双驱动滚动支承 直线进给系统设计与静动校核分析 - 图文

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任意300mm长上的定位误差，等于滚珠丝杠的误差V300 加上弹性变形δ，即3+1.36=4.36 μm。再加上在计算过程中一些被忽略的次要因素，可以满足定位精度0.007/300mm的要求。

2.11 本章小结

根据工作条件、寿命、精度等要求，对标准件进行选型工作，并对其他部件进行形状结构设计，最后综合校核整体精度。

主要部件设计完毕之后，再根据轴承、联轴器、电机等部件型号和大小，设计出相应的轴承座，轴承端盖等辅助部件。最终双驱动直线进给系统的总体装配图如下所示：

图2-11 整体装配效果图

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3 双驱动进给系统的有限元建模与静动态分析

3.1 有限元及ANSYS简介

3.1.1 有限元方法简介

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有限元法是是近似求解一般连续域问题的一种数值方法，最初是用于对结构进行应力分析，后来很快就广泛应用于如电磁场、流体力学等各种连续域问题；有限元法适应于任意复杂的几何区域，可以处理不同的边界条件，由于计算机技术的不断发展，在20世纪中叶以来，有限元法以其独有的计算优势得到了广泛的发展和应用[22]。

其核心思想是：将一个连续的结构体离散为由各种不同单元（也可以是一种单元）组成的离散模型。然后根据问题的具体情况，设置划分出的单元的形式（如梁单元、杆单元等）和数目（一般单元数量越多则最后得到计算结果精度也会越高，但会增大工作量），最后用被离散化的物体来代替原始的研究对象体进行求解，用得到的解来近似表示真实的变形情况。

有限元分析中分析的对象已经不再是原始对象，而是由大量的单元以某种的方法联结而成的离散对象。所以，用有限元分析的方法进行计算所获得的结果只是近似解。但划分单元的性质和数目如果非常合理，那么近似程度就会很高，得到的结果也就与实际情况相符合。 3.1.2 ANSYS简介

ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件，他是世界范围内增长最快的CAE软件，能够进行包括结构、热、声、流体及电磁场等学科的研究，在航空航天、机械制造、土木工程、船舶工程等领域有着广泛的应用[22]。

ANSYS操作简单方便、功能强大，已经成为了在国际上现在最为流行的有限元分析软件之一。

ANSYS基本功能包括：结构分析（静力分析、模态分析、谐响应分析、瞬态动力学分析、特征屈曲分析、专项分析等）、热分析、电磁分析、流体分析、耦合场分析等[22]。

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3.2 模态分析

3.2.1 模态分析简介

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模态分析是用来确定物体振动特性的一种技术，通过它可以确定无敌的固有频率、振型和振型参与系数（即某个振型在某个方向上在多大程度上参与了振动）[22]。

因为加工中心的激振力的频率一般都不会太高，所以只有前几阶模态的固有频率才会与振源的激振频率重合或着接近；高阶模态的固有频率已经远远高于可能出现的振源的激振频率，一般不会发生共振，对加工质量精度的影响也不大[20]。所以在进给系统的模态分析中，需要分析前几阶的模态。

本文中，主要是进行了对主要零部件的前六阶模态振型的分析以及对丝杠在轴向力作用下的静力学分析及压杆稳定的分析。 3.2.2 滚珠丝杠的模态分析及静力学分析 （1）模型简化

在用ANSYS对滚珠丝杠进行动静态分析的过程中，如果不对模型进行简化，则由于螺纹等细小复杂的结构的存在，使得模型过于庞大，网格分割之后的计算量也会很大，并且也会分割出大量的畸变单元。为此，需要对模型进行简化，由于丝杠螺纹对丝杠模态振型及静力分析影响不大，因此将丝杠简化为无螺纹的光杆。前辈们已经证明，这种简化在静动态分析中是可靠的。

滚珠丝杠简化后的模型如图3-1所示：

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图3-1 滚珠丝杠简化模型

（2）定义材料属性

根据ANSYS模态分析需要，定义弹性模量和材料的密度。 滚珠丝杠的材料属性如下：

表3-1 滚珠丝杠材料属性

弹性模量/GPa 200 （3）单元的选择和网格的划分

泊松比 0.3 密度/Kgm-3 7800 建模过程中采用Solid 92实体单元进行网格划分。本单元由10个节点定义，每个节点有3个自由度：节点坐标系的x，y ，z方向的平动。非常适合不规则形状的结构特别是曲线边界的拟合。

采用智能尺寸进行网格分割，选取的划分单元的精度为4。 划分网格后的滚珠丝杠模型如图3-2所示：