雙驅(qū)動(dòng)滾動(dòng)支承直線(xiàn)進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)與靜動(dòng)校核分析

1、 南 京 理 工 大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)(論文)作 者:侯陽(yáng)琨學(xué) 號(hào)：0901500317學(xué)院(系):機(jī)械工程學(xué)院專(zhuān) 業(yè):機(jī)械工程及自動(dòng)化題 目:加工中心雙驅(qū)動(dòng)滾動(dòng)支承直線(xiàn)進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)與靜動(dòng)校核分析指導(dǎo)者： (姓 名) (專(zhuān)業(yè)技術(shù)職務(wù))評(píng)閱者： (姓 名) (專(zhuān)業(yè)技術(shù)職務(wù))2013年5月畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）中文摘要 進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是數(shù)控加工中心的重要組成部分，進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是否合理，靜動(dòng)態(tài)特性如何將直接影響到加工中心的加工精度。本文以雙滾動(dòng)絲杠驅(qū)動(dòng)直線(xiàn)進(jìn)給進(jìn)給系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)目前國(guó)內(nèi)外機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)的研究狀況進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹；利用三維造型軟件pro/e，對(duì)雙驅(qū)動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)的組成部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)及裝配

2、；并基于有限元的分析方法，利用ansys軟件對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)的重要部件如工作臺(tái)、底座和滾珠絲杠進(jìn)行了模態(tài)分析，并對(duì)滾珠絲杠做了靜力分析，并進(jìn)行了壓桿穩(wěn)定的校核；在最后對(duì)“支撐部分壁厚對(duì)模態(tài)各階頻率的影響”做了分析。關(guān)鍵字 進(jìn)給系統(tǒng) 靜動(dòng)態(tài)分析 有限元 ansys畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）外文摘要title the analysis of static and dynamic characteristics of scrolling support linear feed system with dual drive of machining centerabstractthe feed drive sy

3、stem is an important part of cnc machining center, the design and static and dynamic character of the feed system will directly affect the accuracy of machining center.based on the feed system with dual drive as the research object, the present research status at home and abroad of the feed system o

4、f machine tool were introduced. we use software pro/e to finish the design and modeling of the components of system. we use ansys software (based on fem) to do the modal analysis of the table, the base and the ball screw. we also do the static analysis of ball screw and check the stability of compre

5、ssion bar of the screw. finally, we do the analysis of the influence of thickness of the support section to each order modal frequency.keywords feed system static and dynamic characteristics ansys目 次1緒論11.1研究背景11.2雙驅(qū)動(dòng)直線(xiàn)進(jìn)給系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀11.3本文研究?jī)?nèi)容32雙絲杠驅(qū)動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算52.1雙絲杠驅(qū)動(dòng)直線(xiàn)進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程52.2進(jìn)給系統(tǒng)要求的技術(shù)參數(shù)52.3傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)5

6、2.4滾珠絲杠選型62.5絲杠支承設(shè)計(jì)82.6伺服電動(dòng)機(jī)的選型92.7導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)計(jì)算102.8工作臺(tái)設(shè)計(jì)122.9底座設(shè)計(jì)142.10系統(tǒng)剛度的驗(yàn)算153雙驅(qū)動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)的有限元建模與靜動(dòng)態(tài)分析183.1有限元及ansys簡(jiǎn)介183.1.1有限元方法簡(jiǎn)介183.1.2ansys簡(jiǎn)介183.2模態(tài)分析193.2.1模態(tài)分析簡(jiǎn)介193.2.2滾珠絲杠的模態(tài)分析及靜力學(xué)分析193.2.3工作臺(tái)的模態(tài)分析263.2.4底座的模態(tài)分析303.2.5模態(tài)對(duì)比分析33結(jié) 論36致謝37參考文獻(xiàn)381 緒論1.1 研究背景數(shù)控即數(shù)字控制(numerical control，nc)，是數(shù)字程序控制的簡(jiǎn)稱(chēng)。它是通過(guò)

7、特定處理方式下的數(shù)字信息去自動(dòng)控制機(jī)械裝置進(jìn)行動(dòng)作，這種采用數(shù)字化信息實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的技術(shù)稱(chēng)數(shù)控技術(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)數(shù)控1。如果部分或全部基本的數(shù)控功能是通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，則稱(chēng)為計(jì)算機(jī)數(shù)控(computer numerical control，縮寫(xiě)為cnc)。數(shù)控車(chē)床則是指利用數(shù)字化技術(shù)來(lái)控制加工過(guò)程和執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)床。一個(gè)國(guó)家數(shù)控機(jī)床的數(shù)量和水平已經(jīng)成為了衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)現(xiàn)代化程度和綜合國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的重要指標(biāo)2。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為了發(fā)達(dá)國(guó)家用來(lái)提高制造業(yè)水平的重要基礎(chǔ)，目前各個(gè)國(guó)家都在把發(fā)展自己的數(shù)控技術(shù)作為重要的發(fā)展戰(zhàn)略。日本由于數(shù)控技術(shù)的快速發(fā)展從而使得本國(guó)的制造業(yè)迅速崛起。到目前為止，以數(shù)控技術(shù)

8、為主要代表的現(xiàn)代化制造技術(shù)已經(jīng)成為美國(guó)、日本和歐洲等先進(jìn)工業(yè)國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。我國(guó)目前也正在采取各種積極措施來(lái)大力的發(fā)展我國(guó)的數(shù)控技術(shù)，以數(shù)控技術(shù)為基礎(chǔ)來(lái)振興我國(guó)的機(jī)械工業(yè)已經(jīng)成為了發(fā)展的重中之重。目前，在國(guó)內(nèi)比較低檔的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床系統(tǒng)已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，但在生產(chǎn)設(shè)計(jì)高檔的數(shù)控車(chē)床系統(tǒng)方面在國(guó)際上仍處于相對(duì)劣勢(shì)的地位。1.2 雙驅(qū)動(dòng)直線(xiàn)進(jìn)給系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀學(xué)者們已經(jīng)對(duì)滾珠絲杠直線(xiàn)進(jìn)給系統(tǒng)的精度以及靜動(dòng)態(tài)特性做了大量的分析和研究，提出來(lái)各種關(guān)于進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算及優(yōu)化方法。建立了大量的數(shù)學(xué)物理型進(jìn)行理論分析，并且借助各種三維模型軟件建立了的直線(xiàn)進(jìn)給系統(tǒng)的三維立體模型，還通過(guò)利用有限元分析的方

