机械设计与制造MachineryDesign&Manufacture第5期2014年5A新型滚珠丝杠副端塞式反向器的优化设计与分析郝大贤1,王科社1,查初亮27闰海峰1(1.北京信息科技大学,北京100192;2.北京机床研究所,北京100102)摘要:滚珠与反向器的碰撞与摩擦,是导致滚珠丝杠副摩擦力矩产生波动的一个重要原因,也是导致反向器失效的主要原因。因此需要对反向器回珠曲线进行优化,降低滚珠与反向器的碰撞力,提高反向器的流畅『生。提出了一种新型多段圆弧端塞式反向器的设计思路与优化方法。采用Matlab进行有约束的非线性优化,得到优化后回珠曲线,得到优化后反向器的P加三维模型,利用ADAMS仿真软件对优化前和优化后的反向器进行动力学分析,仿真结果表明优化后新型端塞式反向器能有效的降低滚珠与反向器的碰撞力,并使碰撞力更加均匀,有利于提高反向器的流畅性。关键词:滚珠丝杠;反向器;Matlab;ADAMS;优化设计中图分类号:THl6;THl32.1文献标识码:A文章编号:1001—3997(2014)05—0088—03ANewEndPlugReturnTubeofBallScrewOptimizationDesignandAnalysisHAODa-xianl,WANGKe-shel,ZHAChu—lian92,YANHai-fen91(1.BeijingInformationScienceandTechnologyMachineToolResearchUniversity,Beijing100192,China;2.BeijingInstitute,Beijing100102,China)Abstract:CollisionandtorquefrictionbetweenballandthereturntubeiseallueanimportanttoreasonthatgeneratesreturnballSCreWtofrictionreducefluctuation.h’Sforcebetweenalsothetheofreturntubefailure.Soitneedsoptimizethetubecureacollisionballandreturntube,andimprovetheseveralcirculararesendplugtypefinencyofreturntube.Itputstoforwardanewdesignandnonlinearoptimizationmethodofreturntube.UsingMatlabhaveconstrainedoptimizationthengettheoptimizedcurve.Builds3Dmodeloftheoptimizedreturntubeby.Proe.UsesADAMSsimulationnewsoftwaretoanalyzethereturntubedynamicsbothCOnbeforeand妒ertheop础礼如越幻几Theresultsshowthattheoptimizedendplugtypereturntubemoreeffectivelyred∽efineneyofthethecollisionsforcebetweenballandthereturntube.Thecollisionforceisunifo胤hisbenefittothereturntubeKeyWords:BallScrew;ReturnTube;Matlab;ADAMS;OptimizationDesign1引言目前,高速滚珠丝杠副传动系统仍然是高速机床进给驱动系统的主要形式,一般认为:驱动速度达到60m/rain以上,加减速化结果f。文献哆用ANSYS对滚珠丝杠副反向器进行参数化建模分析。文献唯导了滚珠进入导珠管的碰撞接触计算公式,并采用有限元方法对其碰撞的瞬态特性进行了研究,获得r影响导珠管寿命的主要影响因素。针对反向器回珠曲线,提出了一种新型多段圆弧端塞式反向器的设计思路与优化方法。针对精密天工流畅型端塞式反向器度在lg左右,精度达到国家标准GB/T18587.1.3中的p3级以上,性能指标达到设计要求者,可称之为精密高速滚珠丝杠副Ⅲ。随着机械产品高速化、高精度化与复合化发展,为适应现代加工的要求,高性能的滚珠丝杠副已成为滚珠丝杠副产品发展的趋势四。滚珠丝杠副反向器回珠曲线是影响滚珠丝杠副性能的关键因素。反向器的优劣直接影响到滚珠丝杠副的低频噪声,振动,温升,使用寿命和丝杠最大进给速度。目前端塞式反向器属于流畅型反向器,适合低噪声,低温升,高速滚珠丝杠副。