毕业设计（论文）机床滑动结合面性能测试装置的设计

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1、南 京 理 工 大 学毕业设计（论文）评语学生姓名：班级、学号：题 目：综合成绩：指导者评语： 指导者(签字)： 年 月 日毕业设计（论文）评语评阅者评语： 评阅者(签字)： 年 月 日答辩委员会（小组）评语：答辩委员会（小组）负责人(签字)： 年 月 日毕业设计说明书（论文）中文摘要数控技术是先进制造技术的重要核心之一，关系到国家工业战略地位和综合国力水平。数控机床是一个复杂的机械，其结合面的动态特性将很大程度上影响机床的精度。因此，对数控机床结合面的研究具有很大的现实意义和价值。本文就数控机床滑动导轨结合面进行分析，设计测试其动态特性的实验装置。首先确立了将结合面简化为一个单自由度系统进行

2、测量的测试原理。根据测试原理与方案，将装置设计分为：驱动系统设计、同步系统设计、施力装置设计及安装平台设计。并对关键部件进行计算、校核，同时对重要部件进行基于ANASYS的动态特性结构优化设计。关键词 结合面 ANASYS 结构优化设计 动态特性毕业设计说明书（论文）外文摘要TitleStudy on Testing technology of Machine Tools SlidingJoint Surface ParametresAbstractNumerical control technology is one of most important advanced manufactur

3、ing technology, it relates to national strategic position and the level of comprehensive national strength. CNC machine tools is a complex machine, which combine the dynamic characteristics of surface will greatly influence the accuracy of machine tools. Therefore,its great practical significance an

4、d value to research the joint surface of CNC machine tools .In this paper, CNC machine tool slide guide surface for analysis is discussed.And I design the experimental installation to test the dynamic characteristics. Fistly, it establishes the joint surface which is reduced to a single degree of fr

5、eedom measurement system for testing principle.Secondly, the testing principles and program are designed into the device: drive system designing, synchronization system designing, force equipment designing and installation of platform designing. Finally, Calculate, check the key parts, and the same

6、time to optimize the important components of the dynamic characteristics of structures based on ANASYS .Keywords joint surface ANASYS Structural Optimization dynamic characteristics 本科毕业设计说明书（论文） 第 II 页 共 II 页目 次目 次I1绪论11.1引言11.2国内外结合面研究状况11.2.1结合面基础理论研究概况21.2.2结合面特性试验研究概况31.2.4结合面应用技术研究概况61.3本文研究的问

7、题和难点71.3.1滑块在一定速度下测试其动态特性71.3.2压力加载方式72 机床滑动结合面性能测试实验台的工作原理73总体方案的确定103.1驱动系统的设计103.2同步系统的设计103.3安装平台设计103.4施力装置的设计124零部件的设计与选用124.1滚珠丝杆副的选型与计算12(1)由传动关系，工作台最高移动Vmax,电机最高转速nmax等确定Ph12(2)滚珠丝杆副的载荷及转速的计算12(3）确定预期额定动载荷12(4)按精度要求确定允许的滚珠丝杆的最小螺纹底径d2m13(5) 确定滚珠丝杆副的规格代号13(6)滚珠丝杆的校核134.2步进电机的选用144.2.1考虑匀速运动时受

8、力分析144.2.2步进电机的校核154.3 联轴器的选用164.4滚珠导轨的选择、计算和验算164.5小安装平台的设计174.5.1小安装平台的长度考虑主要因素：174.5.2小安装平台的宽度考虑主要因素：184.6 大安装平台的设计184.6.1大安装平台的长度考虑主要因素184.6.2大安装平台的宽度考虑主要因素194.7滑板的设计194.7.1滑板的主要功能：194.7.2滑板的结构设计：194.8同步桥板的动态优化设计204.8.1ANSYS结构优化设计简介204.8.2有限元模型的建立214.8.3同步桥板优化模型有限元分析224.8.4小结244.9连接桥板的结构优化设计244.

9、9.1有限元模型的建立244.9.2桥板优化模型有限元分析254.9.3小结29结 论30致 谢错误！未定义书签。参考文献31 本科毕业设计说明书（论文） 第 33 页 共 33 页1绪论1.1引言机床是复杂机械，除了结构本体之外还包含有各种各样许许多多的结合面。结合面的种类很多，一般可分为固定结合面、半固定结合面、可移动结合面。常见的固定结合面如: 机床箱体与床身的连接、机架与机座的连接、主轴与刀柄的锥面连接。半固定结合面如摩擦离合器的连接与接触等。可移动结合面最普通的是导轨间的连接面、轴承(包括滚动轴承)滚动体与内、外圈的接触面等。机床的结合面模型是否准确、合理，将直接影响机床整机动力学模

10、型的精度。因此建立一个较为准确、合理的结合模型是能否实现机床结构动态优化设计的关键。滑动导轨是机床中最早使用的导轨，至今仍在各类机床产品上仍广为采用，它往往是采用铸铁件或钢件（镶钢导轨）制成，为了提高导轨的耐磨寿命和精度，又往往要进行表面淬硬处理和表面磨削、刮研处理。在数控机床产品上，由于可能要加工复杂形面的工件和为了提高工件加工的尺寸精度，同时为了减少导轨副的磨损，以利于机床长期地保持精度，目前多采用在移动构件导轨面上粘贴非金属涂层如聚四氟乙烯塑料软带，或采用注塑导轨面两种方式。在充分的润滑条件下，两者都兼有较小的摩擦系数、阻尼系数和优良的抗磨损性，不同点是前者的表面接触刚性不及后者好（贴塑