9、法對(duì)直線(xiàn)進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行各種形變、應(yīng)力的分析，還進(jìn)一步進(jìn)行了模態(tài)分析等方面的研究。大連理工的戴曙總結(jié)了一套關(guān)于數(shù)控機(jī)床直線(xiàn)進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算方法以及其中比較重要的傳動(dòng)部件和滾珠絲杠及絲杠支承的計(jì)算設(shè)計(jì)方法。謝紅，高健等總結(jié)了加工中心的工作臺(tái)、滾珠絲杠副、伺服電機(jī)、滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌的選擇計(jì)算，還作了伺服進(jìn)給系統(tǒng)中的傳動(dòng)精度計(jì)算、絲杠拉壓振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的驗(yàn)算9。山東大學(xué)的許向榮等對(duì)滾珠絲杠副的軸向剛度做了分析研究，并進(jìn)一步推導(dǎo)了單螺母滾珠絲杠螺母副的軸向剛度計(jì)算公式,分析了其影響因素,并運(yùn)用matlab仿真軟件進(jìn)行了仿真,得出了其關(guān)系曲線(xiàn)10。東北大學(xué)的邱國(guó)富對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)的特性進(jìn)行了研究，并建立

10、了進(jìn)給系統(tǒng)的伺服控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并用ansys及simulink對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的特性進(jìn)行了分析和動(dòng)態(tài)性能的仿真11。曹永峰完成了“數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給cad系統(tǒng)”的研究與開(kāi)發(fā)；薛東彬完成了基于pro/e的滾珠絲杠參數(shù)化設(shè)計(jì)；安琦瑜，馮平法，郁鼎文等完成了基于 fem研究方法 的滾珠絲杠直線(xiàn)進(jìn)給系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能分析；趙萬(wàn)軍完成了基于ansys的滾珠絲杠直線(xiàn)進(jìn)給系統(tǒng)的靜動(dòng)態(tài)特性分析等等。mizuho n對(duì)滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)建立動(dòng)力學(xué)模型，分析了絲杠變形對(duì)靜、動(dòng)特性的影響6-7。cheng h e運(yùn)用有限元方法對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析和拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，并將靈敏度分析技術(shù)應(yīng)用于動(dòng)特性分析中，提高了對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)

11、靜、動(dòng)特性研究的準(zhǔn)確度8。以上這些傳統(tǒng)的較為成熟的靜態(tài)動(dòng)態(tài)特性分析的研究對(duì)象多為進(jìn)給系統(tǒng)的部件或者單滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)的進(jìn)給系統(tǒng)。為了更好的去適應(yīng)高速化高精度化的要求，改進(jìn)并提高滾珠絲杠的靜態(tài)動(dòng)態(tài)性能，一些學(xué)者和專(zhuān)家考慮將傳統(tǒng)的單滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，改為采用雙滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)?，F(xiàn)在很多發(fā)達(dá)國(guó)家已采用了雙滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)方式，將驅(qū)動(dòng)力盡可能作用于運(yùn)動(dòng)件的重心，可以在高切削速度和進(jìn)給速度條件下，減小扭轉(zhuǎn)變形，進(jìn)而提高進(jìn)給系統(tǒng)的整體剛度10如圖1-1所示，如果在機(jī)床的重心處有物體，并且不能直接將力加在重心處，可以將力平均分配到重心的兩端，同樣可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)給軸的直線(xiàn)進(jìn)給。圖1-1 雙滾珠絲杠驅(qū)

12、動(dòng)如日本森精機(jī)開(kāi)發(fā)的nv4000dcg機(jī)床就采用了雙滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)技術(shù)；nsk采用特殊的工藝方法制造出了雙驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠副，螺紋長(zhǎng)度為1200mm的兩根絲杠，相互累計(jì)導(dǎo)程誤差不超過(guò)0.005mm。由大連機(jī)床廠(chǎng)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的vht系列五軸聯(lián)動(dòng)立式車(chē)銑復(fù)合加工中心的y 軸方向即采用的是雙絲杠驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)。郭崇嵩，芮執(zhí)元，劉軍等以國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)動(dòng)梁無(wú)滑枕立式銑車(chē)復(fù)合加工中心雙驅(qū)進(jìn)給系統(tǒng)工作臺(tái)為研究對(duì)象，通過(guò)有限元的分析方法對(duì)豎直方向（即z軸方向）的雙驅(qū)進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行了靜動(dòng)態(tài)特性分析18由昆明機(jī)床廠(chǎng)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的tgk46100機(jī)床，也是采用的雙絲杠驅(qū)動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)。企業(yè)目前還沒(méi)有一個(gè)相對(duì)官方的跨距確定原則，一般都是通

13、過(guò)有限元法分析的方法來(lái)計(jì)算出雙絲杠驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)以及絲杠之間的跨距對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)靜動(dòng)態(tài)特性的影響，從而計(jì)算出最佳的跨距。綜上所述，現(xiàn)階段對(duì)單絲杠驅(qū)動(dòng)直線(xiàn)進(jìn)給系統(tǒng)的研究，已經(jīng)基本成熟，而對(duì)雙驅(qū)動(dòng)直線(xiàn)進(jìn)給系統(tǒng)的研究則是處于實(shí)踐超前于理論的階段，各大廠(chǎng)家都各自有自己的設(shè)計(jì)分析的方法，而并未形成統(tǒng)一的理論，也沒(méi)有各種設(shè)計(jì)方法之間的優(yōu)劣對(duì)比。雙驅(qū)動(dòng)直線(xiàn)進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析整體還不是很成熟。1.3 本文研究?jī)?nèi)容進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是加工中心的重要組成部分，進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是否合理，靜動(dòng)態(tài)的特性如何將會(huì)直接的影響到加工中心的加工精度。本文以雙滾動(dòng)絲杠驅(qū)動(dòng)直線(xiàn)進(jìn)給系統(tǒng)為研究對(duì)象，主要進(jìn)行一下工作：（1）對(duì)目前國(guó)內(nèi)外數(shù)控車(chē)床的直線(xiàn)

14、進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究狀況進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹。（2）參考單絲杠驅(qū)動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)，對(duì)雙驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)及選型。（3）利用三維造型軟件pro/e，對(duì)雙驅(qū)動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)的組成部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)及裝配。（4）并基于有限元的分析方法，利用ansys軟件對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)的重要部件如工作臺(tái)、底座和滾珠絲杠進(jìn)行了模態(tài)分析，并對(duì)滾珠絲杠做了靜力分析，并進(jìn)行了壓桿穩(wěn)定的校核。（5）對(duì)支撐部分壁厚對(duì)于模態(tài)分析中的各階模態(tài)的固有頻率有何影響做了進(jìn)一步的分析和對(duì)比。2 雙驅(qū)動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算2.1 雙驅(qū)動(dòng)直線(xiàn)進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程由于現(xiàn)階段對(duì)于雙驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算理論還未成熟，本文則是在現(xiàn)有的比較成熟的單絲杠驅(qū)動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算基礎(chǔ)上，結(jié)合雙驅(qū)動(dòng)自

