長(zhǎng)跨滾珠絲杠振動(dòng)分析及減振提速方案
大型高速機(jī)床中的長(zhǎng)跨滾珠絲杠由于行程長(zhǎng)、長(zhǎng)直徑比過(guò)大，導(dǎo)致運(yùn)行中撓度大、抖動(dòng)等一系列問(wèn)題，嚴(yán)重影響機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能。根據(jù)不同的絲杠結(jié)構(gòu)和滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)模式，分析了長(zhǎng)絲杠振動(dòng)模式對(duì)機(jī)床臨界速度和傳動(dòng)精度的影響。
傳統(tǒng)的絲杠旋轉(zhuǎn) - 螺母移動(dòng)滾珠絲杠副在水平安裝時(shí)，由于滾珠絲杠副旋轉(zhuǎn)慣性力大，能耗增加，振動(dòng)嚴(yán)重。而且由于長(zhǎng)絲杠撓度變形大，高速旋轉(zhuǎn)的絲杠更容易橫向振動(dòng)。細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的絲杠本身有固有的頻率，因此提高了臨界速度限制。長(zhǎng)跨度絲杠傳動(dòng)多采用絲杠固定，螺母旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，即螺母旋轉(zhuǎn)時(shí)沿固定絲杠作為軸向移動(dòng)。
由于作為轉(zhuǎn)速上限的旋轉(zhuǎn)絲杠沒(méi)有臨界轉(zhuǎn)速限制，可以提高系統(tǒng)的傳動(dòng)速度和伺服剛度，但固定絲杠結(jié)構(gòu)中仍必須考慮固有撓曲頻率。這通常通過(guò)增加滾珠絲杠的直徑和增加絲杠的預(yù)拉伸來(lái)解決。然而，有時(shí)增加滾珠絲杠的直徑并不明顯，但會(huì)導(dǎo)致螺母旋轉(zhuǎn)慣性急劇增加，無(wú)法適應(yīng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速器慣性；增加絲杠預(yù)拉伸力會(huì)直接導(dǎo)致滾珠絲杠螺距變化，縮短絲杠精度壽命，降低機(jī)床運(yùn)動(dòng)精度，增加運(yùn)動(dòng)噪聲。
在進(jìn)行長(zhǎng)跨度絲杠振動(dòng)分析時(shí)，可視為簡(jiǎn)支梁模型。在自然重力的作用下，簡(jiǎn)支梁在梁的中間會(huì)出現(xiàn)最大的撓曲變形。做絲杠分析時(shí)，為了減少分析時(shí)間，首先要簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，去除對(duì)分析結(jié)果影響不大的滾道?；诖?，建立了大型機(jī)床 X 軸進(jìn)給系統(tǒng)的絲杠模型。從結(jié)構(gòu)上看，絲杠進(jìn)給系統(tǒng)可分為絲杠旋轉(zhuǎn)型和螺母旋轉(zhuǎn)型，下面根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析比較。
根據(jù)滾珠絲杠系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)給系統(tǒng)必須有固有的頻率，這限制了絲杠的臨界速度。在選擇絲杠時(shí)，必須檢查臨界速度。一般來(lái)說(shuō)，在剛性支撐下進(jìn)行理論計(jì)算。以下是絲杠旋轉(zhuǎn) - 螺母移動(dòng)滾珠絲杠的臨界速度分析和計(jì)算。
在選擇滾珠絲杠時(shí)，為了防止共振，滾珠絲杠的工作速度應(yīng)避免臨界速度。當(dāng)結(jié)構(gòu)確定時(shí)，滾珠絲杠的臨界速度由一級(jí)固有頻率決定。建立固定在滾珠絲杠兩端的有限元模型，可視為剛性連接，限制兩端的所有自由度。
螺母旋轉(zhuǎn)時(shí)，將固定的滾珠絲杠作為軸向移動(dòng)的螺母旋轉(zhuǎn)滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)，擺脫了絲杠旋轉(zhuǎn)時(shí)兩端支撐結(jié)構(gòu)形式和跨度對(duì)臨界速度的限制。臨界速度值可以更高，提高速度。由于驅(qū)動(dòng)螺母帶入系統(tǒng)的能量較小，因此該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的共振遠(yuǎn)不如絲杠驅(qū)動(dòng)危險(xiǎn)。但這種結(jié)構(gòu)形式的進(jìn)給系統(tǒng)，進(jìn)給精度也受到絲杠振動(dòng)的影響，因此在這種情況下也必須考慮模態(tài)的固有頻率。根據(jù)振動(dòng)模劃分，絲杠振動(dòng)主要包括橫向振動(dòng)和縱向振動(dòng)，以及點(diǎn)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。螺桿本身不旋轉(zhuǎn)，因此扭轉(zhuǎn)振動(dòng)可以忽略不計(jì)。