11、导轨只及钢对钢表面接触刚度的1:3，注塑导轨能接近1:1）。一般而言，滑动导轨最显著的优点是具有优良的刚性、吸振性（抑制刀具切削时产生的振动）和阻尼性（防止导轨系统启动或停止时的振荡），适宜切削负载较大的机床采用。导轨的结合部分又是影响机床动态特性的关键技术因素，因此，对滑动导轨的结合面进行研究具有很大的现实意义和价值。1.2国内外结合面研究状况最早说明结合面在机床整机性能中的重要作用是在1937年，德国柏林工业大学的Kienzle和Kettner提出的，真正的研究则是在1956年后，由苏联的Reshetov和Levina说进行的。自那以后，世界各国的学者都进行了大量的研究工作，取得了一定的研

12、究成果，但是尚未达到实用的阶段。关于结合面问题的研究主要可以分为四大方面：结合面基础理论研究、结合面特性试验研究、结合面动态特性参数识别研究与结合面应用技术研究。1.2.1结合面基础理论研究概况结合面从本质上讲是粗糙表面的接触问题，因此关于结合面特性问题的研究可以追溯到关于粗糙表面接触理论的研究。粗糙表面接触理论研究的基础上经典的赫兹接触理论。研究粗糙表面的接触，首先要建立物理力学模型。1966年，J.A.Greenwood和J.B.Williamson发现许多工程表面上的微凸峰的高度近似于Gauss分布，并基于三个假设提出了著名的GW接触模型。但GW模型的一个重要前提假设是微凸峰的接触是相互

13、独立的，这种假设只有在轻载小变形的时候才近似成立，载荷较大、微凸体变形严重时将产生较大的误差。此外，微凸体峰顶曲率半径相同的假设也较为苛刻。1970年，D.J.Whitehouse和J.F.Archard基于各向同性、Gauss分布和自相关函数为指数函数形式的三个基本假设，提出了WA模型。1971年P.R.Nayak提出了一种新的粗糙表面接触模型，其前提是表面轮廓、斜率和峰顶曲率服从联合高斯分布。1973年，R.A.Onion和J.F.Archcard利用WA模型确定了接触面积和接触载荷与粗糙表面的分离关系，提出了OA模型。Back等着假定结合面粗糙微凸峰高度分别为指数函数的情况下，从理论上证

14、明了结合面法向变形与结合面的面压之间的关系符合指数函数的关系，与实验结果相一致。国内也有很多学者对此做了研究工作。如张波等针对工程中许多接触表面的接触特性都取决于塑性接触后的表面形貌的情况，研究了塑性接触对表面形貌的影响，提出了相应的计算模型。1994年饶柱石采用弹性基础理论和概率分析的方法，考虑表面波纹度的影响，提出了一种新的粗糙表面法向接触刚度的理论计算方法。上述各种模型和计算方法都是基于对粗糙表面的传统定量化统计描述，从而缺乏客观唯一性。针对这个问题，Majumdar和Bhushan提出了以分形几何为基础的粗糙表面接触分形理论。张学良基于粗糙表面接触的分形理论与分形模型以及球体与真实光滑

15、平面的接触理论，从理论上提出了机械结合面接触刚度分形模型，进行了数字计算仿真，并通过实验定性的验证了其正确性。结合面基础理论研究的还存在着很多的不足和问题。但这是结合面研究的基础，可以我们解释结合面特性变化规律，可以知道我们对结合面特性的研究，预测结合面的特性。对于结合面基础理论的研究有较大的意义。1.2.2结合面特性试验研究概况结合面的特性可以根据所承受的载荷分为静态特性和动态特性。a结合面静态特性试验研究概况关于结合面静态特性的研究很多，也较为系统全面，目前可以认为基本成熟，并取得了一些基本共识：（1）影响结合面静态特性的主要因素有：结合面预面压、材料、加工方法及表面粗糙度、结合面的结构类

16、型与尺寸、结合面的功能、结合面形状误差、结合面的介质情况、结合面上的静载荷等。（2）影响结合面静态特性的主要因素可以分为三类： 与结构有关的因素：如结合面的结构类型与尺寸、结合面的功能、结合面的形状误差等。 与工况有关的因素：如结合面上的静载荷等。 反映结合面固定特性的因素：如结合面面压、材料、加工方法及表面粗糙度、结合面面间介质状况等。（3）结合面面压对结合面静刚度的影响规律可以用指数函数来描述。（4）结合面静态特性影响因素的处理方法： 与结构设计有关的影响因素在设计预测的时候予以处理。 反映结合面固有特性影响因素以结合面静态基础特性参数数据来体现。（5）结合面静态特性可用有限个非线性弹簧来

17、代替。（6）结合面的静变形与相应的力之间的关系中加、卸载时出现迟滞现象，从而表明结合面间存在阻尼，并在一定程度上解释结合面阻尼的产生机理。b结合面动态特性试验研究概况结合面的动态特性研究比结合面静态特性研究要困难许多。因为结合面并不是一个独立的单元，只能存在系统之中，不能单独地测量；再者，结合面的阻尼占整机阻尼的90%以上，结合面的阻尼与它所处的系统中的其他结构的阻尼往往在一个数量级别上。国外学者Back等根据Andrew的实验结果得出了一些结论：无油结合面的法向动刚度接近于法向静刚度，其阻尼很小；具有油膜结合面，阻尼较大，且阻尼系数与法向载荷无关，而阻尼损耗因子与频率有关；具有油膜的结合面的