15、己的特點(diǎn)，進(jìn)行了雙驅(qū)動(dòng)直線(xiàn)進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。整個(gè)雙絲杠驅(qū)動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程如圖2-1所示：圖2-1 雙驅(qū)動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程2.2 進(jìn)給系統(tǒng)要求的技術(shù)參數(shù)系統(tǒng)參數(shù)：工作臺(tái)重300kg；工件及夾具的最大重量1200kg；縱向最大進(jìn)給力為9000n；工作臺(tái)行程900mm；進(jìn)給速度320000mm/min；快速進(jìn)給速度42m/min；要求定位精度0.007/300mm。2.3 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)交流何服電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速ndmax有2000r/min，3600r/min ，4500r/min，6000r/min，不等。工作臺(tái)要求的最快進(jìn)給速度vmax= 42m/min。假設(shè)伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸節(jié)與絲杠直聯(lián)，即u=

16、1（一般的加工中心都應(yīng)盡量設(shè)計(jì)成伺服電機(jī)和滾珠絲杠經(jīng)過(guò)聯(lián)軸器直接相連）。先試選電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為nmax=4500r/min，則：絲杠導(dǎo)程：ph=1000×vmaxnmax=1000×424500=9.33mm取10mm （2.1）在反饋裝置中，目前有兩種：（1）用測(cè)速發(fā)電機(jī)作為速度反饋；用旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置反饋；（2）利用編碼脈沖編碼器同時(shí)作為速度和位置反饋，后者應(yīng)用目前較為廣泛 3。這里選用脈沖編碼器兼作位置和速度反饋。脈沖編碼器每轉(zhuǎn)動(dòng)一轉(zhuǎn)會(huì)發(fā)出一定數(shù)量的脈沖。每一個(gè)脈沖就是一個(gè)數(shù)字單位，代表著執(zhí)行部件運(yùn)動(dòng)了一定的位移a（mm），稱(chēng)為脈沖當(dāng)量2。普通精度的數(shù)控機(jī)床一般取

17、脈沖當(dāng)量為：0.01mm，較精密的數(shù)控機(jī)床取0.001mm 或0.005mm，精密或超精密的機(jī)床可以取0.0001mm2。這里選定脈沖當(dāng)量為a=0.001mm/脈沖。電動(dòng)機(jī)每一轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖數(shù)b應(yīng)為：b=ph×ua=10×10.001=1000(脈沖r) （2.2）常用的光電編碼器有2000脈沖/r，2500脈沖/r，3000脈沖/r等。這里選取2500脈沖/r的編碼器，并在其后加一個(gè)4倍的倍頻器。傳動(dòng)系統(tǒng)總體如圖2-2所示：圖2-2 傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖伺服電機(jī)3與滾珠絲杠5通過(guò)聯(lián)軸器4聯(lián)結(jié)。脈沖編碼器2與電機(jī)軸相連，安裝在交流伺服電機(jī)內(nèi)。脈沖編碼器2每轉(zhuǎn)發(fā)出2500個(gè)脈沖，經(jīng)倍

18、數(shù)為4的倍頻器1加倍，反饋給控制系統(tǒng)。2.4 滾珠絲杠選型（1）精度：本例中要求的定位精度為0.007/300mm。絲杠的“任意300mm行程內(nèi)的行程變動(dòng)量v300”一般取為定位精度的1/31/2，即0.00230.0035mm。0級(jí)精度的絲杠v300=0.003mm。故應(yīng)取0級(jí)精度。（2）疲勞強(qiáng)度:一批相同的滾珠絲杠，在軸向載荷ca的作用下，在運(yùn)轉(zhuǎn)106r后，90%的絲杠不產(chǎn)生疲勞點(diǎn)蝕，則稱(chēng)ca為這種規(guī)格絲杠的額定動(dòng)載荷。首先，計(jì)算本例中工作負(fù)載造成的絲杠的當(dāng)量載荷cm。絲杠在運(yùn)動(dòng)時(shí)的所受到的最大的外載荷為縱向最大進(jìn)給力和同方向的滑動(dòng)摩擦力；而在運(yùn)動(dòng)時(shí)所受到的最小外載荷為單獨(dú)的滑動(dòng)摩擦力。最

19、大進(jìn)給力為9000n。工作臺(tái)加夾具重量為（300+1200）×9.8=14700n。滾動(dòng)導(dǎo)軌一般狀態(tài)下摩擦系數(shù)為0.003。故摩擦力：ff=fmin=14700×0.003=441 n （2.3）最大載荷：fmax=9000+441=9441 n （2.4）平局載荷： fm=2×fmax+fmin3=2×9441+4413=6441 n (2.5)由于采用雙絲杠進(jìn)給系統(tǒng)。所以絲杠的實(shí)際平局載荷fm*= fm×，最大載荷fmax*=fmax×。其中為單雙絲杠驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)化系數(shù)，這里取保險(xiǎn)系數(shù)為1.2，即=0.6。即fm*=6441×

20、0.6=3864.6 n，fmax*=9441×0.6=5664.6 n。絲杠的最高轉(zhuǎn)速為4500r/min。工作臺(tái)最低速度為3mm/min，故可認(rèn)為絲杠最低轉(zhuǎn)速為0。平均轉(zhuǎn)速nm=2250r/min。絲杠的壽命取15000h。通過(guò)查表，fa取1，fw取1.3。l=60×nm+h106=60×2250×15000106=2025 ( 106r) (2.6)絲杠的當(dāng)量載荷：cm=3864.6×32025×1.31=63.56 kn (2.7)所選的滾珠絲杠，其額定動(dòng)載荷ca不得小于此值cm，即cacm。根據(jù)ffz系列樣本，選擇ffz50

