双丝杠驱动进给单元轴向刚度模型及影响因素分析

双丝杠驱动进给单元轴向刚度模型及影响因素分析

许向荣;鹿群鹏;宋现春;姜洪奎

【摘要】双丝杠驱动进给单元在高性能数控机床中的应用较为广泛,研究其动态特性对于提高数控机床的加工性能具有重要的意义.文章基于关键滚动功能部件结合面刚度各个方向耦合的影响,围绕双丝杠驱动进给单元轴向刚度进行了研究分析,通过研究双丝杠驱动进给单元的轴向刚度模型,结合动力学和Hertz接触理论的相关知识,推导其各组成部分的刚度计算公式,探索其主要影响因素及关系曲线.结果表明:双丝杠驱动进给单元的轴向刚度主要受到滚珠丝杠副、支承轴承的结构参数,螺母位置以及两根丝杠跨距的影响;支承轴承结构参数的变化,会引起进给单元轴向刚度的明显变化;螺母位置是进给单元轴向刚度的主要影响因素,在两端固定的方式下其轴向刚度中间最小,在机床加工过程中,应尽量避免在丝杠的中间位置进行操作.【期刊名称】《山东建筑大学学报》

【年(卷),期】2016(031)002

【总页数】8页(P125-132)

【关键词】结合面;双丝杠驱动;进给单元;轴向刚度

【作者】许向荣;鹿群鹏;宋现春;姜洪奎

【作者单位】山东建筑大学机电工程学院,山东济南250101;山东建筑大学机电工程学院,山东济南250101;山东建筑大学机电工程学院,山东济南250101;山东建筑大学机电工程学院,山东济南250101

【正文语种】中文

【中图分类】TH132.1

与传统的单丝杠驱动进给系统相比，双丝杠驱动进给系统有很大的优势，如高精度、高刚度、低振动等，因此，双丝杠驱动进给系统日益成为高性能数控机床、加工中心研究领域的一个热点[1-3]。

目前，国内外学者纷纷围绕双丝杠驱动进给系统展开了理论和实验方面的研究。Hiramoto等介绍了重心驱动原理，设计了工作台和主轴均采用重心驱动的机床模型和实际的双驱动进给系统的实验模型，通过实验发现重心驱动进给系统可以明显地减小机床的振动[1]，但是缺乏理论支持。Gomand等采用理论建模的方法，建立了龙门数控机床双驱动进给系统的数学模型，推导了丝杠轴向振动方程，并分析了丝杠变形对其静动态特性的影响[2]。

而国内这方面的研究起点较晚，但随着高性能数控机床的快速发展，各科研院所也加快了对双驱动进给系统的研究。何王勇等仅考虑双滚珠丝杠同步驱动轴的同步轴间负载耦合关系及丝杠、螺母的轴向扭转耦合关系的影响，建立了其动力学模型，推导了动力学方程，并对其固有频率进行了理论计算[3]。唐余林和芮执元等以铣

车复合加工中心双驱进给系统为研究对象，将双丝杠耦合转化到横梁的各个方向上的运动，建立了双驱进给系统动力学模型及其动力学方程，并进行了模态分析与谐响应分析，找到了系统的薄弱环节，并对其进行了优化[4-5]。郭崇高等采用有限

元分析和虚拟样机技术，建立了双驱动进给系统动力学模型，采用拉格朗日方程，推导了系统运动微分方程，获得了其主要模态参数，最后对其进行了模态分析和谐响应分析，得出两对导轨滑块与两根丝杠跨距等对系统动态性能的影响，并提出了相应的改进措施[6]。丁喜合等建立了二自由度系统振动模型，采用单因素分析方

法研究了丝杠跨距和导轨跨距对双丝杠驱动进给系统动态特性的影响[7-9]。但是

对于导轨跨距的影响研究中没有考虑导轨法向结合面的刚度。白茹通过拉格朗日方程在广义坐标下的变换建立了双驱滚珠丝杠进给系统的实体模型，并设计了加工中

心双驱进给系统动态性能实验平台，对双驱滚珠丝杠进给系统的动态特性进行了分析，提出了双驱进给系统的改善措施,为进一步研究奠定了理论基础[10]。夏田等

建立了双丝杠驱动工作台动力学模型，找到了位置响应的主要因素，对重心驱动工作台结构进行了改进，并建立了有限元分析模型，进行了模态分析和谐响应分析。其研究发现进给轴刚度是影响位置精度的关键因素，恰当选择导轨的间距对提高工作台的动态响应性能有重要的作用[11]。杨勇等采用理论建模的方法，对MCH63卧式加工中心“重心驱动”机构建立了动力学模型，通过实验获得了导轨结合面的刚度和阻尼值，并计算分析了导轨结合面刚度、阻尼值及“重心驱动”结构对机床动力学性能的影响[12]。