18、法向阻尼机理相当于挤压油膜阻尼。国内黄玉美、张学良等了用于获取具有通用性的结合面动态基础特性参数的实验装置的设计原则和结合面动态基础特性参数的影响因素的处理方法。结合面动态基础特性的实验研究可以认为在如下的几个方面是比较一致的：（1） 影响结合面动态特性参数的因素除了影响静态特性的因素外，还有结合面上的动载荷大小、震动频率、结合面间的动态相对位移；（2） 结合面的动态特性具有非线性；（3） 结合面阻尼的产生机理因具体结合条件不同而不同，主要有库伦摩擦、挤压油膜阻尼、迟滞变形和微观滑移所产生的结合面阻尼；（4） 结合面特性可以用结合面法向和切向刚度和阻尼来模拟。1.2.3结合面动态特性参数识别研

19、究概况由于结合面基础特性的理论研究存在着众多的问题和不足，所以对结合面的模态参数识别就显的尤为必要。在模态参数识别这一块，国内外有众多的学者在这一块做了大量的研究。主要的方法是理论计算、实验测试、实验测试与有限元模拟相结合。1979年，日本学者吉村允孝通过对机床结合面的研究，提出：只要平均接触压力相同，单位面积结合面的动态性能数据是相同的。这个具有很高的可用性。使得我们不需要测量每一个具体的结合面，而只要测量得到这某一特定情况下的单位面积结合面的动态特性，便可以模拟出实际结构的结合面。国内张杰等基于有限元思想，提出了理想结合面和结合面元的概念，并进一步提出了一种基于结合面元的结合面的动力学模型

20、。为结合面模态参数识别提供了一种方法。汪列隆等在模态分析的基础上应用弹簧阻尼单元建立机床导轨滑块的结合面动力学模型，经过优化计算来识别机床导轨滑块的结合面参数。赵宏林等对机械结构的结合部特性进行了理论解析，从基本的动力学方程推导出单平面结合面部的静态位移与结合部受力之间的关系，进而转换为静刚度的表达式；并基于一个震动周期内某方向的输入能量与阻尼消耗的能量相等的概念，推导出单平面结合部阻尼的表达式。将机械结构中的多平面结合部，看成是多个单平面结合部的组合，而将回转结构等效为正多面体。由此，在机床结合部结构形式、受力大小确定的条件下，可以计算出结合部的等效结合刚度和阻尼。为了在机床整机动力学建模中

21、融合结合部特性，给出了刚性结合和柔性结合两种情况下的协调方程。西安理工大学的黄玉美、张学良等人提出了用接触单元模拟结合面部分的有限元方法，并推导出了该单元的刚度矩阵及阻尼矩阵；在实验与理论相结合识别结合面特性参数方面，提出了一种利用约束非线性优化方法可变误差多面体算法以及人工神经网络结构化建模来识别机械结合面特性参数的方法；还运用接触分形理论获得了机械结合面法向接触刚度的模型；并在结合面动态基础特性参数的影响因素及固定结合面的阻尼耗能机理方面进行了有一定特色的研究。郑佳明，张建润等针对高速、高精度机床中采用的滚珠导轨结合部参数的测试提出单自由度分量分析法对机床滚珠导轨进行模态测试分析。测试中分

22、别对垂向和侧向激励，测试传递函数，从而识别出导轨结合部的特性参数。汪列隆，朱壮瑞等在模态分析的基础上应用弹簧阻尼单元建立机床导轨滑块的结合部动力学有限元模型，经过优化计算来识别机床导轨滑块结合部参数。结果表明：优化计算方法识别参数结果与简化单自由度方法所得的测试结合部参数相近。华中科技大学谢波建立了一种新的动力学模型可动结合部的多节点动力学模型，该模型把可动结合部当作一个独立的结合部有限单元处理，通过把结合部单元的节点力位移关系曲线分段线性化处理，较好地解决了结合部的非线性问题。方健应用赫兹弹性接触理论，建立了导轨副接触区承载变形模型，分析了其几何参数的变形协调关系。分别讨论了承载垂直载荷时和

23、在已知预加载荷下的刚度计算问题，提出了滚动直线导轨副静刚度计算的一种简化计算方法。东北大学李景奎采用了一种基于实验模态分析，理论计算及有限元分析的结合面在一起的研究方法，该方法可适用于任何可以简化成弹性阻尼元件的系统。北京工业大学伍良生、洪富昌、王海滨等提出了一种测试结合面实际接触状态的方法，此方法以相对位移为基础，将模型简化为单自由度系统，消除了基础震动的影响，提高了识别精度。由于结合面处不能直接安装传感器，故实际基础位移的测量并不是实际结合面上的基础位移，而是在结合面附近的基础位移。此外，该方法不能消除滑块变形的影响。昆明理工大学王松涛应用固定的弹簧阻尼模型对结合面进行建模，运用有限元分析

24、与实验模态分析相结合的方法对结合面等效参数进行识别。具体为首先在有限元中建立模型，输入一个结合面等效参数，与此同时测量实际模型的模态参数，将有限元的结果与实际测量的结果比较一致度，如果相吻合，这说明输入的结合面等效参数就是实际的结合面参数，如果不符合，这重新输入结合面等效参数，再与实际的测量结果比较。如此反复，直到得到在一定误差范围内的结合面等效参数。该方法的技术量较大，另外要求有限元模型与实际的模型吻合度非常高。1.2.4结合面应用技术研究概况随着高速、高精度机床等发展，要求在设计的时候就能考虑到结合面对机械结构的影响。关于这一方面国内外学者做了大量的研究，也取得了一定的成果。1974年Ba

