直线滚动导轨动力学特性解析及有限元建模

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直线滚动导轨具有运动灵敏度高、定位精度高、牵引力小、磨损小、润滑维修简便等优点,已逐渐取代了传统的滑动直线导轨(重载机床除外),成为当前数控机床的重要功能部件。直线滚动导轨通常连接着工作台和主轴箱,其动力学特性直接影响着机床的加工精度和加工效率。因而,测试、建模、分析滚动导轨的动力学特性是机床整机动力学分析的基础,对数控机床抗振性及稳定性设计也有着重要的意义。本文以NSK公司生产的LH35型直线滚动导轨为研究对象,重点研究考虑结合部特性的直线滚动导动力学特性建模问题,分别对直线滚动导轨进行了解析建模和有限元建模,并通过多体动力学分析软件及模态实验验证了解析建模和有限元建模的正确性。并将导轨模型应用到整机分析中,考察导轨结合部对整机性能的影响。具体研究内容如下:(1)总结了机床导轨结合部的研究方法和研究现状,对目前学者们提出的各种导轨结合部动力学模型进行了分类,列举了5种导轨结合部的处理方法,包括用弹簧阻尼单元模拟结合部、用解析表达式描述结合部特性、用假想材料模拟结合部特性、用自创的结合部单元来模拟结合部、用接触单元模拟结合部特性,并对5种处理方法进行了简单的评价。(2)在前人动力学模型的基础上,采用弹簧阻尼单元,以LH35型直线滚动导轨为研究对象,对其进行了解析建模。应用拉格朗日方法,建立了五自由度耦合方程,求得直线滚动导轨五阶固有频率的解析表达式,并带入相应的参数,解得五阶固有频率数值,并在ADAMS中进行了仿真验证,验证了解析建模的正确性。(3)应用添加假想材料方法,对导轨进行了静力分析;应用添加弹簧阻尼单元,对导轨进行了模态分析,求得直线滚动导轨的前五阶固有频率及对应的模态振型;对模态分析所用模型,对导轨进行了谐响应分析。(4)应用B&K等设备进行了直线滚动导轨的模态实验,获得滑块响应点的振动响应,得到导轨系统的频响图,进而得到固有频率及阻尼比,并将实验结果与解析结果和有限元分析结果进行了对比,验证了解析建模及有限元建模的合理性。(5)建立了包含导轨的立式铣床简化模型,在不考虑导轨结合部的情况下,对整机进行了静力分析和模态分析。采用添加假想材料方法模拟导轨结合部,在考虑导轨在轻、中预载条件下,考察整机的静力学性能;采用弹簧阻尼单元方法模拟导轨结合部,在考虑导轨在轻、中预载条件下,考察整机的动力学性能;将上述分析结果与不考虑导轨结合部特性的分析结果进行了对比,发现结果差异较大,说明导轨结合部动力学特性对整机性能影响较大。
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