数控机床进给驱动系统联合仿真

摘 要：

高速高精度数控加工技术在数控加工行业占有非常重要的位置，然而机床扰动是影响加工精度的重要因素，滚珠丝杠进给传动作为机床的重要组成部分直接影响着机床的工作特性。以滚珠丝杠进给传动系统为研究对象，利用Solidworks、Ansys、Adams建立机床整机的刚柔耦合多体动力学模型，得到机床的动态特性曲线。通过与刚性体模型仿真结果作对比，验证刚柔耦合建模方法的可行性，为机床构件的结构设计优化提供依据。

关键词：刚柔耦合；多体动力学；可行性

中图分类号：

TB

文献标识码：A

文章编号：16723198（2013）10018603

0 引言

随着计算机软硬件技术的快速发展，以多领域建模与协同仿真技术为核心的虚拟样机越来越受到人们的青睐，而多体系统尤其是刚柔耦合多体系统的建模与仿真是应用这项技术的前提和基础。目前，多刚体系统建模理论已经相当成熟，相反多柔体系统的建模成为一个研究热点。多柔体系统动力学由于本身存在大范围的刚体运动，又存在弹性变形运动，因此多柔体系统动力学与多刚体系统动力学分析方法及有限元分析方法有着密切关系。多刚体理论认为机构具有绝对的刚度，即使机械运动过程中结构件自身的变形也可以忽略。事实上，由于自身的材料属性以及联结方式的影响，往往具有一定的柔性。这样就会影响到构件的动态特性，产生噪声和振动等。因此柔性体会对整个系统的运动产生重要影响。

目前“旋转电机+滚珠丝杠”的进给驱动方式在数控机床进给驱动系统中得到了广泛的应用。通过电动机驱动滚珠丝杠转动，再通过丝杠螺母带动工作台实现直线进给。本文以数控成形磨齿机进给驱动为研究对象，如图1是数控成形磨齿机X轴滚珠丝杠进给驱动的结构图。由于滚珠丝杠是一种细长的低刚度元件，在工作时由于受到驱动力的作用会产生较大的轴向变形及扭转变形，另外工作台重量相对于丝杠也比较大，加减速过程中会产生较大的惯性力，这样就会影响进给驱动系统的传动精度。然而进给驱动系统是机床的重要组成部分，它的动态特性直接影响机床的加工精度。因此把滚珠丝杠作为柔性体，建立多柔体系统的模型，更贴近于实际。以提高仿真的精度。

1 柔性体动力学方程的建立

多柔体系统的运动描述方式采用相对坐标描述方法，如图2所示

柔性体上任一点P，其位置向量是

r=r0+A（sp+up）

式中r是P点在惯性坐标中的位置向量；r0是浮动坐标系远点在惯性坐标系中的位置向量；A是方向余弦矩阵；sp是柔性体未变形时P点在浮动坐标中的位置向量；up为相对变形量。

1.1 柔性体系统的动能