高速螺母驅(qū)動型滾珠絲杠副動力學特性研究.pdf

1、數(shù)控機床的大型化和高速化，不但要求機床主軸轉(zhuǎn)速不斷提高，而且進給速度也要求越來越快。常規(guī)的滾珠絲杠副，尤其是大型、重型高檔數(shù)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(zhuǎn)慣性力很多，導致發(fā)熱、變形和能耗嚴重，變形的絲杠在旋轉(zhuǎn)過程中又會產(chǎn)生振動和噪聲，降低了設(shè)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(jù)運動的相對性，提出新型“螺母驅(qū)動型滾珠絲杠副”，把傳統(tǒng)的“絲杠驅(qū)動方式”改為“螺母驅(qū)動方式”。
　　 本研

2、究借助于數(shù)學建模、力學分析、計算分析軟件和實驗研究等方法，在構(gòu)建滾動體運動學、接觸模型及進給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動力學模型基礎(chǔ)上，對螺母驅(qū)動型滾珠絲杠副高速傳動性能進行研究，研究內(nèi)容主要包括:
　　 1.根據(jù)運動學理論，對高速螺母驅(qū)動型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(qū)動螺母軸轉(zhuǎn)速之間的運動關(guān)系，推導出滾動體公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)角速度，求取雙螺母內(nèi)滾動體接觸點位置及滑動速度。理論分析得出相同驅(qū)動速度時螺母驅(qū)動型滾珠絲杠副滾動體公轉(zhuǎn)

3、和自轉(zhuǎn)角速度低于傳統(tǒng)的絲杠驅(qū)動型滾珠絲杠副滾動體公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)角速度。
　　 2.根據(jù)Hertz接觸理論，對高速螺母驅(qū)動型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(yīng)、位移約束聯(lián)合作用下的高速螺母驅(qū)動型滾珠絲杠副接觸分析模型，應(yīng)用迭代法求解非線性方程組，分析了不同轉(zhuǎn)速和軸向力等工況下滾珠絲杠副接觸參數(shù)的變化規(guī)律。根據(jù)理論計算求取系統(tǒng)進給加速度。結(jié)果表明滾珠絲杠副高速運動時，螺母組件內(nèi)接觸角、法向載荷以及彈性變形隨轉(zhuǎn)速和

4、軸向載荷的變化而變化。與絲杠驅(qū)動型相比采用相同額定轉(zhuǎn)矩電機驅(qū)動，螺母驅(qū)動型滾珠絲杠副降低了傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量，進而降低系統(tǒng)驅(qū)動能耗，螺母驅(qū)動型滾珠絲杠副可獲得更高進給加速度，更具有高速性。
　　 3.對預(yù)緊力可調(diào)的雙螺母驅(qū)動型滾珠絲杠副進給系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)動力學分析，首先建立滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)動力學模型。分析了預(yù)緊力的變化對固有頻率的影響規(guī)律，主要設(shè)計參數(shù)的變化對系統(tǒng)低階固有頻率的影響。結(jié)果表明，進給系統(tǒng)固有頻率具有時變性。與傳統(tǒng)的絲杠驅(qū)

5、動型相比，采用螺母驅(qū)動型滾珠絲杠副，提高了進給系統(tǒng)低階固有頻率，可使系統(tǒng)具有更寬的通頻帶，提高系統(tǒng)的速度環(huán)增益和位置環(huán)增益，從而提高整個系統(tǒng)的快速響應(yīng)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(chǎn)生機理。研究軸向載荷、軌道制造誤差等對摩擦力矩的影響，分析了摩擦力矩低頻波動的原因。運用彈流動力潤滑理論分析滾珠絲杠副的潤滑狀態(tài)。結(jié)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。
　　

6、 5.研制了螺母驅(qū)動型滾珠絲杠副并實際應(yīng)用，借助超長軸鍵槽銑削機床對螺母驅(qū)動型滾珠絲杠副和絲杠驅(qū)動型滾珠絲杠副進行了振動響應(yīng)實驗和溫升測試實驗。實驗研究表明螺母驅(qū)動型滾珠絲杠副系統(tǒng)第一階固有頻率大于絲杠驅(qū)動型滾珠絲杠副第一階固有頻率，在相同工作環(huán)境下絲杠驅(qū)動型滾珠絲杠副傳動機構(gòu)絲杠溫升總體大于螺母驅(qū)動情況下絲杠的溫升。
　　 本研究為高速精密滾珠絲杠副的設(shè)計、制造提供了理論和技術(shù)支持，為研制開發(fā)具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的高速精密滾珠