絲杠的預(yù)拉伸力不影響其縱向振動(dòng)的微應(yīng)力分析，因此絲杠的縱向振動(dòng)頻率和振動(dòng)類型不受預(yù)拉伸力的影響。以下重點(diǎn)分析了絲杠預(yù)拉伸力對(duì)絲杠橫向振動(dòng)類型的影響。隨著預(yù)拉伸力的變化，可以看出預(yù)拉伸力越大，振幅值越小，隨著拉伸力的增加，減幅越小。
對(duì)于長(zhǎng)跨度絲杠，絲杠旋轉(zhuǎn)滾珠絲杠受到臨界速度的嚴(yán)重限制，雖然螺母旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)形式較高，但受振動(dòng)嚴(yán)重影響，增加直徑和預(yù)拉伸仍不能滿足機(jī)床高速進(jìn)給的要求。因此，必須采取其他措施來(lái)抑制長(zhǎng)跨度絲杠的振動(dòng)，以達(dá)到加速的效果。
通過(guò)以下方式抑制振動(dòng)，提高速度：
一般來(lái)說(shuō)，大導(dǎo)線，以前的觀點(diǎn)認(rèn)為，導(dǎo)線越大，越不利于保證導(dǎo)線的精度。隨著滾珠數(shù)量的減少，進(jìn)給系統(tǒng)的靜態(tài)剛度將急劇下降。當(dāng)絲杠速度相同時(shí)，增加導(dǎo)線，進(jìn)給速度無(wú)疑會(huì)加快，特別適用于限制臨界速度的長(zhǎng)跨度絲杠。
螺桿支撐的作用就像浮動(dòng)軸承，浮動(dòng)支撐和螺母相對(duì)固定。通過(guò)傳感器自動(dòng)控制支撐單元的開(kāi)閉，避免撞擊兩端軸承座。當(dāng)工作臺(tái)移動(dòng)到絲杠中心時(shí)，支撐單元會(huì)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候緊緊握住絲杠，從而提供必要的支撐。該裝置在不增加絲杠長(zhǎng)度的前提下，減少了不支撐絲杠的長(zhǎng)度，減少了絲杠的撓度變形，為提高彎曲臨界速度創(chuàng)造了條件。該裝置還減少了因絲杠撓度變形而截留的能量，這是絲杠振動(dòng)的主要原因。
螺母旋轉(zhuǎn)滾珠絲杠是伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)螺母旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部件移動(dòng)，在減少發(fā)熱、減少旋轉(zhuǎn)慣性和降低噪音方面具有良好的性能。特別是在提高進(jìn)給速度方面。螺母旋轉(zhuǎn)滾珠絲杠副包括滾珠絲杠、滾珠螺母、滾珠和用于循環(huán)滾珠的回珠器。螺母旋轉(zhuǎn)滾珠絲杠副還包括滾動(dòng)軸承、同步帶輪和用于相對(duì)滾珠螺母旋轉(zhuǎn)的外套。外套為安裝螺母，滾珠螺母與同步帶輪相連。螺母旋轉(zhuǎn)滾珠絲杠輔助設(shè)備由驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)滾珠螺母旋轉(zhuǎn)，使驅(qū)動(dòng)部件移動(dòng)，可克服絲杠自重引起的下垂問(wèn)題，降低發(fā)熱、旋轉(zhuǎn)慣性和噪聲，特別是提高進(jìn)給速度。
對(duì)于高速大行程機(jī)床，長(zhǎng)跨度絲杠的振動(dòng)與機(jī)床高速進(jìn)給能否實(shí)現(xiàn)密切相關(guān)。如何解決滾珠絲杠大跨度與高速進(jìn)給的矛盾，是工程技術(shù)難題。根據(jù)不同的工況要求，選擇不同的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)和不同的技術(shù)措施，以最低的成本最大限度地滿足高速行程機(jī)床的性能要求。通過(guò)有限元分析可以發(fā)現(xiàn)，由于振動(dòng)劇烈和臨界速度的限制，長(zhǎng)跨線旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)難以滿足高速進(jìn)給的要求。螺母旋轉(zhuǎn)絲杠固定的結(jié)構(gòu)形式可以通過(guò)增加絲杠導(dǎo)程、空心絲杠、軸向預(yù)拉力和輔助支撐來(lái)實(shí)現(xiàn)減振和高速的目標(biāo)。
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