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滚柱直线导轨副摩擦力波动及衰减机理研究

滚柱直线导轨副摩擦力波动及衰减机理研究

作者：徐圣昊江苏科技大学

学位级别：硕士

滚柱直线导轨副作为高档数控机床的核心承载及传动部件,其摩擦力补偿精度是进给驱动系统实现精密、快速运动的重要保障。数十年以来摩擦力特性一直作为滚柱直线导轨副课题的重点和难点问题被广泛研究,已取得初步进展,但当下厂商的摩擦... 详细信息

滚柱直线导轨副作为高档数控机床的核心承载及传动部件,其摩擦力补偿精度是进给驱动系统实现精密、快速运动的重要保障。数十年以来摩擦力特性一直作为滚柱直线导轨副课题的重点和难点问题被广泛研究,已取得初步进展,但当下厂商的摩擦模型依赖于测量实验,精度仅达到63%,而国产导轨副精度保持时间更是仅有进口产品的三分之二,成为制约高档数控机床进步发展的突出瓶颈问题。滚柱直线导轨副运行过程中的摩擦力问题着重体现在摩擦力波动及摩擦力衰减两大方面,极大地制约了其动态性能和定位精度的提升。而传统摩擦力模型从导轨副竖直刚度入手,强调对摩擦力均值的计算,却不具备摩擦力波动的预测能力,且受制于导轨副运行过程中的实时磨损问题,很难达到长期有效的预测精度。针对以上问题,本文以滚柱体时变接触载荷为核心建立了新的摩擦力模型,极大地提升了滚柱直线导轨副实时摩擦力预测的准确性,其主要研究工作与成果如下:(1)建立了考虑滑块裙部变形的滚柱直线导轨副五自由度静刚度模型。推导出了导轨副五自由度刚度矩阵的解析表达式,揭示出加载过程中,尤其各种复合载荷和弯矩作用下的导轨副刚度变化规律及滚柱体载荷非均匀分布特性,提高了理论刚度模型与实验的吻合度,为动刚度研究提供了精确的初始条件和完善的理论基础。(2)建立了考虑滚柱体在轨道内循环运动的等效弹簧阻尼动力学模型及摩擦力波动模型。该动力学模型可更精确地描述导轨副运动过程中滑块全自由度的运动特性及导轨副各部件间的接触特性,由此得到了接触载荷、接触面积及油膜厚度的时变模型,提高了摩擦力参数计算的实时性与准确性;在此基础上,通过叠加法构建的包含弹性阻滞摩擦、滑动摩擦和粘性摩擦在内的复合摩擦力波动模型,从机理层面解释了导轨副运行过程中的摩擦力波动规律。(3)建立了磨损导致的摩擦力衰减模型。利用切片微元法推广了Archard磨损理论,并提出了磨损深度与滚柱体时变接触载荷的交互作用关系,构建了导轨副实时磨损深度分布模型,揭示了磨损导致的摩擦力衰退机理,最终建立了长效性滚柱直线导轨副实时摩擦力预测模型。(4)通过静刚度实验、振动实验及摩擦力实验分步验证了相关模型的准确性。

关键词：滚柱直线导轨副五自由度刚度时变接触载荷摩擦力波动磨损

基于柔性滑块的滚柱直线导轨副多维刚度分析与优化设计

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基于柔性滑块的滚柱直线导轨副多维刚度分析与优化设计

作者：谢真炜南京理工大学

学位级别：硕士

滚动直线导轨副是数控机床中重要的承载功能部件,因此静刚度是滚动直线导轨副的一项重要性能指标,建立滚动直线导轨副静刚度模型具有重要的工程价值。然而,现有的导轨副静刚度柔性模型中,滑块的裙部变形都依赖有限元软件仿真获得,需要... 详细信息

