長跨滾珠絲杠振動分析及減振提速方案
長跨滾珠絲杠振動分析及減振提速方案
大型高速機(jī)床中的長跨滾珠絲杠由于行程長、長直徑比過大，導(dǎo)致運(yùn)行中撓度大、抖動等一系列問題，嚴(yán)重影響機(jī)床的動態(tài)性能。根據(jù)不同的絲杠結(jié)構(gòu)和滾珠絲杠驅(qū)動模式，分析了長絲杠振動模式對機(jī)床臨界速度和傳動精度的影響。
傳統(tǒng)的絲杠旋轉(zhuǎn) - 螺母移動滾珠絲杠副在水平安裝時，由于滾珠絲杠副旋轉(zhuǎn)慣性力大，能耗增加，振動嚴(yán)重。而且由于長絲杠撓度變形大，高速旋轉(zhuǎn)的絲杠更容易橫向振動。細(xì)長結(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。長跨度絲杠傳動多采用絲杠固定，螺母旋轉(zhuǎn)驅(qū)動，即螺母旋轉(zhuǎn)時沿固定絲杠作為軸向移動。
由于作為轉(zhuǎn)速上限的旋轉(zhuǎn)絲杠沒有臨界轉(zhuǎn)速限制，可以提高系統(tǒng)的傳動速度和伺服剛度，但固定絲杠結(jié)構(gòu)中仍必須考慮固有撓曲頻率。這通常通過增加滾珠絲杠的直徑和增加絲杠的預(yù)拉伸來解決。然而，有時增加滾珠絲杠的直徑并不明顯，但會導(dǎo)致螺母旋轉(zhuǎn)慣性急劇增加，無法適應(yīng)驅(qū)動電機(jī)和減速器慣性；增加絲杠預(yù)拉伸力會直接導(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)動精度，增加運(yùn)動噪聲。
在進(jìn)行長跨度絲杠振動分析時，可視為簡支梁模型。在自然重力的作用下，簡支梁在梁的中間會出現(xiàn)最大的撓曲變形。做絲杠分析時，為了減少分析時間，首先要簡化結(jié)構(gòu)，去除對分析結(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，必須檢查臨界速度。一般來說，在剛性支撐下進(jìn)行理論計(jì)算。以下是絲杠旋轉(zhuǎn) - 螺母移動滾珠絲杠的臨界速度分析和計(jì)算。
在選擇滾珠絲杠時，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，滾珠絲杠的臨界速度由一級固有頻率決定。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，將固定的滾珠絲杠作為軸向移動的螺母旋轉(zhuǎn)滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)，擺脫了絲杠旋轉(zhuǎn)時兩端支撐結(jié)構(gòu)形式和跨度對臨界速度的限制。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)振動模劃分，絲杠振動主要包括橫向振動和縱向振動，以及點(diǎn)扭轉(zhuǎn)振動。螺桿本身不旋轉(zhuǎn)，因此扭轉(zhuǎn)振動可以忽略不計(jì)。
絲杠的預(yù)拉伸力不影響其縱向振動的微應(yīng)力分析，因此絲杠的縱向振動頻率和振動類型不受預(yù)拉伸力的影響。以下重點(diǎn)分析了絲杠預(yù)拉伸力對絲杠橫向振動類型的影響。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。
對于長跨度絲杠，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)動形式較高，但受振動嚴(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抑制長跨度絲杠的振動，以達(dá)到加速的效果。
通過以下方式抑制振動，提高速度：
一般來說，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，增加導(dǎo)線，進(jìn)給速度無疑會加快，特別適用于限制臨界速度的長跨度絲杠。
螺桿支撐的作用就像浮動軸承，浮動支撐和螺母相對固定。通過傳感器自動控制支撐單元的開閉，避免撞擊兩端軸承座。當(dāng)工作臺移動到絲杠中心時，支撐單元會在適當(dāng)?shù)臅r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度的前提下，減少了不支撐絲杠的長度，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)動螺母旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動執(zhí)行部件移動，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軸承、同步帶輪和用于相對滾珠螺母旋轉(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)動電機(jī)直接驅(qū)動滾珠螺母旋轉(zhuǎn)，使驅(qū)動部件移動，可克服絲杠自重引起的下垂問題，降低發(fā)熱、旋轉(zhuǎn)慣性和噪聲，特別是提高進(jìn)給速度。
對于高速大行程機(jī)床，長跨度絲杠的振動與機(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。通過有限元分析可以發(fā)現(xiàn)，由于振動劇烈和臨界速度的限制，長跨線旋轉(zhuǎn)驅(qū)動結(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)形式可以通過增加絲杠導(dǎo)程、空心絲杠、軸向預(yù)拉力和輔助支撐來實(shí)現(xiàn)減振和高速的目標(biāo)。
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