高加速度下滚珠丝杠进给系统时变多模态振动特性及实验研究

It will affect the transmission accuracy and working life of the feed system that the large inertia force produced from moving parts of the ball screw feed system will change the actual contact state of the system kinematic joints on the high deceleration conditions, which lead to the change of the contact stiffness. Based on the mechanism of the complex structure of feeding system and emphatically considering the influence of the high acceleration, the mathematical nonlinear distributed parameter model and the rigid-flexible coupling dynamics model are established to study the influential factors of maximum critical acceleration. The state of the system will be transformed into a lumped parameter system by using the orthogonal wavelet transform of function approximation and then we establish the time-varying stiffness parameters identification algebraic equations of the system. By using the genetic simulated annealing algorithm, the stiffness parameters of the flexible joint components are determined. Study on multi-modal vibration control of ball screw shaft by using Multiple Tuned Mass Dampers (MTMD) with parameters optimization design. Experiments of ball screw feed system in different acceleration driven are proposed to verify the theory model and the influences of position of nut, screw pretension force and other parameters on the critical acceleration are studied, moreover, the nonlinear stiffness parameters of time-varying multi-modal vibration are verified. Finally, the Multiple Tuned Mass Dampers are arranged into the hollow screw shaft and the effect of vibration control will be verified by the multi-resonant response of the screw shaft. The results of project will provide scientific theories and methods to improve the dynamic characteristics of high speed feed system.

高加减速工况下的滚珠丝杠进给系统，运动部件产生的大惯性力会改变系统运动副的实际接触状态，导致接触刚度的变化，进而影响进给系统的传动精度和工作寿命。项目基于进给系统的复杂结构机理，着重考虑高加速度的影响，建立系统非线性分布参数数学模型和刚柔耦合动力学模型，研究系统能够承受的加速度临界值的影响因素。采用正交小波函数逼近变换，将系统状态转化为集总参数系统，建立参数辨识代数矩阵方程，借助遗传模拟退火组合算法确定柔性连接部件的时变非线性刚度参数。采用参数优化设计的多重调谐质量阻尼器进行丝杠轴的多模态振动控制研究。在不同加速度驱动下进行滚珠丝杠进给系统实验，验证系统理论模型；研究螺母位置、丝杠预紧力等参数对临界加速度的影响规律；验证时变非线性刚度参数；在空心丝杠轴内装入多重调谐质量阻尼器，通过丝杠轴的多谐振响应，验证多模态振动的控制效果。项目研究成果将为提高高速进给系统动态特性提供科学的理论和手段。

考虑滚珠丝杠进给系统刚柔耦合的结构特征，及高加速度、螺母位置及工作台载荷等参数的影响，基于Ritz级数离散化方法，建立进给系统分布参数混合模型，得到滚珠丝杠副轴向、扭转、弯曲及横向振动的模态振型及频率响应。搭建进给系统动态特性分析平台，利用模拟仿真软件和虚拟样机技术建立进给系统刚柔耦合动力学模型，并对柔性部件离散化，研究结构刚度、可动柔性连接对系统动态特性的影响。研究不断改变的加速度及螺母的连续运动、总负载质量、丝杠预紧力、额定动负载等参数导致刚度变化的规律，获得进给系统在不同工况下所能承受极限加速度的条件和影响因素。利用传递矩阵法和频率响应特性，进行时变分布参数系统的辨识，确定出待辨识的系统参数，建立时变参数代数矩阵辨识方程。采用遗传算法与模拟退火的组合数值优化算法求解辨识方程，基于代数矩阵辨识方程进行系统辨识，确定各柔性连接部件的时变非线性刚度参数和阻尼参数。基于设计搭建的数控机床进给系统振动测试平台，测试力锤激励、激振器激励及机床自身运动激励下工作台的振动响应及频率响应函数。验证系统参数辨识过程中通过优化算法辨识出的刚度参数及阻尼参数是否合理。研究出一种新型的基于内置传感器的数控机床进给系统的模态测试方法和受力监测方法，并已申报发明专利。为了解决滚珠丝杠进给系统滑模控制的抖振问题并提高控制器的轨迹跟踪控制精度，提出了一种新的趋近律，采用光滑的饱和函数代替传统双幂次趋近律中不连续的符号函数，提高滑模函数的收敛速度，并在保证控制器稳态状态下的高跟踪性能的同时，引入Stribeck摩擦模型估计摩擦力，减少了控制输入的抖振。仿真结果表明: 在没有使用摩擦补偿情况下使用改进趋近律所设计的滑模控制器最大跟踪误差为 21.15µm，使用带摩擦补偿的滑模控制器，其最大跟踪误差减小为 14.98µm。