滚珠丝杠副直线导轨理论分析与试验研究_创威达传动科技
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滚珠丝杠副直线导轨理论分析与试验研究

时间:   来源: 创威达   浏览量: 108 次

       数控机床的高速、高精、高效以及高自动化的发展对机床动态特性的要求越来越高,其中最主要的就是机床振动性能,即是机床的加工质量在很大程度上取决于机床所产生的振动。作为数控机床进给系统中关键功能部件,滚珠丝杠副是一种细长低刚度零件,在外界交变力作用下极易产生振动和噪声。滚动直线导轨副作为进给单元的支承导向装置,加工过程中的振动会增大导轨副的动态载荷,从而降低其寿命和精度的保持性。
 
       尤其是在加长型数控机床中,由于工作台的行程较长,丝杠也是相应变长,导致进给系统稳定性,刚性和抗振性等动态性能下降,特别是在强力切削的过程中振动比较严重,既影响了机床的加工精度和加工表面质量,又加速了刀具的磨损和损坏。因此,研究滚珠丝杠副直线导轨进给单元动态性能具有很重要的理论和现实意义。采用理论分析与试验研究相结合的方法,依据动力学理论,Hertz接触理论、振动理论及试验模态分析理论,研究了滚珠丝杠副直线导轨进给单元的动态特性。
 
       研究内容主要包括:考虑进给单元中滚珠丝杠副、直线导轨副及支承轴承等结合面的影响,对滚珠丝杠副直线导轨进给单元进行了动力学建模,并根据拉格朗日方程推导了进给单元的振动微分方程,获得了进给单元的质量矩阵、刚度矩阵及阻尼矩阵。考虑两端支承轴承的影响,应用Hertz接触理论,分析了在外加工作载荷作用下滚珠丝杠进给系统的接触变形及刚度,得出了单、双螺母滚珠丝杠副轴向接触刚度的影响因素并进行了对比分析。
 
       建立直线滚动导轨副接触刚度模型。该模型充分考虑外加载荷,滚珠个数,滚珠预变形量等的因素对接触刚度的影响。在此基础上,以LSA-45G型号直线滚动导轨副为例,计算得到了滚动直线导轨副的Y向和Z向的接触刚度值。
 
       采用的是试验模态分析技术,对于滚珠丝杠副直线导轨进给单元试验台进行了模态试验研究。通过了力锤激励试验,获得了进给单元的主要模态参数,包括模态质量、模态刚度、模态阻尼以及相关振型。根据振动理论,考虑丝杠两端轴承的弹性支承作用,建立了丝杠在两端弹性支承条件下的频率方程,推导了其振型函数,并将振型函数进行了正则化。结合模态试验获得的模态参数,研究了滚珠丝杠副直线导轨进给单元的振动模型,进行了考虑直线滚动导轨副的滚珠丝杠进给单元和不考虑直线滚动导轨副的滚珠丝杠进给单元的有限元模态分析,并与试验结果进行了对比,分析了进给单元的薄弱环节,并提出了改进意见。
 
       直线导轨理论分析与试验研究结果表明:滚珠丝杠副中,滚珠与丝杠、螺母滚道结合面的轴向接触变形及刚度对滚珠丝杠副直线导轨进给单元的轴向动态特性有直接的影响。滚珠与丝杠、螺母滚道结合面的轴向接触变形及刚度受到轴向载荷、接触角、螺旋升角、滚珠个数、曲率比等设计参数的影响。合理设计滚珠丝杠副的结构参数可以提高滚珠丝杠副的轴向接触刚度。增大接触角可以使单螺母滚珠丝杠副的轴向接触刚度有明显的降低,而且呈非线性变化。滚珠个数与单螺母滚珠丝杠副轴向接触刚度的关系接近线性,随着滚珠个数的增加,轴向接触刚度也增加。螺旋升角对单螺母滚珠丝杠副的轴向接触刚度影响不显著。
 

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