滚动直线导轨副是数控机床中重要的承载功能部件,因此静刚度是滚动直线导轨副的一项重要性能指标,建立滚动直线导轨副静刚度模型具有重要的工程价值。然而,现有的导轨副静刚度柔性模型中,滑块的裙部变形都依赖有限元软件仿真获得,需要在迭代计算中反复更新边界条件,计算效率低下,难以为工程实践提供参考。本文以滚柱直线导轨副为研究对象,应用柔性滑块理论模型,建立了基于柔性滑块的滚柱直线导轨副多维刚度模型,具体研究工作如下:(1)柔性滑块模型的建立:应用铁木辛戈深梁理论、变截面梁理论、弹性力学、费氏空腹桁架理论等对滑块的变形情况进行分析求解,充分考虑滑块的长度、截面变化、滚道处平面应力、返回通道、顶部转角等因素对滑块变形的影响,建立柔性滑块模型。(2)基于柔性滑块的滚柱直线导轨副多维刚度模型的建立:基于柔度矩阵法,建立导轨副中滚柱的变形模型;根据滑块、滚柱的变形几何关系,建立滚柱直线导轨副多维刚度的变形协调方程,结合柔性滑块模型,建立基于柔性滑块的滚柱直线导轨副多维刚度模型;研究了预紧力和离散力对导轨副刚度模型的影响情况,使模型更吻合工程实际。(3)有限元仿真和试验分析:以45滚柱直线导轨副为研究对象,建立有限元模型;基于导轨副静刚度试验台设计裙部变形工装,完成导轨副静刚度和滑块裙部变形测量试验;对最终获得的有限元分析结果、试验测量结果与理论计算值进行对比分析。(4)导轨副结构优化设计:以提高垂直刚度为目标,分析模型内部各方程间的关系,确定优化的目标函数;分析确定优化变量和约束条件,建立对应的优化模型;采用遗传算法进行优化设计,研究最优解对工程设计的意义,并对各参数的进行敏感度分析。

关键词：滚柱直线导轨副静刚度有限元分析梁理论优化设计

工业母机用滚柱直线导轨副磨损状态表征与识别方法研究

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工业母机用滚柱直线导轨副磨损状态表征与识别方法研究

作者：陈虎南京理工大学

学位级别：硕士

随着“中国制造2025”的提出,我国制造业进入高速发展阶段,对工业母机提出了高速、高精以及智能化的要求。滚柱直线导轨副作为工业母机的核心传动部件,在其运行过程中,因磨损导致的滚柱直线导轨副预紧力、刚性、精度等关键性能退化是制... 详细信息

随着“中国制造2025”的提出,我国制造业进入高速发展阶段,对工业母机提出了高速、高精以及智能化的要求。滚柱直线导轨副作为工业母机的核心传动部件,在其运行过程中,因磨损导致的滚柱直线导轨副预紧力、刚性、精度等关键性能退化是制约工业母机精度保持性和可靠性提升的重要因素之一。然而,目前关于滚柱直线导轨副磨损状态表征与识别方法的研究却较为缺乏。为此,本文依托于国家工信部高质量发展专项“2021年高精度系列化滚动功能部件（TC210H038）”,开展了滚柱直线导轨副性能退化试验,测量了全生命周期磨损过程中的滚道形貌。通过磨损系数和滚道形貌参数定量表征了滚柱直线导轨副磨损状态,最终提出了一种基于滚道表面轮廓的滚柱直线导轨副磨损状态识别方法。具体研究内容如下:（1）搭建了滚柱直线导轨副性能指标和滚道形貌测试系统,具体包括加载运行试验台、预紧拖动力测量试验台、静刚度测量试验台以及滚道形貌测量装置。测量了滚柱直线导轨副全生命周期过程中的预紧拖动力退化数据、刚度退化数据、滚道显微图片和表面二维轮廓,为磨损状态表征与识别提供了数据支撑。（2）基于试验所得到的预紧拖动力数据,通过磨损系数实现了滚柱直线导轨副的磨损状态表征。首先基于Archard理论,修正了滚柱-滚道磨损模型,然后建立了考虑裙部变形的接触载荷模型,提出了磨损系数的计算公式,最终计算得到滚柱直线导轨副不同磨损状态下的磨损系数。（3）基于试验所得到的滚道表面二维轮廓,利用几何参数法、单重分形法、递归分析法定量表征滚道形貌,分析了滚道二维轮廓表征参数在整个磨损过程的变化规律,筛选得到了五个可以有效区分滚柱直线导轨副磨损状态的表征参数,其分别为轮廓算数平均偏差（R）、最大峰谷距（_tR）、轮廓均方根偏差（R）、分形维数（D）以及递归率（R）,最后通过灰色关联度法五个表征参数的优先级进行排序。（4）引入机器学习理论,将提取到的滚道表面二维轮廓表征参数作为特征数据集,三种磨损状态作为标签。采用主成分分析法（PCA）对特征数据集进行降维,将降维得到的主成分信息导入支持向量机进行训练,建立了基于主成分分析法（PCA）和粒子群算法（PSO）的支持向量机模型。对同一型号的滚柱直线导轨副进行验证试验,并将测量得到的滚道形貌参数作为测试集带入支持向量机模型,识别准确率达到96.34%,验证了支持向量机模型的适用性。