目前对端塞式反向器回珠线型的设计主要是采用经验设计,需要对反向器的回珠曲线进行重新的优化设计,以达到更高性能的滚珠丝杠副的设计要求,提高我国滚动功能部件的性能。DS4716进行优化设计,仿真结果表明优化后新型端塞式反向器能有效的降低滚珠与反向器的碰撞力,并使碰撞力更加均匀,有利于提高反向器的流畅性。2新型回珠曲线设计思路文献哗十对反向器型线进行了优化,但是只针对一个圆弧内的三个滚珠进行了建模,没有对一个完整的反向器建模分析。因为滚珠越多情况越加复杂,滚珠在反向器内运动状态复杂,每一个滚珠的运动隋况,受力情况都各不相同。建立一个完整可靠的力学模型十分困难,研究其受力情况几乎不可能。以此研究其驱动力阻力比,并针对其优化是不切实际的做法,可能会得到没有目前国内外对反向器的研究主要是,文献p针对反向器型线进行了优化,创新性的提出了驱阻比的概念,获得了比较好的优来稿日期:2013一lo-17基金项目:北京市科技计划项目(Z121100001612010)作者简介:郝大贤,(1987一),男,山东青岛人,硕士研究生,主要研究方向:滚珠丝杠副基础理论;王科社,(1958一),男,陕西乾县人,硕士,教授,主要研究方向:复杂机电系统集成设计万方数据第5期郝大贤等:新型滚珠丝杠副端塞式反向器的优化设计与分析3.1建立优化数学模型(1)目标函数89意义的结果。在转速不同的情况下,得到的优化结果也是不同的,这些都使针对驱阻比进行优化变得非常困难。由于反向器内的每个滚珠运动状态,受力状态各不相同,因此要分析反向器内所有滚珠是比较复杂的,可以简化为模拟单个滚珠与反向器的碰撞,如果单个滚珠可以流畅通过反向器,可以认为多个滚珠通过反向器也会流畅。根据研究表明滚珠与反向器的碰撞力大小与回珠曲线的圆弧半径成反比。因此要降低滚珠与反向器之间的碰撞力需要增大圆弧半径。但这也会增加回珠曲线的长度,是反向器内的滚珠数目增加,导致摩擦阻力增加。为了平衡这一矛盾,采用多段圆弧过渡回珠曲线,对端塞式反向器进行优化设计。多段圆弧通过改变优化设计准则,将圆弧半径,圆弧角限制在一个合理的范围内。优化的目标实现反向器内回珠曲线的长度最优化,建立优化数学模型。minL总=£l+尺I“l根2a2般3d3+L2(2)设计变量(1)R,,R:,R,为三段圆弧的半径d.,d:,%为三段圆弧的角度。(3)约束R,>尺,>R,dl+Or,+a1=95.60(2)(3)圆弧半径,圆弧角度,是回珠曲线的设计变得更加灵活,从而得到更加流畅的反向器回珠曲线。在理论上采用的圆弧数量越多,优化的效果越好,但是优化为保证滚珠进入反向器有足够的过渡^≥10ramdz=do+dl+d2+d3≤13.5mm(4)过程也越繁复,可以在结果与效率之间采取合适的优化数量。采用三段圆弧过渡曲线优化端塞式反向器的回珠曲线。针对精密天工DS4716型端塞式滚珠丝杠副进行优化设计,设计思路,如图1所示。首先设计回珠曲线的大致形状,确定要设计变量,确定约束条件。必须保证L,>10L.---23.5一d。£2:7.52+Llsin5.6。一b总-06总=6l+62+63(5)(6)(7)3.2编写MATLAB优化程序建立数学模型,对其进行优化,将问题归纳为包含等式约束,不等式约束的非线性规划问题M。通过Maflab优化工具包进行优化。编写优化程序如下。首先编写M文件,方便maflab调用。主程序M文件:functionf=funl(x)11=(23.5一(x(1)+O.09774+((x(2)-x(3))/sin(pi-x(5)-x(6))*sin(x(6))+x(1)一x(2))*sin(x(4)-0.09774)+(x(2)—x(3))/sin(pi-x(6)一X(5))*sin(x(5))+x(3)))/cos(O.09774);b=cot((pi—x(4)+O.09774沈)}x(1)*sin(x(4)-0.09774)+cos((pi—x(5))/2_x(4)+0.09774)宰x(2)}sin(x(5))/sin((pi—x(5))/2)+x(3)*sin(x(6)):f=ll+x(1)}x(4)+x(2)}x(5)+x(3)}x(6)+7.52+ll*sin(0.09774)-b;图1回珠曲线设计图Fig.1BackCurveoftheBallDesignDrawings编写约束条件M文件:在matlab窗口输入的程序:x0=[3;2;1;0.5;0.5;O.6685];lb=[5;5;5;O;O;0];图1中包括5条线段,分别于两端的线段相切。在保持端塞进出口不变的情况下,通过改变圆弧半径尺.,尺:,尺,,圆弧角a,,a:,∞,两端厶,£:。