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高性能PCB数控钻床刚性分析

作　者: 蔡良金
导　师: 蔡长韬
学　校: 西华大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 印制电路板进给系统模态分析动力学响应运动仿真结构优化
分类号: TG527
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

印制电路板（PCB）向高密度化、微细化、多层化和特殊功能化方向迅速发展，PCB钻孔越来越多，越来越小，对PCB数控钻床的钻孔精度和效率要求是越来越高。数控钻床进给系统的动态特性是影响加工精度的主要因素之一。提高进给系统的动态特性对改善PCB数控钻床加工能力具有重要的意义。论文借助于某公司的四轴PCB数控钻床，针对其进给系统的刚性展开分析，分别对PCB数控钻床X轴、Y轴、Z轴刚性进行分析。首先，研究高速高精度PCB数控钻床X、Y、Z轴的进给系统组成以及各零部件的工作特性，建立各个进给系统合理的实体模型以及动力学数学模型，在建立数学模型过程中运用有限元技术很好地将工作台、滑架等的变形以及导轨的安装误差等因素对整个机床的性能影响反应到模型当中。然后，研究X、Y、Z轴的进给系统的动态特性，其中Z轴的刚性分析是论文的重点，提出了三种Z轴进给系统的方案：第一种方案，直线轴承（刚性连接）和万向节（柔性连接）第二种方案，空气静压轴承（柔性连接）联轴器（刚性连接）第三种方案，空气静压轴承（柔性连接）万向节（柔性连接）是超高速电主轴的三种固定方式。运用ADAMS对Z轴的进给系统方案进行运动仿真，得出钻机在钻孔过程中X轴及Y轴方向钻头的偏移量，再利用二次元对完成的样机进行数据测试，将测出的数据和仿真数据进行对比验证，找出影响超高速电主轴钻孔精度的运动参数,同时第三种方案为最优方案。最后，针对机床的薄弱环节进行ANSYS结构优化设计，将优化后的结构再次进行实体建模。对优化后的模型进行运动模拟仿真分析，得到优化后整体机床的运动参数，将此组数据和优化前分析对比，找出影响PCB数控钻床钻孔过程中影响钻孔精度的主要因素，最终证明了论文研究内容的实用性，具有较好的理论指导的意义。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-15
  1.1 PCB 数控钻床的发展现状  9-11
  1.2 PCB 数控钻床的发展趋势  11-13
    1.2.1 性能的发展趋势  11-12
    1.2.2 越来越开放的 PCB 数控钻床控制体系结构  12
    1.2.3 越来越高的市场个性化和敏捷性要求  12-13
  1.3 本课题研究的目的和意义  13
    1.3.1 本课题研究的目的  13
    1.3.2 本课题研究的意义  13
  1.4 论文的主要内容  13-15
2 X、Y、Z 轴的进给系统方案及实体建模  15-27
  2.1 X、Y 轴的进给系统方案  15-21
    2.1.1 伺服电机  16-17
    2.1.2 联轴器  17
    2.1.3 滚动轴承  17-18
    2.1.4 直线滚动导轨副  18-19
    2.1.5 滚珠丝杠螺母副  19-20
    2.1.6 工作台以及滑架  20-21
  2.2 Z 轴进给系统方案  21-23
    2.2.1 动子上中下连接板  22
    2.2.2 直线电机  22-23
  2.3 X、Y、Z 轴进给系统实体建模  23-26
    2.3.1 X 轴进给系统的实体模型  23-24
    2.3.2 Y 轴进给系统的实体模型  24
    2.3.4 Z 轴进给系统实体模型  24-26
  2.4 PCB 数控钻床整体模型  26
  2.5 本章小结  26-27
3 进给系统动力学模型的建立  27-38
  3.1 Y 轴进给系统的力学模型  27-28
  3.2 Y 轴进给系统的数学模型  28-30
    3.2.1 Y 轴进给系统的运动方程  28
    3.2.2 Y 轴进给系统的动力学微分方程  28-30
  3.3 机械参数  30-37
    3.3.1 转动惯量和质量  30
    3.3.2 丝杠的刚度  30-32
    3.3.3 轴承和螺母组件的刚度  32-33
    3.3.4 支座和联轴器的刚度  33
    3.3.5 安装误差及工作台的刚度  33-37
  3.4 本章小结  37-38
4 X、Y、Z 轴的进给系统刚性分析  38-51
  4.1 滚珠丝杠的刚性分析  38-41
    4.1.1 惯性力作用下滚珠丝杠的变形  38-39
    4.1.2 滚珠丝杠的动态特性  39-41
  4.2 工作台的刚性分析  41-43
    4.2.1 工作台的静态特性分析  41-42
    4.2.2 工作台的动态特性分析  42-43
  4.3 动子上中下连接板的刚性分析  43-45
    4.3.1 动子上中下连接板的静态特性分析  43-44
    4.3.2 动子上中下连接板的模态特性分析  44-45
  4.4 Z 轴的进给系统动态刚性分析  45-48
    4.4.1 进给系统模态分析  45-47
    4.4.2 进给系统谐响应分析  47-48
  4.5 进给系统特征灵敏度分析  48-49
  4.6 本章小结  49-51
5 工作台、动子中间连接板拓扑优化及进给系统动态特性分析  51-73
  5.1 ANSYS 结构优化设计  51-52
    5.1.1 ANSYS 拓扑结构优化设计  51-52
    5.1.2 形状优化设计  52
  5.2 工作台的拓扑优化  52-54
  5.3 动子中间连接板的拓扑优化  54-57
  5.4 拓扑优化后工作台的静、动态特性分析  57-60
    5.4.1 工作台在惯性力作用的情况下的变形  57
    5.4.2 工作台在自身重力和安装误差下的变形  57-58
    5.4.3 工作台的模态分析  58-60
  5.5 拓扑优化后动子上中下连接板的静、动态特性  60-62
  5.6 采用 ADAMS 进行运动模拟仿真对 Z 轴的三种方案分析  62-63
  5.7 对完成的样机进行数据分析  63-72
    5.7.1 完成样机的机械部件及配件系统  63-64
    5.7.2 完成样机的电气控制系统  64-67
    5.7.3 完成样机的数控软件系统  67-69
    5.7.4 利用二次元对样机进行数据测试  69-72
  5.8 本章小结  72-73
6 结论和展望  73-75
  6.1 全文总结  73
  6.2 展望研究  73-75
参考文献  75-77
攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果  77-78
致谢  78-79

高性能PCB数控钻床刚性分析

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