21、10型號(hào)的滾珠絲杠。直徑50mm，導(dǎo)程10mm，5列。額定動(dòng)載荷為ca=64 kn，大于計(jì)算結(jié)果。預(yù)緊力fp=×ca，其中為預(yù)加載荷類(lèi)型系數(shù)，這里取去=0.25。則fp=26 kn。由于軸向最大載荷fmax*不超過(guò)預(yù)緊力的3倍，所以不需要對(duì)預(yù)緊力提出額外要求。2.5 絲杠支承設(shè)計(jì)滾珠絲杠常用的支承方法有3種。表 2-1 絲杠的支承方式本例中選取“兩端固定”的支承方法。根據(jù)滾珠絲杠副的要求，ffz5010型號(hào)的滾珠絲杠軸端直徑不得超過(guò)42mm，故選用40mm的軸承。兩端均采用60°角接觸軸承的40tac-72a型推力角接觸軸承(內(nèi)徑40mm，外徑72mm，寬度15 mm)。關(guān)

22、于軸承的安裝方式，若采用面對(duì)面的安裝方式，當(dāng)中間軸由于熱膨脹而變長(zhǎng)的時(shí)候，軸承的游隙會(huì)變小，很可能造成滾珠軸承卡死的情況。故在這里兩組軸承均采用均背對(duì)背的安裝方式。圖2-3 成對(duì)軸承安裝方式示意圖2.6 伺服電動(dòng)機(jī)的選型1.最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩：(1).工作載荷的摩擦力矩：tf=fmax*×ph2=5664.6×0.012××=10.02 n·m (2.8)(2).預(yù)加載荷產(chǎn)生的摩擦力矩：tp=fp×ph29.8=26000×0.0129.8=8.725 n·m (2.9)故最大切削力矩：t = tf +tp =18.

23、74 n·m。適當(dāng)考慮軸承摩擦造成的摩擦力矩te。所選伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩大于25 n·m較為合適。2.慣量匹配： (1)工件和工作臺(tái)的慣量轉(zhuǎn)換：工作臺(tái)和工件總重量為1500kg。由于是雙驅(qū)動(dòng)進(jìn)給，需要考慮轉(zhuǎn)換系數(shù)，最終轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算到電機(jī)軸為：j1=mv2× =mph×n2n2× =15000.0122×0.6=0.00228 kg·m2 (2.10)(2)絲杠的慣量： 絲杠的直徑為50mm=0.05m，長(zhǎng)度為1.8m j2=132×7.8×103×1.8×0.054=0.008615

24、kgm2 (2.11)(3)連接軸慣量： 選用彈性圓柱銷(xiāo)聯(lián)軸器（jb108-60-q1型），許用最大轉(zhuǎn)矩為67n·m，許用最高轉(zhuǎn)速為5400 r/min，均滿(mǎn)足要求。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.003 kg·m2故總慣量為： jl=j1+j2+j3=0.00228+0.008615+0.0030.0139 kg·m2 (2.12)根據(jù)交流伺服電機(jī)要求，負(fù)載慣量 電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量×10（倍）。所以，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量應(yīng)在0.00139 kg·m2以上。根據(jù)上述的計(jì)算要求可以先試選伺服電機(jī)。初步選擇bpa6交流電機(jī)系列的a600-20型號(hào)電機(jī)。額定轉(zhuǎn)矩28.

25、6 n· m，大于最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)子慣量jm =0.00723 kg·m2，滿(mǎn)足要求。電機(jī)主要其他參數(shù)為：最大輸出轉(zhuǎn)矩tmax=85.8 n·m。電勢(shì)系數(shù)ke =1v·s/rad ,轉(zhuǎn)矩系數(shù)kt =2.12nm/a。4.空載加速轉(zhuǎn)矩：空載加速轉(zhuǎn)矩是指：執(zhí)行部件從靜止以階躍指令加速到最快進(jìn)給速度時(shí)需要電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩，這個(gè)轉(zhuǎn)矩不得超過(guò)伺服電動(dòng)機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩tmax5?？蛰d加速時(shí)，主要是克服慣性，如果選擇a600-20型號(hào)電機(jī)，則總慣量為：j=jl+jm=0.0174+0.00723=0.02463 kg·m2 (2.13)一般情況下，伺服電動(dòng)

26、機(jī)的加速時(shí)間用tac表示。tac=2×4500×0.0246360× tmax=0.1353 s (2.14)設(shè)置伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的加減速時(shí)間為0.1353 s即可。2.7 導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)計(jì)算滾動(dòng)導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)主要是根據(jù)滾動(dòng)導(dǎo)軌的工作條件來(lái)選取滾動(dòng)導(dǎo)軌的型號(hào)，并進(jìn)行合理的配置?；驹O(shè)計(jì)過(guò)程為：首先計(jì)算滾動(dòng)導(dǎo)軌的受力，然后根據(jù)導(dǎo)軌的工作條件計(jì)算動(dòng)載荷，再根據(jù)滑塊的預(yù)期壽命推算出額定動(dòng)載荷，再依此選擇滾動(dòng)導(dǎo)軌及滑塊的型號(hào)。1.受力分析：滾動(dòng)導(dǎo)軌主要是受到切削力、工件和工作臺(tái)重力的影響，在進(jìn)行受力分析時(shí)必須將兩者同時(shí)進(jìn)行考慮。下面以圖所示加工中心的導(dǎo)軌為例，分析受力情況。一般情況

27、下加工中心均是采用兩根導(dǎo)軌條，每條導(dǎo)軌上有兩個(gè)滑塊。由于背向力和摩擦力等對(duì)載荷的影響很小，在這里忽略不計(jì)。只考慮縱向進(jìn)給力f，重力w，和豎直切削力fc對(duì)滑塊的影響。在實(shí)際工作中，考慮到受力位置是不斷變動(dòng)的，所以采用平均載荷對(duì)滾動(dòng)導(dǎo)軌進(jìn)行分析，在這里認(rèn)為平均受力點(diǎn)為工件中心。圖2-4 工作受力示意圖(1)首先考慮重力w和豎直切削力fc的作用：r11=r21=r31=r41=w4+fc4 (2.15)(2)再考慮f（f=fq）的作用：r12=r22=-12×f×yz (2.16)r32=r42=12×f×yz (2.17)(3)綜合載荷：r1=r2=r11+

28、r12=-12×f×yz+w4+fc4 (2.18)r3=r4=r31+r32=12×f×yz+w4+fc4 (2.19)(4)將最大縱向進(jìn)給力、最大豎直切削力及最大工件及工作臺(tái)重量代入公式，假設(shè)工件中心到絲杠中心的距離為250mm，兩滑塊之間的距離為500mm。r1=r2=-12×9000×0.250.5+9.84+150004=-5175 n (2.20)r3=r4=12×9000×0.250.5+9.84+150004=9675 n (2.21)2.壽命的計(jì)算:滾動(dòng)導(dǎo)軌的計(jì)算和滾動(dòng)軸承的計(jì)算相似，在一定的載荷