上述对于双丝杠驱动进给系统的研究,多数采用建立动力学模型，推导动力学方程，有限元模态分析和谐响应分析的思路对进给系统动态特性进行研究，没有专门针对系统刚度进行的研究。因此，文章考虑结合面刚度各个方向耦合的影响，建立了双丝杠驱动进给单元的动力学模型，并在此基础上建立了其轴向刚度模型，分析研究了影响进给单元刚度的主要因素，获得了其相应的关系曲线，为后面分析双丝杠驱动进给单元的动态特性奠定了基础。

双丝杠驱动进给单元结构组成示意图，如图1(a)所示，主要包括：两台相同型号

的伺服电机，两套相同型号的滚珠丝杠副，两套相同型号的支承轴承，两套相同型号的直线滚动导轨副以及拖板组成。由两台伺服电机同步驱动两套滚珠丝杠副带动拖板沿着直线滚动导轨副做往复直线运动，实现进给驱动。

由于60%的机床振动产生于其结合部[13-14]，因此在研究双丝杠驱动进给单元的动态特性时，不能忽略结合面的影响，尤其是其主要滚动功能部件，如滚珠丝杠副、滚动轴承、直线滚动导轨副结合部的影响。这三种部件作为双丝杠驱动进给单元的关键部件，其变形及刚度对整个系统的变形及刚度特性都有很重要的影响。因此，在该部分里，文章依据动力学相关理论，建立了双丝杠驱动进给单元动力学模型，

如图1(b)所示。并在此基础上建立了进给单元的轴向刚度模型。然后，基于Hertz 接触理论[15]，推导了滚珠丝杠副、支承轴承结合面的接触变形和接触刚度的计算公式，进而获得进给单元的轴向刚度计算公式；最后，通过实例计算分析研究了其各个设计参数对进给单元轴向刚度的影响。

依据图1(b),可以建立双丝杠驱动进给单元的轴向刚度模型，如图1(c)所示。

从图1(c)可以看出，由弹簧串、并联的刚度系数计算方法可得出双丝杠驱动进给单元的轴向刚度由式(1)、(2)表示为

式中：Kfi(i=1、2)为第i根滚珠丝杠传动系统的轴向刚度，N/mm，可以根据式(2)进行计算，Ksi(i=1、2)是滚珠丝杠副结合面的轴向刚度，N/mm；kφsi(i=1、2)是滚珠丝杠扭转—轴向耦合刚度，N/mm；Kbbil(i=1、2)、Kbbir(i=1、2)分别是左、右端支承轴承结合面的轴向刚度，N/mm；Kφbbil(i=1、2)、Kbbir(i=1、2)分别是左端轴承扭转—轴向耦合刚度，N/mm；Ksgi(i=1、2)是由拖板耦合引起的滚珠丝杠轴向刚度，N/mm。

2.1 滚珠丝杠副结合面的轴向刚度计算

相关研究表明，两个曲面物体互相接触、挤压，其在接触部位的应力分布与接触面的形状、尺寸及表面粗糙度等许多因素有关[14]。1881年，Hertz指出两光滑弹性体在相互作用的力下发生的接触变形及应力分布应满足Hertz接触假设[15]：

(1) 接触物体只产生弹性变形，服从胡克定律。

(2) 接触表面充分光滑，不考虑接触面的介质以及动摩擦力的影响。

(3) 接触面的尺寸与接触物体表面的曲率半径相比是小量。

满足上述假设的接触为赫兹接触。

在上述假设下，忽略工作载荷分布不均匀的影响，单螺母丝杠副在法向载荷Q作用下，螺母滚道面

与丝杠滚道面间由于法向弹性接触变形所产生的弹性变形量[16-18]δn由式(3)表