关键词：滚柱直线导轨副磨损状态表征磨损系数滚道形貌磨损状态识别

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滚柱直线导轨副精度损失模型及其试验研究

组合机床与自动化加工技术 2013年第1期 14-17页

作者：钟洋陶卫军韩军南京理工大学机械工程学院南京210094

针对滚柱直线导轨副精度保持性问题,对其在加载条件下运动精度损失过程进行建模与试验研究。基于经典力学与Hertz弹性接触理论对滚柱直线导轨副在加载条件下滚柱与滚道间接触面进行了力学与变形分析;分析了载荷作用下滚道磨损量的动态... 详细信息

针对滚柱直线导轨副精度保持性问题,对其在加载条件下运动精度损失过程进行建模与试验研究。基于经典力学与Hertz弹性接触理论对滚柱直线导轨副在加载条件下滚柱与滚道间接触面进行了力学与变形分析;分析了载荷作用下滚道磨损量的动态变化特性,在此基础上建立滚柱直线导轨副运动精度损失模型;提出了对滚柱直线导轨副运动精度损失过程进行试验的方法。试验结果表明,所建立的模型正确有效,能描述滚柱直线导轨副在加载运行条件下运动精度变化规律。

关键词：滚柱直线导轨副精度损失模型运动精度建模方法

滚柱直线导轨副摩擦力动态测量系统及试验研究

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组合机床与自动化加工技术 2016年第2期 82-83,87页

作者：韩清忠宋现春姜洪奎马洪君王军岗荣伯松山东建筑大学机电工程学院济南250101 山东博特精工股份有限公司山东济宁272071

在综合分析滚柱直线导轨副动态摩擦力测量系统功能及定位的基础上开发其测量系统,包括软件及硬件组成、数据采集与分析系统等。基于此测量系统对滚柱直线导轨副动态摩擦力进行试验分析,在试验过程中发现造成某型号导轨滑块摩擦力波动的... 详细信息

在综合分析滚柱直线导轨副动态摩擦力测量系统功能及定位的基础上开发其测量系统,包括软件及硬件组成、数据采集与分析系统等。基于此测量系统对滚柱直线导轨副动态摩擦力进行试验分析,在试验过程中发现造成某型号导轨滑块摩擦力波动的原因,并针对此现象提出改进方法,为高性能滚柱直线导轨副的生产提供帮助。

关键词：滚柱直线导轨副动态测量摩擦力波动试验分析

滚柱直线导轨副滚动体结构改进设计及其性能试验

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机床与液压 2021年第22期49卷 107-111页

作者：王宝飞宋现春牛星陈洪建荣伯松山东建筑大学机电工程学院山东济南250101 山东博特精工股份有限公司山东济宁272071

在对滚柱直线导轨副滚柱进行线接触应力与变形理论分析的基础上,重点研究不同结构滚柱的接触应力分布。利用数值计算和有限元仿真,对相同静载荷下不同滚柱端部压力奇异分布进行数据对比,以优化滚柱结构设计。结果表明:圆弧修形滚子结构... 详细信息

在对滚柱直线导轨副滚柱进行线接触应力与变形理论分析的基础上,重点研究不同结构滚柱的接触应力分布。利用数值计算和有限元仿真,对相同静载荷下不同滚柱端部压力奇异分布进行数据对比,以优化滚柱结构设计。结果表明:圆弧修形滚子结构不但可以减小应力集中,而且能保持导轨副的刚性。优化后LZ45型滚柱直线导轨的性能优于优化前导轨的性能。

关键词：滚柱直线导轨副滚动体结构改进设计试验测试有限元分析

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滚柱直线导轨副摩擦力与预加载荷的关系研究

组合机床与自动化加工技术 2018年第6期 12-14页

作者：汪远远祖莉欧屹冯虎田南京理工大学机械工程学院南京210094

针对目前滚动直线导轨副在工作过程中较为复杂的摩擦情况,基于有预加载荷的滚柱直线导轨副的结构特点,建立滚柱过盈量和预加载荷的关系式,结合滚柱直线导轨副的摩擦力和正压力的平衡方程,推导出滚柱直线导轨副的摩擦力与预加载荷的数学... 详细信息

