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    高速螺母驅動型滾珠絲杠副動力學特性研究

    TIME:2014/12/16 9:14:18 來源:牟世剛 點擊數

    數控機床的大型化和高速化,不 但要求機床軸轉速不斷提高,而且進給速度也要求越來越快。常規的滾珠絲杠副,尤其是大型、重型高檔數控機床用的大行程絲杠副,自身重量較螺母大得多,因 此絲杠旋轉慣性力很多,導致發熱、變形和能耗嚴重,變形的絲杠在旋轉過程中又會產生振動和噪聲,降低了設備的工作精度。這是目前一個亟待解決的問題。因此 本研究根據運動的相對性,提出新型“螺母驅動滾珠絲杠副”,把傳統的“絲杠驅動方式”改為“螺母驅動方式”。 本研究借助于數學建模、力學分析、計算分析軟件和實驗研究等方法,在構建滾動體運動學、接觸模型及進給系統結構動力學模型基礎上,對螺母驅動滾珠絲杠副 高速傳動性能進行研究,研究內容要包括: 1.根據運動學理論,對高速螺母驅動滾珠絲杠副滾動體運動學進行分析。求解了滾珠滾動速度與驅動螺母軸轉速之間的運動關系,推導出滾動體公轉和自轉角速 度,求取雙螺母內滾動體接觸點位置及滑動速度。理論分析得出相同驅動速度時螺母驅動滾珠絲杠副滾動體公轉和自轉角速度低于傳統的絲杠驅動滾珠絲杠副滾 動體公轉和自轉角速度。 2.根據Hertz接觸理論,對高速螺母驅動滾珠絲杠副滾動體接觸特性進行分析。建立了軸向載荷、慣性效應、位移約束聯合作用下的高速螺母驅動型滾珠絲 杠副接觸分析模型,應用迭代法求解非線性方程組,分析了不同轉速和軸向力等工況下滾珠絲杠副接觸參數的變化規律。根據理論計算求取系統進給加速度。結果表 明滾珠絲杠副高速運動時,螺母組件內接觸角、法向載荷以及彈性變形隨轉速和軸向載荷的變化而變化。與絲杠驅動型相比采用相同額定轉矩電機驅動,螺母驅動滾珠絲杠副降低了傳動系統轉動慣量,進而降低系統驅動能耗,螺母驅動滾珠絲杠副可獲得更高進給加速度,更具有高速性。 3.對預緊力可調的雙螺母驅動滾珠絲杠副進給系統進行結構動力學分析,首先建立滾珠絲杠副結構動力學模型。分析了預緊力的變化對固有頻率的影響規律, 要設計參數的變化對系統低階固有頻率的影響。結果表明,進給系統固有頻率具有時變性。與傳統的絲杠驅動型相比,采用螺母驅動滾珠絲杠副,提高了進給系統 低階固有頻率,可使系統具有更寬的通頻帶,提高系統的速度環增益和位置環增益,從而提高整個系統的快速響應能力和加工精度。 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生機理。研究軸向載荷、軌道制造誤差等對摩擦力矩的影響,分析了摩擦力知低頻波動的原因。運 用彈流動力潤滑理論分析滾珠絲杠副的潤滑狀態。結果表明軸向載荷、滾道波紋度是對摩擦力矩波動性影響很大。 7.研制了螺母驅動滾珠絲杠副并實際應用,借助超長軸鍵槽銑削機床對螺母驅動滾珠絲杠副和絲杠驅動滾珠絲杠副進行了振動響應實驗和溫升測試實驗。實 驗研究表明螺母驅動滾珠絲杠副系統第一階固有頻率大于絲杠驅動滾珠絲杠副第一階固有頻率,在相同工作環境下絲杠驅動滾珠絲杠副傳動機構絲杠溫升總體 大于螺母驅動情況下絲杠的溫升。 本研究為高速精密滾珠絲杠副的設計、制造提供了理論和技術支持,為研制開發具有完全自知識產權的高速精密滾珠絲杠副指出了一條切實可行的途徑,對提高我 國數控機床的制造水平有較大的理論意義和實際應用價值。

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