25、ck等利用有限元法，同时考虑了结合面的接触刚度和结合面周围构件的柔性，对几种典型的实际结合面结构进行了变形和结合面上压力分布计算，其结果与实验测试的结果较好地吻合。1978年伊东宜出了结合面周围构件的处理方法，并指出由小试件通过实验测得的结合面静态特性参数对于实际应用技术已经足够，而且也适用于表面压力呈非线性分布的导轨结合面。1999年Edward Chlebus 和Bogdan Dybala 用有线与法用一组杆单元来模拟结合面的法向特性，对机床滑动导轨进行了有限元建模与特性分析计算。并与实验结果较好地吻合。陈就、黄玉美据导轨面与滚动体之间接触面压的不同，分别应用结合部理论和弹性力学公式进行计

26、算，并通过实验证明解析方法和相应的计算程序的正确与可靠性。张广鹏、史文浩、黄玉美基于结合面动态基础特性参数研究了机床导轨结合部动态特性的建模解析方法。为机床整机动态特性解析中结合部参数的确定提供了一种方法，使机床图样设计阶段预测整机动态特性成为可能。另外在文献中有应用均质梁、集中质量及结合部单元对机床进行整机动态建模，然后应用子结构合成的思想建立了整机系统的动力学方程，编制了相应的整机动态性能预测解析软件。王世军、黄玉美等动态特性参数，提出了机床导轨结合面特性仿真分析的有限元方法，通过该方法可以建立机床整机性能分析的有限元模型。给出了导轨结合部上反映界面连接特性的六节点接触单元的刚度矩阵。赵宏

27、林等在研究了结合部特性及其表达方法的基础上，提出了将结合部特性应用于机床结构建模的融合技术和应用方法。杨家华、陈为福、黄旭东分析基础上，应用结合面单元建立机床结构的动力学方程，经过优化计算，识别了机床立柱和床身之间的结合面参数。国内其他的学者建模与分析的研究。在结合面应用这一块主要是基于实验测得模态分析的结合面参数，也有利用理论分析得到的结合面参数。然后通过弹簧阻尼来模拟结合面，或者通过结合面单元来模态结合面。经有限元分析得到所要结构的模态参数。当前的研究主要的问题是，当前理论分析并没有成熟，所得到的公式通用性不强。而实验得到的参数只能适用于所测量的情况，目前尚没有完整的或者通用的结合面动态特

28、性参数数据库的建立。1.3本文研究的问题和难点1.3.1滑块在一定速度下测试其动态特性难点1、激振器必须与激振点同步。即激振器与滑块之间没有相对位移。 2、如何安装测量导轨基础位移传感器。 3、在整个滑块行程时间段内完成整个频段扫描。技术路线：难点1解决方案：同一电机驱动。将滑块与激振器分别通过绳索拖动。而两根绳索经过变向后连接到一个直线运动的齿条上，齿条则由伺服电机驱动。在齿条上安装速度传感器以测量滑块与激振器的瞬时速度。另一种解决法案是通过同步带拖动。实际测量时，在滑块与激振器的速度稳定时开始激振与测量，即要使得绳索所受的力尽量小，以减小其对滑块和接合面模态特性的影响。期望：可以使得在尽量

29、短的时间内达到稳定的同步速度，这样就有更多的行程与时间来测量。难点2解决方案：水平方向的传感器安装在导轨的侧面，垂直方向的传感器安装在导轨的底面。期望：通过合理的设置与布置传感器，尽量保持原滑块与结合面的动态特性。难点3解决方案：首先，快速扫描出大致的共振频率，然后在此共振频率区域进行稳态正弦扫描。期望：保证导轨的刚度足够以使得滑块在导轨的不同位置都有着相同的动态特性。1.3.2压力加载方式技术路线： 通过砝码块加载压力，可以控制压力的大小。期望： 增加砝码而不影响结合面的动态特性。2 机床滑动结合面性能测试实验台的工作原理图1为实验装置简图。两根导轨用螺钉紧固在夹具体上，连接板跨接于两个滚珠

30、导轨副的滑块之间，目的是保持实验装置的稳定性并增加振动系统的质量，提高试验数据的信噪比。法向与切向激振器与拾振器的安装位置分别如图1（a）、（b） 所示。以下说明滚珠导轨副切向刚度与阻尼系数的测定方法，法向刚度与阻尼系数的测定方法是类似的。图1c为测量切向刚度与阻尼系数的力学模型。实验时须测量：切向激振力f；滑块的切向位移Xt；导轨的切向位移Xts。实验系统运动方程为: (1)方程（1）中，m表示实验系统的主振质量，Ke、Ce为滚珠导轨副等效切向刚度与阻尼系数。方程（1）的两边都加上,其中Me是一适当大小的质量称为调整质量，可得:为保证高测量精度，实验中采用正弦激振方式。设 将此式代入上述方程

31、得： （2）方程（2）可进一步简化，设 （3） （4） （5）将式（3）、（4）、（5）代入方程（2）推得： （6）由式（3）可知，表示一个具有有效质量Me、等效刚度Ke、等效阻尼Ce的单自由度系统的频响函数。实际实验系统是一个多自由度系统，包括基础、夹具体、滚动导轨和连接板。以上推导中没有引入假设，因此公式（6）是一个准确公式。其重要性在于，将多自由度实验系统转换为一个等效单自由度系统，大大简化了实验系统的力学模型，有利于提高实验精度。这可从以下3个方面体现出来：（1）实验系统的单自由度力学模型大大降低了实验的复杂性。现代测量技术可使公式（6）中、等参数获得较高的测量精度，这些为实验测量的频