得到合适的回珠曲线。ub=[500;500;500;!.6685;1.6685;1.6685];aeq=[0,0,0,1,1,1];beq=1.6685;3优化设计过程由于对反向器受力情况的分析非常复杂,并且分析得到的结果与实际情况偏差较大,所以这里没有选择对其受力情况建立模型,在转速不同的情况下,得到的优化结果是不同的,这些都使针对驱阻比进行优化变得非常困难。优化目标选择为回珠曲线的长度最短,将设计变量限定在一个合适的范围内,然后进行优化。回珠曲线长度减少可以使反向器内滚珠数量减少,有利减少摩擦阻力,使滚珠动过反向器的时间减少,减少碰撞,减少能量损失。在碰撞力较大处增大曲线半径,在碰撞力较小处减小曲线半径。[x。fval]--fmincon(‘funl’,xO,[],[],aeq,beq,lb,ub,‘fun2’);得到的优化结果为:Rl---16.2883mm,Rz=l1,4018mm,R3=5mm,al=o.3656rad,c峪--0.8018rad,d卸.501lrad得到的回珠曲线长度L=27.6506mm。可以根据得到的优化结果绘制反向器回珠曲线,并建立三维模型。3.3建立优化后的模型根据优化后的数据绘制回珠曲线,如图2所示。是优化前后的回珠曲线对比。万方数据No.5机械设计与制造Mav.2014V塑婆垒盟式中:d一滚珠丝杠公称直径;棚珠直径,接触角#---45‰丝杠…7=2.600)9(转速。I,。--4.118m/s。在ADAMS中设置初速度,材料属性,设置碰撞力参数,然后运行仿真分析,得到碰撞力分析191,如图5、图6所示。图2优化前后的回珠曲线对比Fig.2ContrastBackCurveoftheBallBeforeandAfterOptimization从图2中可以看出优化后的回珠曲线长度变短,有利于减少反向器内滚珠的数目,提高滚珠通过反向器的流畅陛。利用三维建模软件Pro/E,建立优化前与优化后的反向器模型,优化前后反向器模型对比,如图3、图4所示。ll。II图5优化前的碰撞力Fig.5ImpactForceBeforeOptimization图3优化前反向器模型Fig.3ReturnTubeModelBeforeOptimizationIIILJ图6优化后的碰撞力Fig.6ImpactForceafterOptimization由ADAMS仿真后可知经过优化,回珠曲线的长度减少,滚珠通过反向器的时间减少,碰撞力较优化前最大力降低,综合碰撞力明显变得比较均匀。说明碰撞过程更加平稳。有利于提高反向器的流畅性,使卡滞现象得到改善。5结论罔4优化后反向器模型Fig.4ReturnTubeModelafterOptimization优化后的反向器回珠曲线长度减少,反向器内滚珠数量减少,有利减少摩擦阻力。碰撞力更加均匀,最大碰撞力明显下降,碰撞力大小变得更加均匀,使滚珠在端塞内运行更加平稳,有利于提高滚珠丝杠副的进给速度。通过对精密天工流畅性端塞反向器的优化,从理论上分析可以为实际生产提供指导,通过优化反向器回珠曲线提高滚珠通过反向器的流畅性,有利于降低滚珠丝杠副的振动与噪声,提高滚珠丝杠副的综合性能。(8)4ADAMS仿真分析将优化前后的三维模型导人到ADAMS中进行仿真分析181。根据课题要求,要求滚珠丝杠副的进给速度达到60m/min,欲使滚珠丝杠直线进给速度达到60m/min=1m/s,由DS4716型号可知丝杠主要参数导程Ph=16mm,公称直径d=47mm。要求丝杠到达的转速:肛---60/0・016=3750r/min参考文献[1J肖正义,焦洁.高速滚珠丝杠副的研发和检测技术[J].制造技术与机床,2004(4):95—99.滚珠中心线速度如下Ilq:(下转第94页)万方数据No.5机械设计与制造c因素(轴向切深)平方和:May.2014参考文献(4)s=石1(《《蠢成《《)-CT=96862自由度:DfC=5SS宅=SS≮—sS,一SSb—SSc=50153[1]张武荣,马丽霞.公差配合与测量技术[M].北京:北京大学出版社,2006:137—138.(ZhangWu-rong,MaLi-xiaToleranceMatchingandMeasurementTechno—oA=DFo-DfA——OfB-OfC=17——2——2——5=8fogy[m].Peking.PekingUniversityPress,2006:137—138.)[2]燕金华.表面粗糙度对零件工作的影响及其选择[J].西部探矿工程,2009(9):56—58.(Yan4.3.2显著幽险验各因素对试验结果影响的显著性,如表4所示。