29、下移動(dòng)一定的距離，90%的滾動(dòng)導(dǎo)軌不發(fā)生點(diǎn)蝕，這個(gè)載荷稱(chēng)為額定動(dòng)載荷，行走的距離則是額定壽命。假設(shè)壽命要求為15000 km。壽命計(jì)算公式為：lh=50(fhfcftcfwpc)3 (2.22)由此推出 :c=3 lh50×fwpcfhfcft=95.95 kn (2.23)由此選取型號(hào)為lbb55rhl型號(hào)的滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌副，額定動(dòng)載荷 109.24 kn。2.8 工作臺(tái)設(shè)計(jì)工作臺(tái)是零件加工的場(chǎng)所，是采用鑄造技術(shù)，自行設(shè)計(jì)制造。（1）尺寸設(shè)計(jì)在本例中，尺寸方面沒(méi)有嚴(yán)格的要求，設(shè)定工作臺(tái)尺寸為1600×630×220mm。（2）t形槽設(shè)計(jì)圖2-5 t型槽尺寸示意圖根

30、據(jù)工作臺(tái)尺寸及厚度均勻原則。選擇t型槽尺寸為：a=28mm、b=50mm、c=20mm、h=48mm、p=100mm。（3）與導(dǎo)軌滑塊的連接設(shè)計(jì)工作臺(tái)需要與4個(gè)導(dǎo)軌滑塊連接，故在工作臺(tái)底端設(shè)置4個(gè)與滑塊連接的裝置。在工作臺(tái)底端增加四個(gè)用于連接的薄板，并在薄板上方增開(kāi)4個(gè)長(zhǎng)方體的凹槽，用于給扳手提供活動(dòng)空間，方便擰緊螺母。具體結(jié)構(gòu)如圖2-6所示。圖2-6 工作臺(tái)局部結(jié)構(gòu)（4）支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由于設(shè)置連接部分，所以工作臺(tái)下半部分厚度很大，如果做成實(shí)心結(jié)構(gòu)則會(huì)導(dǎo)致工作臺(tái)笨重。故需要設(shè)置成筋板結(jié)構(gòu)。由于沒(méi)有排放碎屑等要求，所以選用最簡(jiǎn)單的筋板結(jié)構(gòu)，鏤空成長(zhǎng)方體陣列，并在長(zhǎng)方體之間用圓柱導(dǎo)通。同時(shí)地面還要保

31、留安裝絲杠螺母的位置。具體結(jié)構(gòu)如圖2-7所示。圖2-7 工作臺(tái)底部結(jié)構(gòu)2.9 底座設(shè)計(jì)底座是整個(gè)進(jìn)給系統(tǒng)的總體支撐部分，用來(lái)放置導(dǎo)軌、工作臺(tái)、軸承座等部件。底座必須保證合理的結(jié)構(gòu)布局，通過(guò)螺栓連接可以固定各個(gè)部件。為了滿(mǎn)足高速、高精度的測(cè)試要求，底座必須具有良好的剛度，并且有很好動(dòng)態(tài)特性。底座通常為類(lèi)長(zhǎng)方體，考慮到節(jié)省材料并保證剛度，合理設(shè)計(jì)底座支撐架的形狀和尺寸，可以在節(jié)省材料的情況下得到符合要求的靜剛度和比較合適的固有頻率?？紤]到要方便排放碎屑，在底座上面凹槽部分上下打通，方便碎屑排放。具體結(jié)構(gòu)如圖所示。圖2-8 導(dǎo)軌安裝位置圖2-9 軸承座安裝位置圖2-10 底部支撐架結(jié)構(gòu)2.10 系統(tǒng)

32、剛度的驗(yàn)算進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的定位精度為0.007/300mm。其中0級(jí)絲杠v300=0.003mm。其余誤差為在載荷作用下，各個(gè)環(huán)節(jié)的位移。（1）伺服剛度krkr=kskt(1+kvo)kmrm (2.24)伺服電動(dòng)機(jī)的增益，等于伺服電機(jī)的角速度與輸入電壓之比。輸入電壓，大部分被反電動(dòng)勢(shì)所平衡，少量的消耗于電樞回路的阻抗5。忽略次要影響因素，可以認(rèn)為“輸入電壓=反電動(dòng)勢(shì)”。伺服電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)km指的是：伺服電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)與角速度之比。即：km=1ke (2.25)a600-20型伺服電機(jī)的電勢(shì)系數(shù)ke =1 v· s/rad ,轉(zhuǎn)矩系數(shù)kt =2.12 nm/a，rm =

33、0.26。伺服系統(tǒng)的ks=8 1/s（ks為系統(tǒng)增益，由試取后經(jīng)過(guò)驗(yàn)算得到），取kvo =2×8=16 v/v。則：kr=8×2012×(1+16)1×0.26=1108.923 nm/rad (2.26)折合到執(zhí)行部件的直線(xiàn)剛度為kr*=kr(2ph)2=1108.923×(20.01)2= 437.78×106 n/m=737.78 n/µm (2.27)（2）滾珠絲杠的拉壓剛度 ktmin本例中絲杠采用的是“兩端固定“的軸承支承方法，絲杠的拉壓剛度固定，不受螺母在絲杠中的位置變化的影響。工作臺(tái)的行程為900mm。當(dāng)螺母

34、移到距定位點(diǎn)最近處時(shí)，還應(yīng)保留一定的距離，設(shè)為150mm。故距離l=900+150=1050mm=1.05m。代入公式ktmin=4ael×10-6=4×di24el×10-6 (2.28) 式中 di絲杠底徑，等于公稱(chēng)直徑減球徑。本例中的公稱(chēng)直徑為50mm，球徑等于7.144mm，故di=50-7.144 = 42.856mm=0.042856mktmin=4××0.04285624×2×10111.05×10-6=1099.04 n/µm (2.29)（3）絲杠軸承的軸向剛度 kba絲杠軸承為40ta

35、c-72a型，查文獻(xiàn)得兩列組合型的軸向剛度kba為1230 n/µm。（4）綜合剛度一般來(lái)講，進(jìn)給系統(tǒng)的剛度的主要影響環(huán)節(jié)是絲杠的拉壓剛度、伺服系統(tǒng)剛度和軸承的剛度，絲杠螺母之間的接觸剛度和聯(lián)軸器的扭轉(zhuǎn)剛度是很高的，其變形可以忽略不計(jì)。綜合剛度記為k1k=1kr*+1ktmin+1kba =0.003078 µm/n (2.30)故 k=1/0.003078=324.85 n/µm(7) 彈性變形測(cè)量定位精度時(shí)，機(jī)床不切削。故載荷僅為摩擦力。本例中摩擦力ff =441 n，故彈性變形=ffk=441324.85=1.36 µm (2.31) (8) 定位