32、响函数与理论值的一致性提供了有力保证。(2) 表示滚珠导轨副侧向受力点处滑块与导轨体之间相对振动的频响函数，排除了实验装置的其他部分对滚珠导轨副的影响。（3）理论上调节系数可为任意正数，但实验结果表明，当在某一范围内取值时可使实测曲线与理论单自由度系统频响函数曲线一致。这表明，影响测量精度的误差源可通过适当选择调节系数得到有效控制。测量等效单自由度系统的频响函数后，实验系统的等效刚度系数Ke与等效阻尼系数Ce可用半功率带宽方法进行识别。 K=m(2fn)2 Ce=2mBr式中：为等效单自由度系统的第一阶固有频率；Br为等效单自由度系统频响函数的半功率带宽；为调节系数。单个滚珠导轨副的侧向刚度与

33、阻尼系数为：K=Ke/2,C=Ce/2。对数控机床重要部件滚动导轨的垂直方向和侧向的刚度、阻尼进行了实验研究，采用等效单自由度相对位移法不仅测得了垂直方向的数据，而且获得了产品厂家通常不提供的侧向刚度与阻尼数据。3总体方案的确定3.1驱动系统的设计本实验装置对定位精度要求不是很高，定位精度=0.3mm，移动最高速度为10m/min，要求速度无级可调。因此，本设计不必采用高档次电动机，如交流伺服电动机或直流伺服电动机等，可以选用性能好一些的步进电动机，如混合式反应式步进电动机，以降低成本，提高性价比。3.2同步系统的设计在难点1中分析了驱动方式有两种方案：滚珠丝杆副驱动和同步带驱动。经过认真考虑

34、，我选用滚珠丝杆驱动。同步带驱动系统中需2个带轮，张紧轮，结构尺寸较大，不紧凑。同时由于弹性滑动的存在，使得传动效率降低，不能保证准确的传动比。而滚珠丝杆副的传动效率高达85-95，能以较小的转矩得到较大的推力。滚珠丝杆副为点接触滚动运动，工作中摩擦阻力小、灵敏度高，因此同步性好，可靠性高。选用丝杠传动的一个缺点是：传动系统的刚度较大。因此需要防止电机等的振动刚性传动而影响到结合面动态特性的测试。主要解决途径为：在测试方向上保证结合面的自由振动。同步运动控制的两个方案比较：A方案：如图2所示，两个电机分别驱动激振器与结合面，通过控制系统保证激振器与结合面的同步运动。B方案：如图3所示，一个电机

35、驱动，通过同步装置实现激振器与结合面的同步运动。A方案，设计简单，但是同步性不如B方案。当系统以一定速度运行时，极易引起支架的振动。而且成本较B方案更大。在振动测试中，B方案，成本小，同步性能高，但是需要另外设计同步装置。在结合面动态特性测试中，激振器相对结合面的位置比较重要。因此更加倾向于B方案。选择B方案为最终方案。3.3安装平台设计被测导轨型号较多，需要考虑测试装置的通用性。由于被测导轨的大小相差较大，不能将不同的导轨安装在同一个平台上，这样导致了需要更换整个装置，不仅增加了装备的制作成本，也增加了装置的安装次数。导致了工作量的急剧增多。实际上，很多装置是不需要改变的，那么也就不需要重新

36、设计制造与安装。因此，采用了大小两个平台的设计。即小平台负责安装被测导轨与丝杠，大平台负责安装小平台与同步装置。支架电机图2电机同步装置图33.4施力装置的设计本实验装置要求压力可调，使用侧力矩扳手拧紧螺母，达到定压力的目的。由方案设计可以看出，力施加装置的刚度与结合面的刚度是并联关系。故要减小力施加装置的刚度。采用的方案为，在力施加螺母与同步桥板之间加垫橡胶圈。起到减小力施加装置对测试系统的刚度影响，同时也起到隔振的作用，减小了丝杆等其他部件的振动通过力施加装置传递给结合面。4零部件的设计与选用4.1滚珠丝杆副的选型与计算(1)由传动关系，工作台最高移动Vmax,电机最高转速nmax等确定P

37、h 估算Ph= (i=1,转动比) 取5mm(2)滚珠丝杆副的载荷及转速的计算 在这里选用最大载荷=2303N(3）确定预期额定动载荷 （N）=1.4104N式中： Lh=20000小时 fc可靠性系数选用1 fw 负荷系数选1.2 fa精度系数选1(4)按精度要求确定允许的滚珠丝杆的最小螺纹底径d2m一般情况下，影响死区间隙的主要因素按影响程度主要有： a：滚珠丝杆本身拉压刚度； b：支承轴承的轴向刚度； c：滚珠丝杆副中滚珠与滚道的接触刚度； 所以滚珠丝杆的刚度机床或机械装置伺服系统精度大多早空载下检验。空载时用在滚珠丝杆副上的最大轴向工作载荷是静摩擦力。移动部件在Kmin处起启动和反向时

38、，由于F方向变化将产生误差2 /K（又称摩擦死区误差），它是影响重复定位精度的最主要因素，一般占重复定位精度的（1/22/3）。影响定位精度的最主要因素是滚珠丝杆副的精度,其次是滚珠丝杆本身的拉压弹性变形(因为这种弹性变形随滚珠螺母在滚珠丝杆上的位置变化而变化),以及滚 珠丝杆副滚珠丝杆副摩擦力矩的变化等。我这里估算=0.006 mm。估算滚珠丝杆的底径，滚珠丝杆副安装方式为一端固定一端自由： 式中：E 杨氏弹性模量2.1N/mm2； 估算的滚珠丝杆最大允许轴向变形量mm； F0导轨静摩擦力； L两个固定支承之间的距离mm。(5) 确定滚珠丝杆副的规格代号根据长径比的要求，滚珠丝杆选择FF40

