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1、 南 京 理 工 大 学毕业设计说明书(论文)作 者:侯阳琨学 号：0901500317学院(系):机械工程学院专 业:机械工程及自动化题 目:加工中心双驱动滚动支承直线进给系统设计与静动校核分析指导者： (姓 名) (专业技术职务)评阅者： (姓 名) (专业技术职务)2013年5月毕业设计说明书（论文）中文摘要 进给驱动系统是数控加工中心的重要组成部分，进给系统的设计是否合理，静动态特性如何将直接影响到加工中心的加工精度。本文以双滚动丝杠驱动直线进给进给系统为研究对象，对目前国内外机床的进给系统的研究状况进行了简单介绍；利用三维造型软件Pro/e，对双驱动进给系统的组成部件进行了设计及装配
2、；并基于有限元的分析方法，利用ANSYS软件对进给系统的重要部件如工作台、底座和滚珠丝杠进行了模态分析，并对滚珠丝杠做了静力分析，并进行了压杆稳定的校核；在最后对“支撑部分壁厚对模态各阶频率的影响”做了分析。关键字 进给系统 静动态分析 有限元 ANSYS毕业设计说明书（论文）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绪论11.1研究背景11.2双驱动直线进给系统的研究现状11.3本文研究内容32双丝杠驱动进给系统的设计计算52.1双丝杠驱动直线进给系统的设计流程52.2进给系统要求的技术参数52.3传动系统设计5
6、2.4滚珠丝杠选型62.5丝杠支承设计82.6伺服电动机的选型92.7导轨的设计计算102.8工作台设计122.9底座设计142.10系统刚度的验算153双驱动进给系统的有限元建模与静动态分析183.1有限元及ANSYS简介183.1.1有限元方法简介183.1.2ANSYS简介183.2模态分析193.2.1模态分析简介193.2.2滚珠丝杠的模态分析及静力学分析193.2.3工作台的模态分析263.2.4底座的模态分析303.2.5模态对比分析33结 论36致谢37参考文献381 绪论1.1 研究背景数控即数字控制(Numerical Control，NC)，是数字程序控制的简称。它是通过
7、特定处理方式下的数字信息去自动控制机械装置进行动作，这种采用数字化信息实现自动化控制的技术称数控技术，简称数控1。如果部分或全部基本的数控功能是通过计算机来实现的，则称为计算机数控(Computer Numerical Control，缩写为CNC)。数控车床则是指利用数字化技术来控制加工过程和执行机构运动的机床。一个国家数控机床的数量和水平已经成为了衡量一个国家工业现代化程度和综合国际竞争力的重要指标2。数控技术已经成为了发达国家用来提高制造业水平的重要基础，目前各个国家都在把发展自己的数控技术作为重要的发展战略。日本由于数控技术的快速发展从而使得本国的制造业迅速崛起。到目前为止，以数控技术
8、为主要代表的现代化制造技术已经成为美国、日本和欧洲等先进工业国家竞争的焦点。我国目前也正在采取各种积极措施来大力的发展我国的数控技术，以数控技术为基础来振兴我国的机械工业已经成为了发展的重中之重。目前，在国内比较低档的经济型数控车床系统已经基本实现了国产化，但在生产设计高档的数控车床系统方面在国际上仍处于相对劣势的地位。1.2 双驱动直线进给系统的研究现状学者们已经对滚珠丝杠直线进给系统的精度以及静动态特性做了大量的分析和研究，提出来各种关于进给驱动系统的设计计算及优化方法。建立了大量的数学物理型进行理论分析，并且借助各种三维模型软件建立了的直线进给系统的三维立体模型，还通过利用有限元分析的方
9、法对直线进给系统进行各种形变、应力的分析，还进一步进行了模态分析等方面的研究。大连理工的戴曙总结了一套关于数控机床直线进给系统的传动设计计算方法以及其中比较重要的传动部件和滚珠丝杠及丝杠支承的计算设计方法。谢红，高健等总结了加工中心的工作台、滚珠丝杠副、伺服电机、滚动直线导轨的选择计算，还作了伺服进给系统中的传动精度计算、丝杠拉压振动和扭转振动的验算9。山东大学的许向荣等对滚珠丝杠副的轴向刚度做了分析研究，并进一步推导了单螺母滚珠丝杠螺母副的轴向刚度计算公式,分析了其影响因素,并运用Matlab仿真软件进行了仿真,得出了其关系曲线10。东北大学的邱国富对数控机床进给机构的特性进行了研究，并建立