表4方差分析表Tab.4VarianceAnalysisTableJin—hua.TheInfuenceofSurfaceRoughnessonPartsWorkingandTheChoice[JJ.West—ChinaExplorationEngineering.2009(9):56—58.)[3]崔伯第,殷宝麟,郭建亮.淬硬钢高速硬车削表面粗糙度的实验研究[J]机械设计与制造,2012(8):198—200.(CuiBe—di,YinBao—lin.GuoJian-liang.ExperimentalInvestigationofSurfaceRoughhessinHighSpeedTurningofHardenedSteel[Jj.MachineryDesign&Manufacture.2012(8):198-200.)l4JElisaVazquez,XavierGrmezandanalysisofprocessparametersJoaquimCiurana.Anexperimentalmicro-channelsinforthemillingofbiomaterials[JJInternationalJournalofMechatronicsandManufacturing由表4可见4因素对试验结果影响最显著,其次是c因素,对试验结果影响较小的是曰因素,即对黄铜H59表面粗糙度值影响最大的试验因素依次为径向切深,轴向切深和进给量。需要说明的是轴向切深和进给量的F值相差不大,由于试验过程误差存在在所难免,因此,轴向切深和进给量对于试验结果的显著性影响孰大孰小,可以通过以后的重复试验来继续检验。Systems,2012,5(1):46—49.[5]张霖,赵东标,张建明.微细端铣削工件表面粗糙度的研究[J]中国机械工程,2008,19(6):658—660.(ZhangLin,ZhaoDong—biao,ZhangJian—ming.Microendmillingworkp—iecesurfaceroughnessstudy[J].Chinamechanicalengineering,2008,19(6):658—660.)[6]张升,程祥,代玉娟.超精密桌面微细铣削机床的研制[J].机械设计与制造,2014(1):110—112.(ZhangSheng,ChengXiang,DaiYu-juan.DevelopmentofADesktopUltra-precisionMicroMillingMachine[J].International5结论在三坐标桌面微细铣削机床上,用直径为lmm的硬质合金双刃立铣刀对黄铜H59进行了宽槽铣削的实验研究,最后通过白光干涉仪对槽底部的表面粗糙度进行测量。经过对数据的极差分析和方差分析综合比较来看,可以得出以下结论:轴向切深,径向切深和进给量三个工艺参数在黄铜材料的加工方面影响最大的是径向切深;径向切深和进给量与粗糙度值成正比关系,即随着径向切深和进给量增大粗糙度值增大,而轴向切深与粗糙度的影响并不是成正比例关系而是存在一个近似抛物线的形态即存在最小切除厚度。JournalofMech—atronicsandManufacturingSystems.2014(1):1lo-112.)[7]王振兴,王敏,邵华.切削参数对车削2A14锻铝合金表面粗糙度影响的实验研究[J].工具技术,2007,41(6):69—70.(WangZhen—xing,WangMin,ShaoHua.ExperimentalInvestigationofEffectofCuttingParameteronSurfaceRoughnessof2A14AluminumAllloy[Jj.ToolEngineering,2007,41(6):69—70.)[8]史振宇.基于最小切除厚度的微切削加工机理研究[D].济南:山东大学。2011:21—26.on(ShiZhen-yu.StudyMicrocuttingMechanismBasedonMinimumUncutChipThicknesslDjdinan:ShandongUniversity,2011:21—26.)(上接第90页)(XiaoZheng-yi,JiaoJie.Developmentandtestofhigh-speedballscrewTutoriallMJ.Beijing:ChiuaMachinePress,2007:194_199.)[7]卓金武.MATLAB在数学建模中的应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2011:22—24.units[J].ManufacturingTechnology&Machine.2004(4):95—99.)