modeling technique, the main characteristics of the shaft are derived and projected onto a clearly arranged and versatile lumped mass model. Simulative and experimental examinations are conducted and a parameter analysis is performed. The presented model proofs to be accurate for a great range of parameters and in addition allows for a physical interpretation of the dominant structural vibration modes of a feed drive.     

不同工况下高速空心滚珠丝杠的热特性研究

以高速精密机床中使用的空心滚珠丝杠为研究对象,利用ANSYS热分析模块对该滚珠丝杠在不同转速和不同冷却液流量下的热特性进行了分析.得到了该空心滚珠丝杠不同工况下的温度场和热位移,同时通过对滚珠丝杠表面结点温升曲线的分析比较,得到了针对该类型空心滚珠丝杠的最佳冷却液流量值和不同转速下空心滚珠丝杠达到其热平衡的时间.分析结果可为空心滚珠丝杠的热设计提供参考.     

精确预拉伸技术在高精度数控机床设计中的应用

为提高高精度数控机床的精度稳定性,从对精度及精度稳定性影响最大的丝杠传动结构优化入手,研究新的丝杠精确预拉伸方法,解决其他丝杠预拉伸方法不能精确控制丝杠预拉伸量,导致丝杠滚道变形量不能达到设计值,最终在丝杠热变形时无法精确抵消热变形而影响定位精度的缺陷。这种精确预拉伸技术操作简便、拉伸量控制精度高、稳定性好,可广泛应用于各种高精度数控机床的丝杠传动结构,可有效提高机床整机的定位精度及精度稳定性。     

高速直线进给单元设计

对直线进给单元的基本类型和直线电机的结构布局进行了分析,研究了高速直线进给单元的基本结构,并运用有限元法对进给单元工作台设计进行校验,证明研制的高速直线进给单元能较好地满足设计要求。与传统的直线进给系统相比,ＧＤ－３型直线进给系统的速度和加速度能提高５－８倍。     

含虚拟材料结合部的高速滚珠丝杠进给系统动态特性分析

为了构建精确的滚珠丝杠进给系统结合部虚拟材料模型,提出基于多目标优化方法获取结合部虚拟材料模型参数的方法。采用分形理论建立滚珠丝杠进给系统结合部虚拟材料参数解析模型,得到结合部虚拟材料参数的初步优化区间。基于多目标优化方法,获得滚珠丝杠进给系统结合部虚拟材料模型的参数,并通过试验对此参数获取方法进行了验证。分析结果表明:滚珠丝杠进给系统的振动模态会随工作台位置的变化而改变,主要因为工作台位置变化会改变伺服电机输出轴和工作台之间丝杠的长度,从而影响系统的刚度。     

High Bandwidth Control of Ball Screw Drives

This paper presents a tracking control strategy for high speed ball screw drives. Rigid body motion is controlled using adaptive sliding mode control. Torsional vibrations are modeled, experimentally identified, and compensated in the control law using notch filtering and active cancellation techniques. Attenuation of torsional resonances improves the stability margins and enables high positioning bandwidth to be achieved. The axis friction is experimentally identified and cancelled out in feedforward, in order to improve the positioning accuracy at motion reversals. The developed control law is verified experimentally on a high speed ball screw drive, where a tracking accuracy of 1.6 um is maintained while traversing the axis at 1000 mm/sec feed and 1 g acceleration.     

Compensation of Axial Vibrations in Ball Screw Drives

This paper presents a precision control strategy for ball screw drives. Axial vibrations are modeled and actively compensated in the control law, which enables the realization of high positioning bandwidth. Lead errors, arising from imperfections of the screw, are modeled and removed from the loop by offsetting their effect from the command trajectory and position feedback signals. Effectiveness of the proposed strategy is demonstrated in high speed tracking experiments conducted on a ball screw drive, where a linear positioning accuracy of 2.6 um has been maintained while traversing the axis at 1000 mm/s feed with 0.5 g acceleration.     

Preload variation due to temperature increase in double nut ball screws

Ball screws are robust and economic linear positioning systems that are widely employed in high speed and high precision machines. Due to precision and stability requirements, the preload force has been considered one of the main parameters in order to define the axial rigidity and the maximum axial load capacity of ball screw feed drives. In high speed motions, thermal effects are also considerably relevant regarding positioning precision and dynamic stability of the machine. The temperature increase and the thermal gradient between the screw, the balls and the nuts led to a variation in the contact geometry and consequently in the preload force. This paper presents an experimental analysis of the preload variation due to the temperature increase. The study has been performed for several initial preload forces and linear speeds in a preloaded double nut ball screw. The heating of the system results in a decrease of the preload force, where a maximum decrease of 60 % has been observed for a temperature increase of 28 K in the test bed of the study. Regarding the consequences of the loss of rigidity, the first eigenvalue decreased by only 5 % for a preload drop of 33 %.     

基于机床进给伺服系统中频振动抑制研究

伺服系统以其高性能、高精度等优势被广泛应用于数控机床和机器人上。机床进给伺服系统中由于滚珠丝杠等传动装置刚度有限,柔性连接方式易引发振动而影响其稳定性与精度。针对旋转进给伺服系统中存在的中频振动,提出一种基于二阶状态观测器的速度扰动观测补偿中频振动抑制方法,由速度观测器观测出的速度与实际速度反馈相减,通过带通滤波提取振动信号,作为补偿给到速度反馈上,抵消系统振动,提高系统带宽并保持稳定性和精度。最后在不同的速度环增益下,通过仿真和实验验证了所提方法的有效性。