[发明专利]滚珠丝杠运动结合部虚拟梯度材料建模及参数获取方法

说明书

本发明公开了一种滚珠丝杠运动结合部虚拟梯度材料建模及参数获取方法，其步骤包括：滚珠丝杠中各圈上滚珠与滚道接触应力的初步分析；圈数与滚珠与滚道间接触应力拟合公式构建；滚珠丝杠运动结合部梯度虚拟材料仿真模型建立；滚珠丝杠运动结合部梯度虚拟材料模型需辩识参数确定；滚珠丝杠运动结合部梯度虚拟材料模型需辩识参数取值范围及取样方法确定；基于代理模型的虚拟材料待辨识参数与评价指标间映射关系的构建；优化出评价指标F极值点，极值点所对就在的设计变量，即为滚珠丝杠运动结合部虚拟梯度材料模型的参数；通过试验验证滚珠丝杠进给系统各结合部虚拟材料模型参数获取的正确性。本发明的方法能够准确获取结合部虚拟模型参数。

技术领域

本发明涉及一种建模及参数获取方法，特别涉及一种滚珠丝杠运动结合部虚拟梯度材料建模及参数获取方法。

背景技术

机床是多个整体结构件通过不同种类的结合部连接而成，按照连接部件之间是否存在宏观的相对运动可分为固定结合部和运动结合部两大类。滚珠丝杠螺母结合部是机床结构中最常用的一种运动结合部，起到精密传动和定位的作用。根据研究统计，机床约40％～60％变形量、60％～80％的刚度和90％以上的阻尼来源于结合部。结合部的模型误差是机床结构动力学建模误差的主要来源，结合部的模型误差是机床结构动力学建模误差的主要来源，结合部的动态特性是机床动态特性的主要组成部分。因此，要建立合理的机床结构数字化模型，并对其静、动态特性进行深入分析，迫切需要研究滚珠丝杠螺母结合部模型精确构建的方法。

在机床结合部建模方法中，基于虚拟材料的建模方法是在结合面间添加一层虚拟材料，用弹性模量、泊松比、密度等材料属性材料对结合部进行等效模拟。基于虚拟材料的建模方法符合结合部变形运动的本质要求，能够实现结合部的参数化建模，并且容易与有限元衔接集成，故具有较高的精确性、较广的适用性和较强的实用性。因此，基于虚拟材料的机床结合部建模方法研究越来越广泛和深入。

然而，滚珠丝杠副中滚珠和滚道两弹性体接触面上必然存在很微小的弹性滑动，故滚珠与滚道接触面间同时存在着粘着和滑动这两个区域，即具有粘滑特性，如图1所示滚珠丝杠副中滚珠与滚道接触面间接触应力分布随工况改变而变化的情况。基于虚拟材料的滚珠丝杠螺母结合部建模，只有充分考虑此滚动接触粘滑特性导致接触面间接触应力分布不均匀的问题，才能建立准确的滚珠丝杠螺母结合部虚拟材料模型。

然而，目前针对滚珠丝杠螺母运动结合部接触应力分布不均的虚拟材料建模的研究还很少。专利号为201310225822.5和201310225822.5的发明专利分别公开了滚动导轨和滑动导轨运动结合部虚拟材料模型参数的获取方法，直线导轨副导轨与滑块之间的结合部与轴承结合部同样存在接触面间接触应力分布不均匀的问题，但是，上述两个专利公开的方案中并未考虑导轨副导轨与滑块接触面间接触应力分布不均匀的问题。

综上所述，基于虚拟材料的滚珠丝杠螺母结合部建模，只有充分考虑此滚动接触粘滑特性导致接触面间接触应力分布不均匀的问题，才能建立准确的滚珠丝杠螺母结合部虚拟材料模型。

滚珠丝杠中滚珠和滚道两弹性体接触面上必然存在很微小的弹性滑动，故滚珠与滚道接触面间同时存在着粘着和滑动这两个区域，即具有粘滑特性，即滚珠丝杠中滚珠与滚道接触面间接触应力分布会随工况改变而变化，如图1所示。基于虚拟材料的滚珠丝杠螺母结合部建模，只有充分考虑此滚动接触粘滑特性导致接触面间接触应力分布不均匀的问题，才能建立准确的滚珠丝杠螺母结合部虚拟材料模型。已有研究表明，梯度虚拟材料模型是一种表征栓接结合部压力/刚度分布不均特性的有效方法。因此，此技术方案需解决基于滚珠丝杠螺母结构特点和滚珠与滚道间接触应力随相位角的变化规律，建立滚珠丝杠螺母结合度梯度虚拟材料模型的问题。

同时，基于虚拟材料结合部建模的关键是其弹性模量、切变模量、泊松比等参数的获取，理论计算与实验测试相结合的方法是结合部虚拟模型参数最常用的获取方法。故基于考虑接触面间接触应力分布不均匀的滚珠丝杠结合部虚拟材料模型，还需解决结合部虚拟模型参数准确获取的问题。

发明内容