[2]周超,殷爱华,冯虎田.滚珠丝杠副综合性能动态测量系统设计[J].机械设计与制造,2012(4):32—33.(ZhouballChao."/inAi—-hua.FengHu—tian.Designofmeasuringsystemofpairforitsdynamiccomprehensive(ZhuoJin—WU.MATLABintheApplicationofMathematicalModelinglM].Beijing:Beijing201UniversityofAeronauticsandAstronauticsPress,screwperformancelJj.Machineryl:22—24.)Design&Manufacture.2012(4):32—33.)[8:陈志伟.MSCADAMS多体动力学仿真基础与实例分析[M].北京:中国水利水电出版社,2012:43—51.(ChenZhi-wei.MSCADAMSBasedofMulti-BodyDynamicsSimulationAnalysisofVibrationanti[3]姜洪奎.基于滚珠丝杠副流畅型的滚珠反向器型线优化设计[J]振动与冲击,2012,31(2):38-42.(JiangHong-kui.OptimaldesignofpassageprofileofbasedonfluencyofaballscrewaballreturnermechanismlJJ.JournallMj.Beijing:ChinaWaterConservancyandHydropowerPress,Shock,2012,31(2):38-42.)2012:43—5.1.)[4]唐文成.基于ANSYS的滚珠丝杠反向器参数化建模分析[J]山东建筑大学学报,2010,25(5):481_484.[9]谢最伟.基于ADAMS的碰撞仿真分析[c].第三届中国CAE工程分析技术年会论文集,2007:339—342.(XicZuj—wei.CrashsimulationanalysisbasedonADAMS[C].TheThirdChina(TangWen—cheng.ParametricscrewanalysisofthemodelofthereflectorofballofShandongbasedonANSYSlJJ.JournalJianzhuUniversity,ProjectofCAEAnalysisTechnologyConferenceProceedings,2010.25(5):481—484.)2007:339—342.)[5]HungJui-Pin.Impactfailureanalysisofre—circulatingmechanisminball[10]张佐营.高速滚珠丝杠副动力学性能分析及其实验研究[D].济南:山东大学,2008:30-31.(ZhangZuo-ying.Analysisandexperimentstudyondynamicperformanceofhighspeedprecisionballscrewscrew[Jj.EnginerringFailureAnalysis,2004(11):561—573.[6]褚洪生.MATLAB7.2优化设计实例指导教程[M].北京:机械[业出版社,2007:194—199.(ChuHong—sheng.MATLAB7.2OptimizationDesignExampleGuidancemechanism[D].Jinan:Shangdonguniversity,2008:30-31.)万方数据新型滚珠丝杠副端塞式反向器的优化设计与分析
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郝大贤, 王科社, 查初亮, 闫海峰, HAO Da-xian, WANG Ke-she, ZHA Chu-liang, YAN Hai-feng
郝大贤,王科社,闫海峰,HAO Da-xian,WANG Ke-she,YAN Hai-feng(北京信息科技大学,北京,100192),查初亮,ZHA Chu-liang(北京机床研究所,北京,100102)机械设计与制造
Machinery Design & Manufacture2014(5)
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