滾珠絲杠副直線導(dǎo)軌進(jìn)給單元動態(tài)性能研究.pdf

1、數(shù)控機(jī)床的高速、高精、高效以及高自動化的發(fā)展對機(jī)床動態(tài)特性的要求越來越高，其中最主要的就是機(jī)床的振動性能，即機(jī)床的加工質(zhì)量在很大程度上取決于機(jī)床所產(chǎn)生的振動。作為數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中的關(guān)鍵功能部件，滾珠絲杠副是一種細(xì)長的低剛度零件，在外界交變力的作用下極易產(chǎn)生振動和噪聲。尤其在加長型數(shù)控機(jī)床中，由于工作臺行程較長，絲杠也相應(yīng)變長，導(dǎo)致進(jìn)給系統(tǒng)的穩(wěn)定性，剛性和抗振性等動態(tài)性能的下降，特別是在強(qiáng)力切削過程中振動比較嚴(yán)重，既影響了機(jī)床的加工精度

2、和加工表面質(zhì)量，又加速了刀具的磨損和損壞。直線滾動導(dǎo)軌副作為進(jìn)給單元的支承導(dǎo)向裝置，加工過程中的振動會增大導(dǎo)軌副的動態(tài)載荷，從而降低其壽命和精度的保持性。因此，研究滾珠絲杠副直線導(dǎo)軌進(jìn)給單元動態(tài)性能具有很重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。
　　 本文采用理論分析與試驗研究相結(jié)合的方法，依據(jù)動力學(xué)理論，Hertz接觸理論、振動理論及試驗?zāi)B(tài)分析理論，研究了滾珠絲杠副直線導(dǎo)軌進(jìn)給單元的動態(tài)特性，研究內(nèi)容主要包括：
　　 1)考慮進(jìn)給單元

3、中滾珠絲杠副、直線導(dǎo)軌副及支承軸承等結(jié)合面的影響，對滾珠絲杠副直線導(dǎo)軌進(jìn)給單元進(jìn)行了動力學(xué)建模，并根據(jù)拉格朗日方程推導(dǎo)了進(jìn)給單元的振動微分方程，獲得了進(jìn)給單元的質(zhì)量矩陣、剛度矩陣及阻尼矩陣。
　　 2)考慮兩端支承軸承的影響，應(yīng)用Hertz接觸理論，分析了在外加工作載荷作用下滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)的接觸變形及剛度，得出了單、雙螺母滾珠絲杠副軸向接觸剛度的影響因素并進(jìn)行了對比分析。
　　 3)建立了直線滾動導(dǎo)軌副接觸剛度模型。該

4、模型充分考慮了外加載荷，滾珠個數(shù)，滾珠預(yù)變形量等因素對接觸剛度的影響。在此基礎(chǔ)上，以LSA-45G型號的直線滾動導(dǎo)軌副為例，計算得到了直線滾動導(dǎo)軌副的Y向和Z向的接觸剛度值。
　　 4)采用試驗?zāi)B(tài)分析技術(shù)，對滾珠絲杠副直線導(dǎo)軌進(jìn)給單元試驗臺進(jìn)行了模態(tài)試驗研究。通過力錘激勵試驗，獲得了進(jìn)給單元的主要模態(tài)參數(shù)，包括模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)剛度、模態(tài)阻尼及相關(guān)振型。
　　 5)根據(jù)振動理論，考慮絲杠兩端軸承的彈性支承作用，建立了絲杠在

5、兩端彈性支承條件下的頻率方程，推導(dǎo)了其振型函數(shù)，并將振型函數(shù)進(jìn)行了正則化。結(jié)合模態(tài)試驗獲得的模態(tài)參數(shù)，研究了滾珠絲杠副直線導(dǎo)軌進(jìn)給單元的振動模型，進(jìn)行了考慮直線滾動導(dǎo)軌副的滾珠絲杠進(jìn)給單元和不考慮直線滾動導(dǎo)軌副的滾珠絲杠進(jìn)給單元的有限元模態(tài)分析，并與試驗結(jié)果進(jìn)行了對比，分析了進(jìn)給單元的薄弱環(huán)節(jié)，并提出了改進(jìn)意見。
　　 理論分析與試驗研究結(jié)果表明：
　　 1)滾珠絲杠副中，滾珠與絲杠、螺母滾道結(jié)合面的軸向接觸變形及剛度對