针对目前滚动直线导轨副在工作过程中较为复杂的摩擦情况,基于有预加载荷的滚柱直线导轨副的结构特点,建立滚柱过盈量和预加载荷的关系式,结合滚柱直线导轨副的摩擦力和正压力的平衡方程,推导出滚柱直线导轨副的摩擦力与预加载荷的数学模型。使用滚动直线导轨副摩擦力试验台对四种不同过盈量的滚柱直线导轨副进行摩擦力测量。试验结果表明:当无外载荷、美孚100号润滑、无密封圈的情况下,有预加载荷的滚柱直线导轨副的摩擦力与预加载荷成正比;可通过这个状态下的平均摩擦系数来计算滚柱直线导轨副的预加载荷的大小。

关键词：滚柱直线导轨副摩擦力过盈量预加载荷

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滚柱直线导轨副结合面参数识别与数值模拟

机床与液压 2017年第11期45卷 121-125,147页

作者：张华伟吴智恒陈敏郑振兴曹鹏杰广东省智能制造研究所广东广州510651 广东高新凯特精密机械股份有限公司广东江门529100

导轨副结合面静、动态特性对于机床整机性能有着显著的影响,导轨副结合面参数准确识别是机床整机性能预测的基础。国内现有导轨副设计方法落后,严重制约了机床功能部件及整机制造行业的发展。建立一种实用的滚柱直线导轨副动力学建模方... 详细信息

导轨副结合面静、动态特性对于机床整机性能有着显著的影响,导轨副结合面参数准确识别是机床整机性能预测的基础。国内现有导轨副设计方法落后,严重制约了机床功能部件及整机制造行业的发展。建立一种实用的滚柱直线导轨副动力学建模方法,采用有限元法对导轨副的自由和约束模态进行分析研究,并分别进行了实物模态特性测试,最后将仿真分析结果和实验测试结果进行对比。结果表明:仿真计算结果与试验结果的误差在8%以内,所建立的滚柱直线导轨副动力学模型具有较高的精度,可用于导轨副乃至机床整机特性预测。

关键词：滚柱直线导轨副结合面参数识别模态数值模拟

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滚柱直线导轨副刚度及性能试验研究

滚柱直线导轨副刚度及性能试验研究

作者：张英赏山东建筑大学

学位级别：硕士

滚柱直线导轨副作为滚动功能部件的一个重要组成部分,在机械运动中承担支撑、导向的作用,依靠其低摩擦、高刚性、高可靠性的特点在数控机床、半导体光电元件加工设备中广泛应用。研制导轨副产品测试设备,制定可行的试验方案,对实际工况... 详细信息

滚柱直线导轨副作为滚动功能部件的一个重要组成部分,在机械运动中承担支撑、导向的作用,依靠其低摩擦、高刚性、高可靠性的特点在数控机床、半导体光电元件加工设备中广泛应用。研制导轨副产品测试设备,制定可行的试验方案,对实际工况下测试数据进行研究分析,对滚柱直线导轨副产品的性能提升具有重要的指导意义。分析了国内外导轨副理论研究现状以及国内生产厂家和高校的检测水平,对不同厂家开发的导轨副性能测试设备进行比较。在Hertz理论基础上建立滚柱直线导轨副力学模型,对其进行接触刚度分析,基于Palmgren公式推导出滚柱受力变形情况,简化刚度理论计算,为试验研究提供了理论指导。根据被测导轨副的技术特点,确定了静刚度试验台的总体设计方案,并对各分部方案进行验证。试验台主要由机械本体、液压加载系统、控制系统和测试系统构成。依据静刚度试验原理,对试验所选取的传感器、数据采集卡与开发软件的重要功能和算法进行了介绍。测试软件可以进行数据实时显示,并且可对测试数据进行后处理。试验台应用液压方式施加负载,可以适应不同规格型号的导轨副的测试需求。以开发的滚柱直线导轨副综合性能试验台为基础,针对滚柱直线导轨副运动精度、摩擦力、可靠性指标进行了一系列试验,在对比分析不同导轨副产品试验结果的基础上,提出了滚柱直线导轨副性能影响因素。采用试验模态的分析技术,对滚柱直线导轨副进行了模态试验研究,通过锤击激励的方法,得到直线导轨副的模态参数,包括模态频率和相关振型。通过改变导轨副预紧力润滑方式等参数,对比分析模态参数的改变与前人的试验结果相符,证明模态试验的正确性。研究结果为提高滚柱直线导轨副性能指明了努力方向,对滚柱直线导轨副结构设计、制造和工程应用具有重要的指导意义。

关键词：滚柱直线导轨副静刚度试验台试验研究 LabVIEW