双丝杠驱动直线导轨进给单元动态耦合性能机理研究

With the development of high speed, high precision and high efficient NC machine tools and machining center, there are higher and higher requirements put forward for the dynamic performance of ball screw feed system. In many large, heavy-load cutting machine, double ball screw driven linear guide feed unit with high stiffness, good vibration resistance has been applied. The project reveals the dynamic coupling characteristics mechanism of double ball screw driven linear guide feed unit. .The main contents in detail are as follows:.1)Considering the mutual coupling between the axial vibration and torsional vibration of the screw and the nut, and between the axial vibration, radial vibration and torsional vibration of rolling bearing inner and outer rings and the roller, between the normal vibration and lateral vibration of linear guide and slide block, dynamic model will be established of double ball screw driven linear guide feed system;.2)The influence of contact coupling characteristics of ball screws, rolling bearings and linear guide pair on dynamic characteristics of the feed unit will be investigated; .3)The dynamic coupling characteristics mechanism of double ball screw driven linear guide feed unit will be analyzed qualitatively and quantitatively . .This project aims to reveal the dynamic coupling characteristics mechanism of double ball screw driven linear guide feed unit under heavy load, and master the vibration characteristics of itself, and provide theoretical basis and technical support for the optimization design and dynamic control of double ball screw driven linear guide feed unit.

随着数控机床、加工中心向高速、高精、高效方向的不断发展，对滚珠丝杠进给系统的动态性能提出了越来越高的要求。在许多大型、重载切削机床上，双丝杠驱动直线导轨进给单元以其高刚度、良好的抗振性得到了应用。本项目以双丝杠驱动直线导轨进给单元为研究对象，揭示其动态耦合特性机理。具体包括：考虑双丝杠驱动的丝杠与螺母的轴向振动及扭转振动之间、滚动轴承内外圈与滚珠的轴向振动、径向振动及扭转振动之间、直线导轨与滑块的法向振动及侧向振动之间的相互耦合作用，建立双丝杠驱动直线导轨进给单元的动力学模型；研究滚珠丝杠副、滚动轴承及直线导轨副的接触耦合特性对进给单元动态性能的影响规律；从定性和定量两个方面分别研究双丝杠驱动直线导轨进给单元的动态耦合特性机理。本项目旨在揭示重载下双丝杠驱动直线导轨进给单元的动态耦合特性机理，掌握其振动动力特性规律，为双丝杠驱动直线导轨进给单元的优化设计、动力学控制提供理论基础和技术支持。

本项目以双丝杠驱动直线导轨进给单元为研究对象，揭示了其动态耦合特性机理。.根据机械系统动力学理论，考虑丝杠的轴间耦合，丝杠螺母副的轴向振动及扭转振动之间、滚动轴承内外圈与滚珠的轴向振动、径向振动及扭转振动之间、直线导轨与滑块的法向振动及侧向振动之间的耦合作用，建立了双丝杠驱动直线导轨进给单元的动力学模型，利用拉格朗日方程推导了其振动微分方程；分析研究了进给单元中滚珠丝杠副、滚动轴承、直线导轨副结合面的接触耦合特性，获得了其结合面刚度参数；设计了双丝杠驱动直线导轨进给单元工作台，并以此为例，对其主要模态参数进行了计算，获得了其固有频率；分析研究了影响进给单元轴向刚度的主要因素；利用有限元仿真软件ANSYS对进给单元进行了模态仿真，获得了其主要模态参数，并与理论计算结果进行对比，找到了进给单元的薄弱环节；针对进给单元试验台进行了改进设计，增大了其丝杠直径及丝杠跨距，对其进行了有限元模态仿真，并与改进前的仿真结果进行了对比，为后续进给单元的优化设计奠定了基础。.研究发现：.双丝杠驱动直线导轨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、支承方式及丝杠跨距的影响。除曲率比外，滚珠丝杠副、支承轴承的各结构参数都使其轴向刚度有明显的提高，而且呈非线性变化。横梁引起的丝杠间耦合刚度所占比例最大，且螺母位置及其支承方式是最主要的影响因素：两端固定时，其轴向刚度两端最强，中间最弱，故在加工过程中要尽可能避免中间位置处的操作。丝杠跨距的增加也使其轴向刚度呈线性增大。因此，设计时要寻找最优滚珠丝杠副和支承轴承的结构参数，合理布置螺母位置，选择支承方式和丝杠跨距，有利于提高进给单元的轴向刚度。.找到了进给单元的薄弱环节——丝杠以及横梁。丝杠的动刚度较薄弱，需要加强，设计中要尽可能选择较大的丝杠直径，以提高丝杠本身的刚度，进而提高进给单元的整体刚度。横梁的变形主要跟丝杠跨距有关。当丝杠跨距较小时，横梁两端受力比较大，因而变形较大；跨距较大时，横梁中心受力比较大，因而变形较大。所以设计中丝杠跨距尽可能取较大值，以提高进给单元的整体刚度。.本项目的研究内容是数控机床滚珠丝杠进给系统的共性基础问题，所取的成果为双丝杠驱动直线导轨进给单元的优化设计、动力学控制提供了理论基础和技术支持，因而具有重要的理论意义与广阔的工程应用前景。