39、055 公称直径为40mm。(6)滚珠丝杆的校核 在选择滚珠丝杆时，可根据原丝杆直径的大小，按类比法选择其名义直径，因此，就需要对其负载能力进行必要的校核，如果是根据承载能力选出的则应对压杆稳定及其刚度进行必要的校核。滚珠丝杆的校核公式为： 式中： 极限转速 临界转速计算长度 E杨氏弹性模量 f与支承有关的系数取3.4 d2滚珠丝杆的螺纹底径 滚珠丝杆副的最大受压长度 滚珠丝杆副最大轴向压缩载荷 K 1安全系数取1/3 K2支承系数取0.25经过验算，由稳定性合格Dn值的验算 滚珠丝杠副的节圆直径 滚珠丝杆副的最高转速 验算一下，也是合格的。4.2步进电机的选用4.2.1考虑匀速运动时受力分析

40、 取滚珠丝杆1=0.1 被测导轨2=0.2滑动导轨副产生摩擦力f2=2mg+2F 2：被测滑动导轨摩擦系数 m: m=桥板质量+滑块质量2=33+82=49Kg滚动导轨产生的摩擦力 f1=1mg 1:滚动导轨的摩擦系数 m=支架质量+同步桥板质量+激振器质量+4滑块质量 m=50+121+30+41=205Kg滑板在滑槽中受到的摩擦力： 考虑到0角度载荷的变化，需要注意一定的量，应该按最大的算在此装置中电机的转矩：丝杆重量20千克 螺母1千克 螺母座9千克为轴承摩擦扭矩 轴向力F产生的转矩NmNmNm此为不考虑效率因素下的电机转矩，当选择机械传动总效率 =0.96时,同时,在车削时,由于材料的

41、不均匀等因素的影响,会引起负载转矩突然增大,为避免计算上的误差以及负载转矩突然增大引起的误差,可以适当考虑安全系数，安全系数一般可以在1.2-2之间选取.如果选取安全系数K=1.5,则步进电机可按以下总负载转矩为3.2Nm，考虑到数控机床加工不同的工件步进电机的保持转矩应选的值要远大于此值，所以选用常州市常锋电机有限公司的130BYG350A型号混合式步进电机。4.2.2步进电机的校核a：最快进给速度时电机输出转矩校核设计给定工作台最快进给速度 Vmaxf=1000mm/min，电机对应的运行频率为3200Hz从130BYG350A电动机的运行矩频特性曲线图可以看出，在此频率下，电动机的输出转

42、矩Tmaxf3.5 Nm，远远大于最大工作负载转矩Teq1=2.1Nm，满足设计要求。b：最快移动时电动机运行频率校核与最快移动速度Vmaxf=1000mm/min对应电机运行频率为fmax=3200Hz查表可知电机的空载运行频率可达20000Hz，可见没有超限。 c：起动频率的计算已知电动机转轴上的总转动惯量Jeq=4.437kgcm2，电动机转子的转动惯量 Jm=4kgcm2，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率fq=1800Hz,则可以求出步进电动机克服惯性负载的起动频率。上式说明，要想保证步进大家起动时不失步，任何时候的起动频率都必须小于1240Hz实际上， 在采用软件升降频时，起动

43、频率选得更低，通常只有100Hz（即100脉冲/s）。综上所述，本次设计中传动选用步进电动机130BYG350A，完全满足设计要求。4.3 联轴器的选用由于系统的对中性要求较高，因此决定选用刚性联轴器，具有结构简单、制造成本低等优点。考虑到工作载荷不大，拟选用凸缘联轴器，其具有结构简单、制造容易、径向尺寸小的优点。由滚珠丝杆直径选YL2型凸缘联轴器，其具体参数如下： 轴孔公称直径3042，许用转速5800r/min，公称转矩200Nm 轴孔长度60112mm，D=130mm，b=36mm，D1=68mm，能满足要求。4.4滚珠导轨的选择、计算和验算本设计采用滚动直线导轨,其最大优点是摩擦系数小

44、, 动、静摩擦系数差很小，因此,运动轻便灵活,运动所需功率小,摩擦发热少，磨损小，精度保持性好,低速运动平稳性好,移动精度和定位精度高的优点.所采用的滚珠直线导轨结构如下图所示: 滚珠导轨剖面示意图在选择导轨时，主要遵循以下几条原则：1、精度不干涉原则：导轨的各项精度制造和使用时互不影响才易得到较高的精度。2、动摩擦系数相近的原则：例如选用滚动导轨或朔料导轨，由于摩擦系数小且静，动摩擦系数相近，所以可获得很低的运动速度和很高的重复定位精度。3、导轨能自动贴合原则：要是导轨精度高，必须使相互结合的导轨有自动贴合的性能。对水平位置的工作的导轨，可以靠工作台的自重来贴合;其它导轨靠附加的弹簧力或者滚

45、轮的压力使其贴合。4、移动的导轨在移动过程中，能始终全部接触的原则;也就是固定的导轨长，移动的导轨短。5、对水平安装的导轨，以下导轨为基准，上导轨为弹性体的原则。能补偿因受力变形和受热变形的原则。根据以上原则且因为所设计的机械所受的力不是很大,所以初选导轨为南京工艺装备制造有限公司GGB25AAL型导轨，其一些参数如下：额定动载27.17KN，额定静载40.68KN，额定力矩为450Nm 滚珠直线导轨副校核公式：查表确定各系数为：C额定动载荷 计算载荷 t温度系数选1.00c接触系数选0.81 a精度系数选0.9 w载荷系数选1.00 通常取1.00 可计算得L=3.0Km当行程的长度已定，以