10、了进给系统的伺服控制系统的数学模型，并用ANSYS及Simulink对进给伺服系统的特性进行了分析和动态性能的仿真11。曹永峰完成了“数控机床伺服进给CAD系统”的研究与开发；薛东彬完成了基于Pro/E的滚珠丝杠参数化设计；安琦瑜，冯平法，郁鼎文等完成了基于 FEM研究方法 的滚珠丝杠直线进给系统的动态性能分析；赵万军完成了基于ANSYS的滚珠丝杠直线进给系统的静动态特性分析等等。Mizuho N对滚珠丝杠进给系统建立动力学模型，分析了丝杠变形对静、动特性的影响6-7。Cheng H E运用有限元方法对进给系统进行动力学分析和拓扑优化设计，并将灵敏度分析技术应用于动特性分析中，提高了对进给系统
11、静、动特性研究的准确度8。以上这些传统的较为成熟的静态动态特性分析的研究对象多为进给系统的部件或者单滚珠丝杠驱动的进给系统。为了更好的去适应高速化高精度化的要求，改进并提高滚珠丝杠的静态动态性能，一些学者和专家考虑将传统的单滚珠丝杠驱动进给系统进行改进，改为采用双滚珠丝杠驱动的进给驱动系统。现在很多发达国家已采用了双滚珠丝杠驱动方式，将驱动力尽可能作用于运动件的重心，可以在高切削速度和进给速度条件下，减小扭转变形，进而提高进给系统的整体刚度10如图1-1所示，如果在机床的重心处有物体，并且不能直接将力加在重心处，可以将力平均分配到重心的两端，同样可以实现进给轴的直线进给。图1-1 双滚珠丝杠驱
12、动如日本森精机开发的NV4000DCG机床就采用了双滚珠丝杠驱动技术；NSK采用特殊的工艺方法制造出了双驱动滚珠丝杠副，螺纹长度为1200mm的两根丝杠，相互累计导程误差不超过0.005mm。由大连机床厂设计生产的VHT系列五轴联动立式车铣复合加工中心的Y 轴方向即采用的是双丝杠驱动的结构。郭崇嵩，芮执元，刘军等以国家科技重大专项动梁无滑枕立式铣车复合加工中心双驱进给系统工作台为研究对象，通过有限元的分析方法对竖直方向（即Z轴方向）的双驱进给系统进行了静动态特性分析18由昆明机床厂设计生产的TGK46100机床，也是采用的双丝杠驱动进给系统。企业目前还没有一个相对官方的跨距确定原则，一般都是通
13、过有限元法分析的方法来计算出双丝杠驱动的优势以及丝杠之间的跨距对进给系统静动态特性的影响，从而计算出最佳的跨距。综上所述，现阶段对单丝杠驱动直线进给系统的研究，已经基本成熟，而对双驱动直线进给系统的研究则是处于实践超前于理论的阶段，各大厂家都各自有自己的设计分析的方法，而并未形成统一的理论，也没有各种设计方法之间的优劣对比。双驱动直线进给系统的设计分析整体还不是很成熟。1.3 本文研究内容进给驱动系统是加工中心的重要组成部分，进给系统的设计是否合理，静动态的特性如何将会直接的影响到加工中心的加工精度。本文以双滚动丝杠驱动直线进给系统为研究对象，主要进行一下工作：（1）对目前国内外数控车床的直线
14、进给驱动系统的研究状况进行了简单介绍。（2）参考单丝杠驱动进给系统，对双驱动系统进行设计及选型。（3）利用三维造型软件Pro/e，对双驱动进给系统的组成部件进行了设计及装配。（4）并基于有限元的分析方法，利用ANSYS软件对进给系统的重要部件如工作台、底座和滚珠丝杠进行了模态分析，并对滚珠丝杠做了静力分析，并进行了压杆稳定的校核。（5）对支撑部分壁厚对于模态分析中的各阶模态的固有频率有何影响做了进一步的分析和对比。2 双驱动进给系统的设计计算2.1 双驱动直线进给系统的设计流程由于现阶段对于双驱动的设计计算理论还未成熟，本文则是在现有的比较成熟的单丝杠驱动进给系统的设计计算基础上，结合双驱动自
15、己的特点，进行了双驱动直线进给系统的设计。整个双丝杠驱动进给系统的设计流程如图2-1所示：图2-1 双驱动进给系统设计流程2.2 进给系统要求的技术参数系统参数：工作台重300kg；工件及夹具的最大重量1200kg；纵向最大进给力为9000N；工作台行程900mm；进给速度320000mm/min；快速进给速度42m/min；要求定位精度0.007/300mm。2.3 传动系统设计交流何服电机的最高转速ndmax有2000r/min，3600r/min ，4500r/min，6000r/min，不等。工作台要求的最快进给速度vmax= 42m/min。假设伺服电动机通过联轴节与丝杠直联，即u=1（一般的加工中心都应尽量设计成伺
