基于MATLAB_Simulink高速滚珠丝杠进给系统机械模型的仿真与分析

来源：网络收集时间：2026-07-18

导读： matlab应用基于MATLAB/Simulink高速滚珠丝杠进给系统机械模型的仿真与分析 12 姜鑫，王均馗（1．陕西国防工业职业技术学院机电工程学院，陕西西安710300； 2．哈尔滨电机厂交直流电机有限责任公司工艺部，黑龙江哈尔滨150040）摘要：建立了高速滚珠丝杠

matlab应用

基于MATLAB/Simulink高速滚珠丝杠进给系统机械模型的仿真与分析

姜鑫，王均馗

（1．陕西国防工业职业技术学院机电工程学院，陕西西安710300；

2．哈尔滨电机厂交直流电机有限责任公司工艺部，黑龙江哈尔滨150040）

摘

要：建立了高速滚珠丝杠进给系统的机械模型。重点分析机械系统对整个进给驱动系统

的影响，并进行计算机仿真分析。通过实验数据分析掌握温度变化影响的效果。指出在高速

加工过程中屈服形变引起的轨迹误差，并通过反复修改参数得到优化结果，并找出了进一步改进的措施。

关键词：高速；滚珠丝杠；进给驱动系统中图分类号：TH132；TP391．9文献标志码：B

5276（2011）03-0097-04文章编号：1671-

SimulationandExperimentalAnalysisofHigh-SpeedBallScrewFeederDriveSystemMechanicalModelBasedonMATLAB/Simulink

JIANGXin1，WANGJun-kui2

（1．ShaanxiInstituteofTechnologyElectromechanicalengineeringcollege，Xi'an710300，China；2．TheHarbin-ElectromotorPlantAC/DCMotorCo．，Ltd．，TechnologyDepartment，Haerbin150040，China）Abstract：Thispaperestablishesthehigh-speedballscrewfeedingsystemmechanicalmodeltoanalyzetheinfluenceoftheme-chanicalsystemonthewholedrivesystemanduseMATLABcomputertomakethesimulationanalysisandresearch，pointsoutthetrajectoryerrorscausedinthehigh-speedmachiningprocessyielddeformationandfindsoutthefurtherimprovementmeasuresthroughrepeatedoptimizingtheparameters．

Keywords：highspeed；ballscrew；drivesystem

很难保证较高的定度高的进给驱动系统。由于高速加速，

位精度，所以进给驱动系统高速运行下的由惯性力矩引起的随动和进给系统的动力刚度就成为了其切削误差的主要来源。如果CNC机床刀具的偏差、振动和阻尼得不到将使工件产生显著的尺寸误差，难以保证高有效的控制，

速切削条件下的工件表面品质。

CNC控制系统，图1描述了在使用CAD/CAM软件，

伺服控制装置，机械系统的设计与装配等影响加工精度的UG等具有自来源之间的关系。CAD/CAM软件如Pro/E，

同时用户也可以根据加工的需要动生成加工程序的功能，

对数控编程过程树和工艺参数表的内容进行编辑修改，在

这个过程中，利用CAD/CAM软件强大的三维造型功能来做实体模型，然后通过生成工程图进行误差分析与研判，可省去繁琐的数学计算。CNC机床在加工工件时，受着切削热量变化、刀具磨损等因素的影响，传统的机切削力、

床刀具移动质心或切削力到驱动装置或导轨之间都有一个比较大的悬伸量，这个悬伸量由三个相对独立的轴系相叠加形成一个很长的负载路径。由于悬伸量太大，负载路径太长，即使是很小的导轨弯曲都会产生明显的刀具位移。在实际工作中整个连接系统会形成一个封闭的力环，如图2所示。这些因素的影响随着零件的加工精度要求