46、小时为单位的额定寿命：=1.2小时 很明显满足寿命要求。4.5小安装平台的设计小安装平台主要安装被测导轨、滚珠丝杆系统、联轴器和步进电机等。4.5.1小安装平台的长度考虑主要因素：（1）被测导轨测试运行距离。我要测量两个相对滑动导轨结合面的动态特性，理论上测量距离大于0.5m。但是被测导轨的长度也要有个上限，太长会引起加工成本过高，加工难度增大甚至造成无法加工。实际运行中必须要考虑到振动影响，肯定会给测量带来很大的误差。这里估计取0.8m1.0m。（2）余量。余量的考虑主要有两点决定的：第一导轨滑块的长度，导轨滑块的长度各不相同，我估算一个较大值（两个导轨滑块）100mm；第二留一定的不运行长

47、度，两端各留10mm的样子。所以取120mm。（3）桥板的长度。桥板的仿真分析在后面会单独阐述。估取490mm（4）步进电机安装支座的长度。的长度有步进电机130BYG350A的外壳长度决定，取150mm。所以小安装平台的长度L可以粗略的由以上四项相加。大概在1.8m。4.5.2小安装平台的宽度考虑主要因素：（1） 被测导轨的实际宽度：取60mm。（2） 滚珠丝杆副螺母支座的宽度：的值由滚珠丝杆副的螺母决定。可以估算为120mm。（3） 其他的尺寸：包括台阶的宽度，结构的可加工性，便于装配等问题的考虑。取300mm。综合考虑小安装平台的宽度在500mm左右。小安装平台的结构图如图4所示。图4小

48、安装平台4.6 大安装平台的设计大安装平台是用来安装小平台、滚珠导轨，同步桥板还有支架的。大安装平台起基座支撑作用。4.6.1大安装平台的长度考虑主要因素（1）小安装平台的长度L；（2）滑动导轨的长度；（3）余量的要求小安装平台的长度是最主要的因素4.6.2大安装平台的宽度考虑主要因素（1）小安装平台的宽度b（2）连接桥板的宽度（3）支架同步桥板的宽度（4）考虑到会测量侧向导轨的动态特性参数，必须留一定的余量可进行侧向激振。因此大安装平台的总宽度在1000mm左右。大安装平台的结构如图5所示。图5大安装平台4.7滑板的设计4.7.1滑板的主要功能：（1）承受所施加的载荷，防止载荷直接加载到滚珠

49、丝杆上。因为滚珠丝杆不能承受径向力，会导致滚珠丝杆磨损加剧，甚至出现卡死现象。（2）滑板与滚珠丝杆螺母座配合将扭矩转化为径向力。（3）作为动力输出接口，驱动同步桥板和连接同步桥板。4.7.2滑板的结构设计：（1）由槽的结构设计确定。与槽位间隙配合。（2）厚度：由所施加载荷确定最小厚度。当然为了加工方便和易于装配滑板的厚度选25mm。（3）长度：为了增加运动的平稳性，长度与宽度应选择黄金比例。滑板的结构设计如图6所示。图6滑板4.8同步桥板的动态优化设计利用有限元分析软件ANSYS对震动测试设备中同步桥板进行分析，考虑震动测试中实验设备自身稳定性要高。连接安装激振器支架与丝杠螺母座的同步桥板在测

50、试中需要以一定速度运行，因此要避免其与丝杠等其他设备发生共振，固对其一阶模态频率进行了优化，避免其发生共振。结合面的动态特性是数字化制造中的一个难点，同时也是一个要点。机械零件间存在结合面，结合面间存在着既存储能量又消耗能量的“柔性结合”极大地影响了机床整机的静、动态特性。而滑动结合面动态特性由于需要在一定速度下才可以测试，在装置设计中，连接安装激振器支架与丝杠螺母座的同步桥板便起到这激振器与运动中结合面同步的目的，因此同步桥板本身需要很高的稳定性，需要对其进行动态优化设计，以提高其一阶固有频率。4.8.1ANSYS结构优化设计简介对于一般优化设计问题可以归纳为在满足一定约束条件下，选取设计变

51、量，使目标函数达到最小（或最大）。其数学模型为：其中：为目标函数；为设计变量；为约束方程。综上所述，优化设计是一种确定结构最优设计方案的技术。所谓“最优设计”，指的是一种方案可以满足所有设计要求，而且所需支出（如重量、面积、体积、应力和费用等）最小。ANSYS是当前使用最广泛、功能最强大的有限元分析软件。它有多种分析能力，包含简单线性静态分析和复杂非线性动态分析。它可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题的解，包含了预处理、解题程序以及后处理和优化等模块。对于一个设计方案来说，许多方面都是可以优化的，如尺寸、形状、支撑位置、自然频率和材料特性等。实际上，所有可以参数化的ANSYS选项都

52、是可以作优化设计。ANSYS程序提供了两种优化的方案：零阶方法和一阶方法。除此以外用户可以利用自己开发的外部优化程序替代ANSYS本身的优化算法进行优化设计。零阶方法（直接法）：是最常用的方法，使用所有因变量（状态变量和目标函数）的逼近，由约束的优化问题转化为非约束的优化问题。可以有效处理绝大数工程问题。一阶方法（间接法）:本方法使用因变量的一阶偏导数。一阶方法同零阶方法一样，也是通过对目标函数添加惩罚函数将问题转化为非约束的。但是，与零阶方法不同的是，一阶方法将真实的有限元结果最小化，而不是对逼近数值进行操作。此方法精度高，尤其是在因变量变化很大，设计空间也相对较大时，但消耗的机时也较多。4

