超精密滚珠丝杠进给系统谐响应的有限元分析

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超精密滚珠丝杠进给系统谐响应的有限元分析收稿日期:2010 － 12 － 16;修回日期:2011 － 02 － 23
超精密滚珠丝杠进给系统谐响应的有限元分析
侯秉铎， 许 瑛， 彭浪草， 杨竣
( 南昌航空大学 航空制造工程学院， 江西 南昌 330063)
摘要:以超精密滚珠丝杠进给系统试验台为研究对象， 使用有限元法对其进给系统的工作台受到轴
向正弦力载荷时系统的谐响应进行了分析 由于目前传统的滚珠丝杠进给系统有限元模型不能准
确的分析电机轴输出端的转矩动载荷对进给系统产生的谐响应， 据此提出了-种新的进给系统有限
元模型， 保证了其谐响应分析的准确性 并根据分析结果可知， 在超精密滚珠丝杠进给系统中， 电机
轴输出端的转矩动载荷会对进给系统的定位精度产生不可忽视的影响
关键词:超精密滚珠丝杠进给系统; 谐响应分析; 有限元; 频率; 振幅
中图分类号:TH16;TG65 文献标识码:A
Uitra- precision Ball- screw Feed System Harmonic Response of the Finite Element Analysis
HOU Bing- duo，XU Ying，PENG Lang- cao，YANG Jun- hu
( Nanchang Hangkong University，Jiang Xi Nanchang 330063，China)
Abstract: Uitra- precision ball- screw feed system test stand as the research object ， the use of finite ele-
ment method into the systemto its bench strength by axial sinusoidal harmonic load， the systemis ana-
lyzed.The traditional ball screws due to the current finite element model of the feed system is not an ac-
curate analysis of the output torque of the motor shaft of the feed system dynamic load generated har-
monic response， this paper presents a new finite element model of the feed system， ensure The harmonic
analysis of the accuracy. And the analysis results indicate that in ultra- precision ball screw feed system，
the motor shaft torque output into the dynamic load would be the positioning accuracy of the systemof
production can not be ignored.
Key words: ultra- precision ball- screw feed system; harmonic; analysis; frequency; amplitude
0 引言
旋转电机 滚珠丝杠是超精密加工机床进给系
统中最常用的传动装置， 使用 C0 级滚珠丝杠的超精
密滚珠丝杠进给系统可以实现最优 10nm 的定位精
度［1］ 在这种精度条件下， 滚珠丝杠进给系统在外
界激励状态下的谐响应是必须要考虑的-个问题
文中以超精密滚珠丝杠进给系统试验台为研究对
象， 使用 ANSYS 有限元软件［2- 3］为分析工具， 得到了
工作台受到轴向正弦力载荷时系统的谐响应曲线
并针对目前传统的滚珠丝杠进给系统有限元模型不
能准确的分析电机轴输出端的转矩动载荷对系统产
生谐响应的不足， 提出了-种新的进给系统有限元
模型， 保证了其谐响应分析的准确性
1 系统简述
超精密滚珠丝杠进给系统试验台简图如图 1 所
示 系统采用的滚珠丝杠为 C0 级超精密滚珠丝杠，
其导程 直径和有效螺纹长度分别为 3mm 12mm 和
300mm， 滚珠丝杠副的轴向刚度为 320000N/mm 滚
珠导轨为超精密直线滚珠导轨， 精度为 P3 等级， 导
轨长度为400mm 滚珠丝杠两端采用精密滚珠轴承
支撑单元，联轴器使用低惯量超高刚度金属板簧式
连接器 电机及减速器分别采用 DC 伺服电机和超
精密减速器
实验台工作时， 伺服电机带动滚珠丝杠转动， 再