高速螺母驅(qū)動(dòng)型滾珠絲杠副動(dòng)力學(xué)特性研究.pdf

1、數(shù)控機(jī)床的大型化和高速化，不但要求機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速不斷提高，而且進(jìn)給速度也要求越來(lái)越快。常規(guī)的滾珠絲杠副，尤其是大型、重型高檔數(shù)控機(jī)床用的大行程絲杠副，自身重量較螺母大得多，因此絲杠旋轉(zhuǎn)慣性力很多，導(dǎo)致發(fā)熱、變形和能耗嚴(yán)重，變形的絲杠在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中又會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，降低了設(shè)備的工作精度。這是目前一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。因此本研究根據(jù)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性，提出新型“螺母驅(qū)動(dòng)型滾珠絲杠副”，把傳統(tǒng)的“絲杠驅(qū)動(dòng)方式”改為“螺母驅(qū)動(dòng)方式”。
　　 本研

2、究借助于數(shù)學(xué)建模、力學(xué)分析、計(jì)算分析軟件和實(shí)驗(yàn)研究等方法，在構(gòu)建滾動(dòng)體運(yùn)動(dòng)學(xué)、接觸模型及進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型基礎(chǔ)上，對(duì)螺母驅(qū)動(dòng)型滾珠絲杠副高速傳動(dòng)性能進(jìn)行研究，研究?jī)?nèi)容主要包括:
　　 1.根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)理論，對(duì)高速螺母驅(qū)動(dòng)型滾珠絲杠副滾動(dòng)體運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行分析。求解了滾珠滾動(dòng)速度與驅(qū)動(dòng)螺母軸轉(zhuǎn)速之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，推導(dǎo)出滾動(dòng)體公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)角速度，求取雙螺母內(nèi)滾動(dòng)體接觸點(diǎn)位置及滑動(dòng)速度。理論分析得出相同驅(qū)動(dòng)速度時(shí)螺母驅(qū)動(dòng)型滾珠絲杠副滾動(dòng)體公轉(zhuǎn)

3、和自轉(zhuǎn)角速度低于傳統(tǒng)的絲杠驅(qū)動(dòng)型滾珠絲杠副滾動(dòng)體公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)角速度。
　　 2.根據(jù)Hertz接觸理論，對(duì)高速螺母驅(qū)動(dòng)型滾珠絲杠副滾動(dòng)體接觸特性進(jìn)行分析。建立了軸向載荷、慣性效應(yīng)、位移約束聯(lián)合作用下的高速螺母驅(qū)動(dòng)型滾珠絲杠副接觸分析模型，應(yīng)用迭代法求解非線性方程組，分析了不同轉(zhuǎn)速和軸向力等工況下滾珠絲杠副接觸參數(shù)的變化規(guī)律。根據(jù)理論計(jì)算求取系統(tǒng)進(jìn)給加速度。結(jié)果表明滾珠絲杠副高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，螺母組件內(nèi)接觸角、法向載荷以及彈性變形隨轉(zhuǎn)速和

4、軸向載荷的變化而變化。與絲杠驅(qū)動(dòng)型相比采用相同額定轉(zhuǎn)矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)，螺母驅(qū)動(dòng)型滾珠絲杠副降低了傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，進(jìn)而降低系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)能耗，螺母驅(qū)動(dòng)型滾珠絲杠副可獲得更高進(jìn)給加速度，更具有高速性。
　　 3.對(duì)預(yù)緊力可調(diào)的雙螺母驅(qū)動(dòng)型滾珠絲杠副進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析，首先建立滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型。分析了預(yù)緊力的變化對(duì)固有頻率的影響規(guī)律，主要設(shè)計(jì)參數(shù)的變化對(duì)系統(tǒng)低階固有頻率的影響。結(jié)果表明，進(jìn)給系統(tǒng)固有頻率具有時(shí)變性。與傳統(tǒng)的絲杠驅(qū)

5、動(dòng)型相比，采用螺母驅(qū)動(dòng)型滾珠絲杠副，提高了進(jìn)給系統(tǒng)低階固有頻率，可使系統(tǒng)具有更寬的通頻帶，提高系統(tǒng)的速度環(huán)增益和位置環(huán)增益，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力和加工精度。
　　 4.建立了摩擦力矩的分析模型，分析了滾珠絲杠副摩擦力矩的產(chǎn)生機(jī)理。研究軸向載荷、軌道制造誤差等對(duì)摩擦力矩的影響，分析了摩擦力矩低頻波動(dòng)的原因。運(yùn)用彈流動(dòng)力潤(rùn)滑理論分析滾珠絲杠副的潤(rùn)滑狀態(tài)。結(jié)果表明軸向載荷、滾道波紋度是對(duì)摩擦力矩波動(dòng)性影響很大。
　　

6、 5.研制了螺母驅(qū)動(dòng)型滾珠絲杠副并實(shí)際應(yīng)用，借助超長(zhǎng)軸鍵槽銑削機(jī)床對(duì)螺母驅(qū)動(dòng)型滾珠絲杠副和絲杠驅(qū)動(dòng)型滾珠絲杠副進(jìn)行了振動(dòng)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)和溫升測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)研究表明螺母驅(qū)動(dòng)型滾珠絲杠副系統(tǒng)第一階固有頻率大于絲杠驅(qū)動(dòng)型滾珠絲杠副第一階固有頻率，在相同工作環(huán)境下絲杠驅(qū)動(dòng)型滾珠絲杠副傳動(dòng)機(jī)構(gòu)絲杠溫升總體大于螺母驅(qū)動(dòng)情況下絲杠的溫升。
　　 本研究為高速精密滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)、制造提供了理論和技術(shù)支持，為研制開(kāi)發(fā)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高速精密滾珠