53、.8.2有限元模型的建立（1）同步桥板几何分析如图（1）所示，同步桥板起到连接悬挂激振器的支架与丝杠螺母座的作用。实际桥板如图（2）所示。由于存在配合要求，所以在图（2）中，所有直接标注的尺寸是不能优化的，只有上板厚T1与下板厚T2可以优化。3421Figure 1同步桥板装配简图Figure 2同步桥板简图1-导轨安装台；2-导轨；3-同步桥板；4-支架（2）ANSYS建模初始设计时，T1取10mm，T2去10mm，材料为钢材。采用solid45单元进行三维建模。由于模态分析对网格的要求没有那么严格，因此不需要划分极细的网格，但优化的板厚部分要保证一定的网格密度。为了使得网格控制更加精密，先

54、建立同步桥板的二维模型并进行网格划分（采用plane42单元），然后，拉伸网格化的同步桥板二维模型，形成最终的同步桥板三维有限元模型。4.8.3同步桥板优化模型有限元分析（1）优化方案初始设计时，通过有限元分析得到其自由模特频率为：19.8Hz。测试装置选用导程为5mm的滚珠丝杠，而电机为步进电机，需要产生的直线速度为0.5m/min至8m/min。由此可以算出系统的震动频率为3.4Hz至26.7Hz。显然，初始设计的同步桥板极易发生共振。那么，同步桥板的第一阶自由频率应该超过26.7Hz。当然，提高同步桥板的厚度就可以提高其一阶频率。考虑到此桥板仅起到同步作用，其受力并不大，增加其厚度会使得

55、制造成本增加，桥板本身的重量（WT）也会增加，同时增加电机的负载。因此并不是桥板的一阶频率越大越好。确定优化目标为：同步桥板一阶频率逼近30Hz。通过改变板厚T1和T2来提高桥板的动刚度。通过以上分析，制定优化方案为：设计变量：T1、T2；状态变量：WT；优化目标：。其中：T1为上板厚；T2为下板厚；freq为同步桥板一阶频率。分析采用零阶方法。（2）优化结果及分析优化结果如表1所示，初始设计的目标函数为13.429，此时桥板的一阶频率为16.571HZ，落在了电机振动频率（3.4Hz-26.7Hz）范围之内。显然，初始设计下，桥板极易发生共振。经过优化后，目标函数为1.027，此时桥板的一阶

56、频率为28.973Hz。已经超出电机的振动频率。设计较为合理。状态变量WT（桥板重量）由初值275.1kg增加之376.48kg。仍在可接受范围之内。设计变量T1（上板厚）及T2（侧板厚）分别增加了6mm和3mm。在制造上并不难加工，也在合理的范围之内。表1优化结果优化变量代号初值最小允许值最大允许值收敛误差优化结果目标函数/HzFROBJ13.4291.027状态变量/kgWT275.1300600376.48设计变量/mT10.010.010.030.0167T20.010.010.030.0132Figure 3目标函数收敛情况 Figure 4状态变量WT（桥板重量）收敛情况Figur

57、e 5上板厚与迭代次数关系 Figure 6侧板厚与迭代次数关系图（3）显示了目标函数与迭代次数的关系，图（4）显示了桥板重量与迭代次数的关系。图（5）显示了上板厚与迭代次数的关系，图（6）显示了侧板厚与迭代次数的关系。结论：利用上述提出的方案进行优化计算，经过8次迭代，即可收敛于最优解。该一阶频率优化设计最优方案的一阶频率为：28.973Hz。超出了电机的最高运行频率。比初始设计的16.571高出了12.422Hz。而重量只增加了1/3。优化效果十分显著。4.8.4小结对于动态设计，一些形状复杂的结构往往很难通过理论计算和经验来优化，ANSYS优化设计功能为结构的动态设计提供了更好，更准确的

58、设计，大大提高了设计能力。4.9连接桥板的结构优化设计在滑动结合面动态特性测试装置中，为了提高滑动结合面的稳定性，而采用双结合面测试方案，如图3所示。设计了专用桥板来连接两个结合面。由于结合面的间隙是由配合形成的，因此直接测试结合面2的变形几乎不能实现。结合面的变形可以通过测试桥板上表面的位移来代替。采用模拟单自由度来测试结合面的动态特性。如图(7)中6点来代替结合面上5点变形位移。当实际震动发生时，不仅结合面会变形，桥板也会发生变形。那么，桥板的变形一定要远小于结合面的变形，即要求桥板的动刚度远大于结合面的动刚度。虽然桥板的形状比较规则，但是，导出桥板的动刚度与上板厚（T1）和侧板厚（T2）

59、的理论关系还是很困难。因此采用ANSYS的结构优化分析来设计上板厚与下板厚，使得问题变的简单。543621Figure 7测试示意图1-桥板；2-被测结合面；3-滑块；4-导轨4.9.1有限元模型的建立如图（8）所示，将结合面用弹簧阻尼阻尼来代替。为了尽可能模拟实际情况。采用一组弹簧阻尼单元来代替实际结合面。因为要测试的为滑动结合面，根据相关文献和资料，可以判断滑动结合面的刚度和阻尼应该介于固定结合面和滚动结合面之间。查阅相关资料有固定结合面的单位面积等效刚度和阻尼分别为及。这里取滑动结合面的单位面积等效刚度和阻尼分别为及。滑动结合面的刚度低于固定结合面，此处取低于一个数量级。被测滑动结合面的面积为；由此我们可以算得结合面的刚度和阻尼分别为：及。Figure 8桥板测试简化原理图按照常规方法，首先建立桥板的几何模型，然后在需要设置弹簧阻尼单元的地方设置硬点，然后划分网格，再创建弹簧单元的下节点。则可以建立出有限元模型。但此方法由于使用了硬点，因此，网格划分就不能才用扫描的方式来建立比较规则的六面体单元。只能采用智能网格划分。划分结果如图（9）所示。对由此生成