36、誤差任意300mm長(zhǎng)上的定位誤差，等于滾珠絲杠的誤差v300 加上彈性變形，即3+1.36=4.36 µm。再加上在計(jì)算過(guò)程中一些被忽略的次要因素，可以滿(mǎn)足定位精度0.007/300mm的要求。2.11 本章小結(jié)根據(jù)工作條件、壽命、精度等要求，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行選型工作，并對(duì)其他部件進(jìn)行形狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最后綜合校核整體精度。主要部件設(shè)計(jì)完畢之后，再根據(jù)軸承、聯(lián)軸器、電機(jī)等部件型號(hào)和大小，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的軸承座，軸承端蓋等輔助部件。最終雙驅(qū)動(dòng)直線(xiàn)進(jìn)給系統(tǒng)的總體裝配圖如下所示：圖2-11 整體裝配效果圖3 雙驅(qū)動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)的有限元建模與靜動(dòng)態(tài)分析3.1 有限元及ansys簡(jiǎn)介3.1.1 有限元方法簡(jiǎn)介

37、有限元法是是近似求解一般連續(xù)域問(wèn)題的一種數(shù)值方法，最初是用于對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析，后來(lái)很快就廣泛應(yīng)用于如電磁場(chǎng)、流體力學(xué)等各種連續(xù)域問(wèn)題；有限元法適應(yīng)于任意復(fù)雜的幾何區(qū)域，可以處理不同的邊界條件，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，在20世紀(jì)中葉以來(lái)，有限元法以其獨(dú)有的計(jì)算優(yōu)勢(shì)得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用22。其核心思想是：將一個(gè)連續(xù)的結(jié)構(gòu)體離散為由各種不同單元（也可以是一種單元）組成的離散模型。然后根據(jù)問(wèn)題的具體情況，設(shè)置劃分出的單元的形式（如梁?jiǎn)卧U單元等）和數(shù)目（一般單元數(shù)量越多則最后得到計(jì)算結(jié)果精度也會(huì)越高，但會(huì)增大工作量），最后用被離散化的物體來(lái)代替原始的研究對(duì)象體進(jìn)行求解，用得到的解來(lái)近似表示真實(shí)

38、的變形情況。有限元分析中分析的對(duì)象已經(jīng)不再是原始對(duì)象，而是由大量的單元以某種的方法聯(lián)結(jié)而成的離散對(duì)象。所以，用有限元分析的方法進(jìn)行計(jì)算所獲得的結(jié)果只是近似解。但劃分單元的性質(zhì)和數(shù)目如果非常合理，那么近似程度就會(huì)很高，得到的結(jié)果也就與實(shí)際情況相符合。3.1.2 ansys簡(jiǎn)介ansys軟件是美國(guó)ansys公司研制的大型通用有限元分析（fea）軟件，他是世界范圍內(nèi)增長(zhǎng)最快的cae軟件，能夠進(jìn)行包括結(jié)構(gòu)、熱、聲、流體及電磁場(chǎng)等學(xué)科的研究，在航空航天、機(jī)械制造、土木工程、船舶工程等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用22。ansys操作簡(jiǎn)單方便、功能強(qiáng)大，已經(jīng)成為了在國(guó)際上現(xiàn)在最為流行的有限元分析軟件之一。ansys基

39、本功能包括：結(jié)構(gòu)分析（靜力分析、模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、特征屈曲分析、專(zhuān)項(xiàng)分析等）、熱分析、電磁分析、流體分析、耦合場(chǎng)分析等22。3.2 模態(tài)分析3.2.1 模態(tài)分析簡(jiǎn)介模態(tài)分析是用來(lái)確定物體振動(dòng)特性的一種技術(shù)，通過(guò)它可以確定無(wú)敵的固有頻率、振型和振型參與系數(shù)（即某個(gè)振型在某個(gè)方向上在多大程度上參與了振動(dòng)）22。因?yàn)榧庸ぶ行牡募ふ窳Φ念l率一般都不會(huì)太高，所以只有前幾階模態(tài)的固有頻率才會(huì)與振源的激振頻率重合或著接近；高階模態(tài)的固有頻率已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于可能出現(xiàn)的振源的激振頻率，一般不會(huì)發(fā)生共振，對(duì)加工質(zhì)量精度的影響也不大20。所以在進(jìn)給系統(tǒng)的模態(tài)分析中，需要分析前幾階的模態(tài)。本文中，主要

40、是進(jìn)行了對(duì)主要零部件的前六階模態(tài)振型的分析以及對(duì)絲杠在軸向力作用下的靜力學(xué)分析及壓桿穩(wěn)定的分析。3.2.2 滾珠絲杠的模態(tài)分析及靜力學(xué)分析（1）模型簡(jiǎn)化在用ansys對(duì)滾珠絲杠進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)分析的過(guò)程中，如果不對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，則由于螺紋等細(xì)小復(fù)雜的結(jié)構(gòu)的存在，使得模型過(guò)于龐大，網(wǎng)格分割之后的計(jì)算量也會(huì)很大，并且也會(huì)分割出大量的畸變單元。為此，需要對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，由于絲杠螺紋對(duì)絲杠模態(tài)振型及靜力分析影響不大，因此將絲杠簡(jiǎn)化為無(wú)螺紋的光桿。前輩們已經(jīng)證明，這種簡(jiǎn)化在靜動(dòng)態(tài)分析中是可靠的。 滾珠絲杠簡(jiǎn)化后的模型如圖3-1所示：圖3-1 滾珠絲杠簡(jiǎn)化模型（2）定義材料屬性根據(jù)ansys模態(tài)分析需要，定義彈

41、性模量和材料的密度。滾珠絲杠的材料屬性如下：表3-1 滾珠絲杠材料屬性彈性模量/gpa泊松比密度/kgm-32000.37800（3）單元的選擇和網(wǎng)格的劃分建模過(guò)程中采用solid 92實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。本單元由10個(gè)節(jié)點(diǎn)定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)自由度：節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系的x，y ，z方向的平動(dòng)。非常適合不規(guī)則形狀的結(jié)構(gòu)特別是曲線(xiàn)邊界的擬合。采用智能尺寸進(jìn)行網(wǎng)格分割，選取的劃分單元的精度為4。劃分網(wǎng)格后的滾珠絲杠模型如圖3-2所示：圖3-2 滾珠絲杠網(wǎng)格模型（4）定義邊界條件由于在本系統(tǒng)中采用兩端固定支撐，所以在設(shè)置約束時(shí)，約束絲杠兩端的圓柱面為全自由度約束。在模態(tài)分析中不需要對(duì)模型進(jìn)行施加載荷約束。

