数控机床双驱进给系统同步误差分析与实验研究

发布时间：2020-07-12 04:49

【摘要】：双丝杠驱动结构广泛应用于高速度、大负载的进给系统以及龙门式机床。同步性是双驱进给系统面临的重要问题。论文以双丝杠进给系统为研究对象,分析了工作台几何误差、丝杠热变形以及进给系统结构参数等因素对同步误差的影响,并提出了同步控制方案。首先辨识出进给系统的摩擦力和轴向刚度。通过实验测量出工作台在不同进给速度下两个进给轴的摩擦力,利用遗传算法求解Stribeck摩擦力模型中的参数。通过理论分析得到轴向刚度和阻尼与固有频率和阻尼比的关系,结合实验测量出两个进给轴的幅频特性曲线和相频特性曲线,计算出两轴的轴向刚度和阻尼。然后,研究了热变形对同步误差的影响。采用有限元分析和实验相结合的方法分析了进给系统的温度场、热平衡时间以及两个进给轴之间的温度差异。同时分析了同步误差随进给速度、时间和热平衡温度的变化规律,建立了同步误差的预测模型。其次,针对进给系统参数的变化,建立了同步误差数学模型。分析了进给速度、轴向刚度以及负载位置变化等因素对同步误差的影响。以MCH63加工中心进给系统为研究对象,利用激光干涉仪测量出不同进给速度下的同步误差,验证了同步误差数学模型的准确性。最后,分析了三种同步控制方式的特点,提出了基于模糊PID的主从同步控制方式,仿真分析表明相比于普通PID,模糊PID控制器具有更好的稳定性和同步控制能力。
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG659
【图文】：

同步误差,进给系统,丝杠,热变形

同步误差产生的原因主要有：制造或装配过程中工作台产生的扭转角误差；摩擦力逡逑不同导致的双丝杠热变形量不同进而产生的同步误差；两个轴的轴向刚度不同导致工作逡逑台在运动过程中受力不均衡而产生的同步误差，如图２．１。逡逑装配精度——？几何误差逦？工作台扭转一逡逑摩擦力ｋ一＾？！丝杠温升｜——＋变形不同｜—？！同步误差逡逑轴向刚度工棠力传动误差逡逑图２．１同步误差产生原因逡逑进给系统运动时，滚珠丝杠的温度随着进给速度的增加而增加，因此丝杠的热变形逡逑对进给系统精度有很大影响。对于双驱进给系统，热变形会导致工作台的位置、角度和逡逑直线度等发生变化，由于外界条件不同，两个进给轴上的各点的温度变化不一致，因此逡逑两个丝杠的热变形必然不相同，同时由于工作台的机械耦合作用，两个丝杠的变形量也逡逑会相互影响。逡逑工作台在运动过程中，两轴的轴向刚度和摩擦力的差异导致两个进给轴对数控系统逡逑进给指令的响应速度不同，工作台所受的两个轴向力也不同，从而形成同步误差。特别逡逑是在电机起步阶段、速度变化较大阶段以及工作台高速运行阶段，这种对运动指令响应逡逑速度的不同更加明显。逡逑进给系统的几何误差在装配的过程中可以通过千分表调整

进给轴,摩擦力曲线,摩擦模型

．．．．．．．．逦３．８０逦４．５５逦４．６４逦４．６９逦４．７２逦４．７０逦４．７０逦４．８０逦１．９３逦２．２１逦２．１７逦２．２７逦２．１５逦２．２５逦２．２２逦２．３７算法辨识出的两个进给轴的Ｓｔｒｉｂｅｃｋ摩擦模型参数如表２．２。出的摩擦曲线如图２．５所示。从图中可知，低速进给时，摩，两个进给轴的摩擦力曲线变化趋势基本相同，轴１所受的力。两个轴的Ｓｔｒｉｂｅｃｋ摩擦模型的预测值与实验测量值最，模型有较高的预测精度，因此可以利用Ｓｔｒｉｂｅｃｋ摩擦模型表２．２邋Ｓｔｒｉｂｅｃｋ模型参数辨识结果逡逑编号逦ｆｓ（Ｎ）逦ｆｃ（Ｎ）逦Ｖｓ邋（ｍｍ－ｍｉｎ１）逡逑轴邋１逦１９３．３５８逦９９．７５８逦３１．３５３逦０．００２轴邋２逦７０．８８３逦４１．５２６逦２５９．５１４逦０．００２

点位图,轴向刚度,工作台,丝杠螺母

进给轴轴向刚度主要受到两端轴承和丝杠螺母轴向刚度的影响，同时工作台自身结逡逑构刚度对测量也有一定影响。因此为了提高两个进给轴轴向刚度的辨识精度，需要准确逡逑的测量出丝杠螺母相对于轴承座的轴向振动，具体方法如图２．７。逡逑Ｍ逦－—激振器逦铀虽成逡逑ｍ＆ｒｚｚｚ＾逦＾ｒｚｚｚｚ］／＾ｍ逡逑２逦ｉ逦＼螺母座逦［ｄｔｈ／逡逑＼邋／邋／邋／邋／＼逦１／邋／邋／邋／邋／邋／Ｉ逦＼邋／邋／邋／邋７＼逡逑ｆ．＼．＼＼＼］逦ｐ－ｖ邋＼邋＼邋＼逦卜邋＼＼＼＼］逡逑２逦ｉ逦ｒ＾３逡逑．Ｖｖ邋Ｖ＾：逦ｋ＿Ｘ逦Ｘ邋＼Ｘ－Ｓ］逦Ｌ邋＼＼＼Ｘ逡逑ｒ逦．逦ｉ逡逑图２．７轴向刚度测量示意图逡逑如图２．７所示，为消除工作台结构刚度的影响，在与工作台固连的丝杠螺母１点位逡逑置放置加速度传感器，用于采集螺母的轴向振动信号；在轴承座２点位置放置加速度传逡逑感器，测量进给系统其它轴向振动分量。在工作台上利用激振器施加激振力，同时采集逡逑激振器的激振信号。逡逑具体实验方法为：利用安正ＣＲＡＳ软件设置激振频率范围，通过数据连接线将该频逡逑１５逡逑

【参考文献】