[发明专利]一种双丝杠驱动系统传动链刚度建模方法

说明书

本发明公开了一种双丝杠驱动系统传动链刚度建模方法，该方法包括滚动结合面刚度计算、丝杠摩擦力引起的接触刚度分析、固定结合面刚度计算、双丝杠动力学建模、双丝杠传动链刚度计算等步骤。其中，滚动结合面包括丝杠‑螺母结合面和轴承结合面；固定结合面包括工作台‑滑块结合面，运用赫兹接触理论计算滚动结合面的接触刚度；建立摩擦模型，考虑丝杠摩擦力引起的结合面刚度的变化；考虑工作台的耦合影响，运用集中质量法建立双丝杠系统准确的刚度链模型，提高双丝杠驱动系统动力学建模精度，提高双驱进给的不同步误差，从而提高双驱机床的定位精度。本发明解决现有双丝杠驱动系统动力学建模中忽略结合面刚度而导致模型精度低的问题。

技术领域

本发明涉及动力学领域，更具体地说，涉及一种双丝杠驱动系统传动链刚度建模方法。

背景技术

双丝杠进给系统以其高精度、高刚度和高稳定性的优点被广泛应用于数控装备中，其动态特性对控制性能、加工精度和加工稳定性都有重要影响；随着制造业的发展，对装备的加工精度要求也日益提高，因此建立准确的双丝杠系统传动链刚度模型对于提高其动态特性和提高双驱数控装备的加工精度具有重要意义。

目前虽然针对单丝杠传动链刚度计算出现了经验公式法、解析法和有限元法，但是这些计算方法都存在各种不足和问题，经验公式法具有较大误差，解析法过程十分复杂，而有限元法严重依赖网格精度且计算效率低，并且对于动力学计算均忽略了结合面刚度和阻尼，使得计算误差大大增大；而在双丝杠驱动领域，由于双丝杠的耦合特性，针对双丝杠驱动系统动力学模型相对较少，而计算双丝杠传动链刚度的准确模型几乎没有；据统计，机床上出现振动问题有60％以上是源自结合面，结合面刚度可以用来表征机床刚度，90％以上的阻尼来自结合面阻尼。为此，需要开发一种简单有效、精度高的双丝杠系统传动链刚度建模方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服传统双丝杠传动链刚度建模方法未考虑结合面刚度的缺陷，提出一种双丝杠驱动系统传动链刚度建模方法，该方法考虑结合面刚度，其采用赫兹接触理论计算滚动结合面刚度，采用吉村允孝法计算固定结合面刚度，计算完结合面刚度之后采用集中质量法对双丝杠驱动系统进行动力学建模，将结合面刚度、双柔性轴等效为弹簧阻尼单元，将工作台等效为质点，建立动力学模型；考虑工作台耦合效应引起的摩擦力，摩擦力改变了结合面间的内力，从而引起结合面刚度的改变，建立摩擦模型，考虑内力引起的结合面刚度变化，计算双丝杠传动链刚度。这种方法提高了计算效率和精度，为提高机床整体控制精度奠定基础。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：设计一种双丝杠驱动系统传动链刚度建模方法，包括以下步骤：

Step1，计算滚动结合面的接触刚度。滚动结合面包括丝杠-螺母结合面和轴承结合面，假设各接触面间的相互接触的滚动体之间服从赫兹接触理论，将各结合面间的相互接触的滚动体视为弹性体，已知接触滚动体之间的各参数，根据赫兹接触理论可以计算出各滚动结合面间的接触刚度。

Step2，丝杠摩擦力引起的接触刚度分析。在工作台运动过程中，由于丝杠螺母之间的库伦摩擦和负载影响，当同一进给方向两丝杠存在不同步误差时，两丝杠之间存在机械耦合力，由于轴向力的影响，改变了丝杠与螺母的内力，从而改变了丝杠螺母的接触刚度；建立双丝杠摩擦模型，通过非线性辨识的方法得到电机驱动力与电机速度的关系。

Step3，计算固定结合面的接触刚度。固定结合面在这里仅考虑工作台-滑块结合面，在双驱机床中，工作台与滑块是通过螺钉固联，因此存在固定结合面，假设结合面间的平均接触压力相同，则结合部单位面积的动态特性数据是相同的，对于进给系统的固定结合部，不考虑螺栓分布和结构物理变形等因素的影响，近似认为结合部上接触压力均匀分布。通过计算固定结合部上的接触压力得到结合部单位面积的刚度，利用吉村允孝积分法计算出工作台滑块结合面的等效刚度。