6、滾珠絲杠副直線導(dǎo)軌進(jìn)給單元的軸向動態(tài)特性有直接的影響。滾珠與絲杠、螺母滾道結(jié)合面的軸向接觸變形及剛度受到軸向載荷、接觸角、螺旋升角、滾珠個數(shù)、曲率比等設(shè)計參數(shù)的影響。
　　 2)合理設(shè)計滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以提高滾珠絲杠副的軸向接觸剛度。增大接觸角可以使單螺母滾珠絲杠副的軸向接觸剛度有明顯的降低，而且呈非線性變化。滾珠個數(shù)與單螺母滾珠絲杠副軸向接觸剛度的關(guān)系接近線性，隨著滾珠個數(shù)的增加，軸向接觸剛度也增加。螺旋升角對單螺母滾珠

7、絲杠副的軸向接觸剛度影響不顯著。單螺母滾珠絲杠副的軸向接觸剛度對曲率比的變化比較敏感，隨著曲率比的增加而明顯降低。軸向載荷的增加使單螺母滾珠絲杠副軸向接觸剛度呈非線性增大。
　　 3)雙螺母滾珠絲杠副的軸向接觸剛度隨著軸向載荷的增大而增大，而且隨軸向載荷的變化近似線性。隨著預(yù)緊力的增大，雙螺母滾珠絲杠副的軸向接觸剛度剛度明顯增大，呈非線性變化。接觸角、滾珠個數(shù)、螺旋升角以及曲率比的變化對雙螺母滾珠絲杠副接觸剛度的影響與其對單螺母

8、滾珠絲杠副接觸剛度的影響類似，只是相同條件下在數(shù)值上雙螺母滾珠絲杠副接觸剛度明顯高于單螺母滾珠絲杠副接觸剛度。因此在設(shè)計時需要尋找最優(yōu)接觸角，適當(dāng)減小曲率比，增加滾珠數(shù)目，選擇合適的預(yù)緊力，有利于提高滾珠絲杠螺母副的接觸剛度。
　　 4)直線滾動導(dǎo)軌副的接觸剛度受到其工作載荷、滾珠預(yù)變形量及滾珠個數(shù)等設(shè)計參數(shù)的影響。工作載荷的增加會使直線滾動導(dǎo)軌副的Y向接觸剛度增大，Z向接觸剛度減?。粷L珠預(yù)變形量的增加，會使直線滾動導(dǎo)軌副的Y向

9、接觸剛度增大，Z向接觸剛度降低；滾珠個數(shù)的增多，會使直線滾動導(dǎo)軌副的Y向接觸剛度降低，Z向接觸剛度提高。
　　 5)滾珠絲杠副直線導(dǎo)軌進(jìn)給單元的主要振型為彎曲振動和扭轉(zhuǎn)振動。滾珠絲杠副直線導(dǎo)軌進(jìn)給單元的薄弱環(huán)節(jié)主要發(fā)生在絲杠螺母副及其與連接板的結(jié)合部位。滾珠絲杠副直線導(dǎo)軌進(jìn)給單元的固有頻率受到支承方式的影響：兩端固定時其各階固有頻率明顯高于一端固定一端簡支的各階固有頻率。滾珠絲杠副直線導(dǎo)軌進(jìn)給單元的固有頻率受到螺母位置的影響：螺

10、母位于絲杠固定端時的各階固有頻率比螺母位于絲杠簡支端時的各階固有頻率要高，螺母位于絲杠兩端時的各階固有頻率明顯低于螺母位于絲杠中間位置時的各階固有頻率。考慮直線導(dǎo)軌副的滾珠絲杠進(jìn)給單元的各階固有頻率要比不考慮直線導(dǎo)軌的滾珠絲杠進(jìn)給單元的各階固有頻率更接近于試驗結(jié)果，更加符合進(jìn)給單元的實(shí)際真實(shí)情況。
　　 研究結(jié)果為減小滾珠絲杠副直線導(dǎo)軌進(jìn)給單元的動態(tài)變形，提高進(jìn)給單元的抗振性指明了努力方向，對滾珠絲杠副直線導(dǎo)軌進(jìn)給單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計