42、絲杠模型約束設(shè)置如圖3-3所示（約束部分用紫色標(biāo)出）：圖3-3 滾珠絲杠約束設(shè)置（5）模態(tài)分析求解物體的實(shí)際振動(dòng)是各階模態(tài)的疊加效果。物體理論上有無(wú)窮階模態(tài)，振動(dòng)是這無(wú)窮階模態(tài)的疊加。但是實(shí)際上各階模態(tài)對(duì)系統(tǒng)振動(dòng)的貢獻(xiàn)度不同，一般前幾階比較大，越往后越小，所以一般截取前面的模態(tài)。設(shè)定analysis type為modal分析，進(jìn)行求解運(yùn)算。由于模型是對(duì)稱(chēng)模型，計(jì)算結(jié)果有重根，重根的模態(tài)振型是相互對(duì)稱(chēng)的，運(yùn)算結(jié)果中重根算作一個(gè)模態(tài)振型，其中5階模態(tài)有3個(gè)重根，不但有徑向的振動(dòng)，還有軸向的振動(dòng)。整理后的各階模態(tài)振型圖如下圖3-5所示：(a)一階振型 (b)二階振型(c)三階振型 (d)四階振型(e

43、)五階振型（1） (f)五階振型（2）(g)六階振型圖3-5 滾珠絲杠各階振型圖各階模態(tài)振動(dòng)頻率如下表所示：表3-2 滾珠絲杠各階模態(tài)振動(dòng)頻率階數(shù)123456頻率（hz）65.076178.566347.936570.79844.2511168（6）滾珠絲杠的靜力分析靜力分析時(shí)，由于受力部分為絲杠中段，如果繼續(xù)使用直桿模型則不便于施加外界載荷，故增加絲杠螺母模型，方便在絲杠中段施加外界載荷，并且也不會(huì)影響計(jì)算分析的可靠性。改進(jìn)后的模型如圖3-6所示：圖3-6 絲杠改進(jìn)后的模型靜力分析的步驟同上，只是在對(duì)絲杠進(jìn)行邊界條件設(shè)定時(shí)，需要再對(duì)絲杠施加載荷約束。再進(jìn)行計(jì)算分析便可以得到絲杠在軸向力作用下

44、整體的屈曲變形情況和應(yīng)力分布情況。在測(cè)量定位精度時(shí)，機(jī)床不切削。故載荷僅為摩擦力。本例中摩擦力ff =441 n，絲杠直徑d=50mm，螺母直徑d=74mm，則施加的壓力為1.89×105 pa。得到的應(yīng)力云圖如圖3-7所示：圖3-7 滾珠絲杠應(yīng)力云圖得到的應(yīng)變?cè)茍D如圖3-8所示：圖3-8 滾珠絲杠應(yīng)變?cè)茍D從應(yīng)變?cè)茍D中看到，在外界載荷的作用下應(yīng)變量最大為0.508×10-6 mm。則有限元分析計(jì)算得到的絲杠剛度為868.11 n/µm，略小于理論計(jì)算時(shí)的剛度。（7）滾珠絲杠壓桿穩(wěn)定分析細(xì)長(zhǎng)桿件受壓時(shí)，會(huì)表現(xiàn)出與強(qiáng)度失效不同的性質(zhì)，他們會(huì)先被壓彎，然后發(fā)生大的變形，

45、最后發(fā)生折斷。壓桿喪失直線(xiàn)形狀而過(guò)渡為曲線(xiàn)平衡，稱(chēng)之為失穩(wěn)21。在直桿喪失了穩(wěn)定性后，再增大很小的外載荷都會(huì)造成直桿產(chǎn)生很大的彎曲變形，使直桿喪失支撐的能力。失穩(wěn)所造成的直桿喪失軸向支撐能力，很可能會(huì)造成零部件或者整個(gè)系統(tǒng)的破壞，造成生產(chǎn)安全等問(wèn)題。所以在設(shè)計(jì)桿件部件時(shí)，必須要對(duì)細(xì)長(zhǎng)的直桿進(jìn)行壓桿穩(wěn)定的校核計(jì)算。滾珠絲杠桿長(zhǎng)1800mm，彈性模量為200gpa，最大壓力為9441n。若規(guī)定穩(wěn)定的安全系數(shù)為大于5。則絲杠的橫截面的慣性矩為：i=×d464=×0.05464=3.07×10-7 m4 (3.1)則計(jì)算出絲杠的臨界壓力為：fcr=2×eii2=

46、2×200×109×3.07×10-71.82=1.87×105 n (3.2)得到安全系數(shù)為：n=fcrf=1.87×1059441=19.8 (3.3)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于安全系數(shù)5，滿(mǎn)足要求。3.2.3 工作臺(tái)的模態(tài)分析（1）模型簡(jiǎn)化在用ansys對(duì)工作臺(tái)進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)分析的過(guò)程中，同樣不能直接將原始模型拿來(lái)進(jìn)行，工作臺(tái)中的t型槽和各種螺紋孔會(huì)造成分析模型過(guò)于龐大并且出現(xiàn)畸形單元。所以，同樣對(duì)工作臺(tái)進(jìn)行模型簡(jiǎn)化，將影響較小的螺紋孔，t型槽，倒角等結(jié)構(gòu)去除，主要考慮工作臺(tái)下部的支承部分對(duì)模態(tài)振型的影響。工作臺(tái)簡(jiǎn)化后的模型如圖3-9所示：圖3-9

47、工作臺(tái)簡(jiǎn)化模型（2）定義材料屬性同樣，在工作臺(tái)的模態(tài)分析中必須定義彈性模量和密度。工作臺(tái)的材料屬性如下：表3-3 工作臺(tái)材料屬性彈性模量/gpa泊松比密度/kgm-31350.257300（3）單元的選擇和網(wǎng)格的劃分在工作臺(tái)的建模過(guò)程中依然采用solid 92實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。采用智能尺寸進(jìn)行網(wǎng)格分割，選取的劃分單元的精度為4劃分網(wǎng)格后的工作臺(tái)模型如圖所示：圖3-10 工作臺(tái)網(wǎng)格劃分模型（4）定義邊界條件工作臺(tái)是安置在4個(gè)導(dǎo)軌滑塊上的，在模態(tài)分析中，認(rèn)為工作臺(tái)和滑塊連接的4個(gè)接觸面是固定不動(dòng)的。故設(shè)置4個(gè)接觸為全約束，限制3個(gè)自由度。約束設(shè)置如圖所示（約束部分用紫色標(biāo)出）：圖3-11 工作