0引言

伴随着数控机床加工精度的不断提高，其定位精度已经成为一个非常重要并急需解决的问题，由于加工速度的提高，其进给驱动系统应具有快速响应和快速高精度跟踪的能力，由滚珠丝杠驱动的进给系统的定位精度主要与两方面有关：一是整个机械系统各部分结构机械刚度的变化；另一个是伺服控制系统即CNC伺服控制器被称为P-IP控制，其是否能够保证伺服电动机按照给定的驱动规律来驱动滚珠丝杠的运动过程。当然还有一些其他的因素譬如滚珠丝杠副的支承方式、温升及热变形的影响和进给系统刚度引起的矢动量和定位精度的误差等等，本文将重点分析机械系统对整个进给驱动系统的影响利用MATLAB进行计算机仿真分析，并通过实验数据分析滚珠丝杠副随温度变化的影响，指出改进措施。

1影响数控机床加工精度的因素分析

对于高速CNC机床来说，在切削加工过程中要求能

够具有在高速曲线路径加速时响应精度高和进给跟踪精

作者简介：姜鑫（1984—），男，黑龙江鸡西人，助教，主要从事机电一体化方面的教学与研究工作。

）

matlab应用

图1进给系统误差来源

的提高而表现出越来越大的影响力。为了便于工序集中，

便于编程，需进行补偿和插入等过程进行调整，使用调整从而使得这些影响因素，变措施后使程序变得十分复杂，

由于在实际的加工过程中，特别是在高得似乎无法控制，

高负载的情况下，切削刀具、工作台和驱动系统都不是速、

完全刚性的。所以在驱动力（或力矩）的传递过程中，由于各部分机构的的刚度不同便会产生形变，因形变而减少的位移量转变为势能进行储存，当势能的储存量在达到极

这个过程会导致工作台在特定的工限位置后便进行释放，

作时间段内如中途停车或加工结束时其事先通过程序设

定的位移与工作台实际获得的位移会产生一个误差，也可这个误差在加速或减速的过渡过程中以理解为定位误差，表现的十分明显，进而影响整个工件的外型尺寸和加工精度

［1］

2滚珠丝杠进给驱动系统机械模型

根据图3滚珠丝杠进给驱动系统

mt———工作台和工件的质量；

［3］

，主要参数定义：

——滚珠丝杠与电动机轴相连端的旋转角度；θm—k1———支撑轴承的刚度；k2———滚珠丝杠的轴向刚度；kr———滚珠丝杠的导程；kθ———滚珠丝杠的扭转刚度；kt———滚珠丝杠的长度；kn———螺母的刚度。

这个系统可以由拉格朗日法推导出来。

。所以，滚珠丝杠的进给驱动系统的形变和工作台

的形变一起影响着最终的定位精度。通过图2可以了解

到滚珠丝杠的形变包括滚珠丝杠副自身的屈服形变、滚珠驱动架自身的屈服形变以及相关部件与丝杠的接触形变、的弹性形变等，而这个驱动系统是引起形变的一个重要来源，这是一个包括滚珠丝杠的旋转偏差、扭转偏差、轴向偏

工作台的直线位移偏差和转动偏差5个变量共同组成差、

的动态系统，下面通过计算来进行验证

［2］

。

图3滚珠丝杠进给驱动系统机械模型

系统动能：

1221+x2+kr·T=mt[(xθb+Hcosθ)]+(Hθsinθ)+2

·θ+θb1·211·2

+IOθ2+mbx1Jmθm+Jbm（1）

222242

系统势能：

111V=kθ（θm－θb）2+kbx2kx2+kt［h（1－1+222n2

cosθ）+wsinθ］－mtgH（1－cosθ）（2）

LL－=Qi令L=T－V，且·

qitqi

(

··

)

图2传统机床刀具连接系统及其力学关系图

()()

》

matlab应用

（2），（3），用式（1），方程可以用参变量矩阵形式表

达成：

基本坐标关系和强度关系定义如下：q1=θmq2=θbq3=x1q4=x2q5=θQ1=Tm

Q2=Q3=Q4=Q5=0

（3）

0jm+0．25jb 00

0．25jb

0 00

0 0

00 0

0kθ0－kθ000000

－1000000000

100010000000

00．25jb

00．25jb+mtk2r

0mtkr0mtkr0mtkrH

0000100000

mt+

000mtkr07

m24b0mt0mtH

0000000000

000mtkr0mt0mt0mtH

00000 …… 此处隐藏：3603字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……

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