48、臺(tái)約束設(shè)置（5）模態(tài)分析求解設(shè)定analysis type為modal分析，進(jìn)行求解運(yùn)算。(a)一階振型 (b)二階振型(c)三階振型 (d)四階振型(e)五階振型 (f)六階振型圖3-12 工作臺(tái)各階振型圖各階模態(tài)振動(dòng)頻率如下表所示：表3-4 滾珠絲杠各階模態(tài)振動(dòng)頻率階數(shù)123456頻率（hz）556.744647.121670.299875.723118912623.2.4 底座的模態(tài)分析（1）模型簡(jiǎn)化在用ansys對(duì)底座進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)分析的過(guò)程中，大量的螺紋孔以及各種倒角會(huì)造成分析模型過(guò)于龐大并且出現(xiàn)畸形單元。所以，同樣對(duì)底座進(jìn)行模型簡(jiǎn)化，將影響較小的螺紋孔，倒角等結(jié)構(gòu)去除，主要考慮底座的支

49、承部分對(duì)模態(tài)振型的影響。簡(jiǎn)化后的底座模型如圖3-13所示：圖3-13 底座簡(jiǎn)化模型（2）定義材料屬性同樣，在底座的模態(tài)分析中也必須定義彈性模量和密度。底座的材料屬性如下：表3-5 底座材料屬性彈性模量/gpa泊松比密度/kgm-31350.257300（3）單元的選擇和網(wǎng)格的劃分在底座的建模過(guò)程中依然采用solid 92實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。采用智能尺寸進(jìn)行網(wǎng)格分割，選取的劃分單元的精度為4劃分網(wǎng)格后的底座模型如圖3-14所示：圖3-14 底座網(wǎng)格劃分模型（4）定義邊界條件底座是安置在加工中心箱體上的，在模態(tài)分析中，認(rèn)為底座底面是和箱體連接固定不動(dòng)的。故設(shè)置地面為全約束面，限制3個(gè)自由度。約束

50、設(shè)置如圖所示（約束部分用紫色標(biāo)出）：圖3-15 底座約束設(shè)置（5）模態(tài)分析求解設(shè)定analysis type為modal分析，進(jìn)行求解運(yùn)算。(a)一階振型 (b)二階振型(c)三階振型 (d)四階振型(e)五階振型 (f)六階振型圖3-16 底座各階模態(tài)振型圖各階模態(tài)振動(dòng)頻率如下表所示：表3-6 底座各階模態(tài)振動(dòng)頻率階數(shù)123456頻率（hz）1027110211351195130013543.2.5 模態(tài)對(duì)比分析模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)及設(shè)備故障診斷的重要方法，而支撐的肋板部分又是影響各階模態(tài)頻率的重要因素。在這里以底座為例，重點(diǎn)對(duì)比支撐架壁厚對(duì)于部件模態(tài)頻率的影響的大小，為以后對(duì)模態(tài)頻率的改

51、進(jìn)工作提供依據(jù)。（1）小壁厚模型的模態(tài)分析壁厚適當(dāng)減小后的底座模型如圖3-17所示：圖3-17 小壁厚的底座模型圖在同樣依據(jù)之前的步驟進(jìn)行模態(tài)分析，得到各階模態(tài)頻率如下表所示：表3-7 小壁厚底座各階模態(tài)振動(dòng)頻率階數(shù)123456頻率（hz）7227398698979691107（2）大壁厚模型的模態(tài)分析適當(dāng)增加壁厚后的底座模型如圖3-18所示：圖3-18 大壁厚底座模型圖在同樣依據(jù)之前的步驟進(jìn)行模態(tài)分析，得到各階模態(tài)頻率如下表所示：表3-8 大壁厚底座各階模態(tài)振動(dòng)頻率階數(shù)123456頻率（hz）1282.31354.21397.51429.31538.61580.9（3）總結(jié)對(duì)比數(shù)據(jù)很明顯顯示

52、，減小壁厚會(huì)降低各階頻率，不利于零部件避開(kāi)激振頻率，而增大壁厚很明顯將增大各階模態(tài)頻率，有利于避開(kāi)激振頻率。減少壁厚會(huì)降低固有頻率，并且會(huì)降低零部件剛度；但減少壁厚可以節(jié)省材料，節(jié)省成本，而且可以使零部件輕便。所以，在設(shè)計(jì)零部件時(shí)應(yīng)在滿(mǎn)足剛度和固有頻率要求的前提下，綜合考慮制造工藝，適當(dāng)降低壁厚。結(jié) 論1、本論文的主要工作加工中心已經(jīng)成為了近幾年來(lái)發(fā)展的熱點(diǎn)內(nèi)容，加工中心目前正朝著高速、高精度、高穩(wěn)定性的方向發(fā)展，對(duì)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的靜動(dòng)態(tài)性能的要求也是越來(lái)越高。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，搜集、查閱了大量的國(guó)內(nèi)外的有關(guān)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算及靜動(dòng)態(tài)分析的研究性文獻(xiàn)。在借鑒單絲杠驅(qū)動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算分析基

53、礎(chǔ)上，對(duì)目前理論還不是很成熟的雙絲杠驅(qū)動(dòng)直線(xiàn)進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算和一些基本部件的靜動(dòng)態(tài)特性分析。主要完成了以下工作：(1)本文以雙滾動(dòng)絲杠驅(qū)動(dòng)直線(xiàn)進(jìn)給進(jìn)給系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)目前國(guó)內(nèi)外數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)的研究狀況進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，闡述了已取得的研究成果以及仍存在的不足。(2) 利用三維造型軟件pro/e，對(duì)雙驅(qū)動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)的組成部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)及裝配。其中底座、工作臺(tái)、軸承座和螺母座為自行設(shè)計(jì)，滾珠絲杠、軸承、滑動(dòng)導(dǎo)軌、電機(jī)、和聯(lián)軸器為根據(jù)工作情況按標(biāo)準(zhǔn)選型。(3) 基于有限元的分析方法，利用ansys軟件對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)的重要部件如工作臺(tái)、底座和滾珠絲杠進(jìn)行了模態(tài)分析，并對(duì)滾珠絲杠做了靜力分析，并進(jìn)行了壓桿穩(wěn)定的校核。并對(duì)支撐部分壁厚對(duì)于模態(tài)各階頻率的影響做了對(duì)比分