并聯(lián)驅(qū)動絲杠的浮動支承設(shè)計
時間:2011-02-27 11:04:37 來源:
1 前言
并聯(lián)機(jī)構(gòu)主要由桿件組成，重量輕，因此末端執(zhí)行件的運(yùn)動速度可以很高。將并聯(lián)機(jī)構(gòu)用于數(shù)控機(jī)床，可以大大提高其運(yùn)動部件的進(jìn)給速度，這是近年來并聯(lián)機(jī)床受人注目的重要原因之一。但是并聯(lián)機(jī)構(gòu)自身的阻尼很小，故對振動抑制不利。
1.浮動支承 2.導(dǎo)向機(jī)構(gòu) 3.壓蓋 4.絲杠固定支承 5.支座 6.絲杠螺母副 7.絲杠套筒
圖1 電動機(jī)直接驅(qū)動P關(guān)節(jié)
另一方面，在利用其重量輕、速度快等優(yōu)點(diǎn)的同時，又帶來了因很大的加減速度而出現(xiàn)的振動力問題。此外，由于并聯(lián)機(jī)構(gòu)是由眾多桿件組成的，其振動比較復(fù)雜，因此并聯(lián)機(jī)構(gòu)的振動問題是一個亟待解決的問題。
并聯(lián)機(jī)構(gòu)的P關(guān)節(jié)(直線運(yùn)動)有很多種驅(qū)動形式，例如:液壓驅(qū)動桿作軸向運(yùn)動：電動機(jī)驅(qū)動絲杠，再通過安裝在滑臺上的關(guān)節(jié)帶動桿移動：電動機(jī)帶動絲杠回轉(zhuǎn)，通過螺母帶動桿作直線移動。
圖 1的P關(guān)節(jié)驅(qū)動形式屬于后者:絲杠的支承為固定支承，承受徑向和軸向載荷，絲杠螺母副和固定在螺母上的絲杠套筒及其導(dǎo)向機(jī)構(gòu)共同組成P關(guān)節(jié)。此結(jié)構(gòu)中，一方面，絲杠高速回轉(zhuǎn)，絲杠套筒沿導(dǎo)向機(jī)構(gòu)直線移動而不轉(zhuǎn)動：另一方面，絲杠套筒比較長，其圓柱度誤差比較大。故而在絲杠的末端和絲杠套筒之間不能用固定支承。
因此絲杠只有一端有支承。當(dāng)懸伸較長的絲杠(圖1中螺母絲杠副中的螺母運(yùn)動至上方時) 高速回轉(zhuǎn)及加減速時，均有可能出現(xiàn)較大的橫向振動。
本文從增強(qiáng)阻尼及提高橫向抗振剛度的立場出發(fā)，提出并設(shè)計了一種可以抑制橫向振動的浮動支承。
1.絲杠套筒 2.阻尼套支承座 3.絲杠 4.軸承 5.阻尼套 6.鋼球 7.夾蓋 8.鎖緊螺母 9.軸承內(nèi)擋圈 10.軸承外擋圈 11.彈簧
圖2 抑振浮動支承結(jié)構(gòu)
2 抑振浮動支承的結(jié)構(gòu)形式
抑振浮動支承結(jié)構(gòu)形式如圖2所示，主要由絲杠、軸承、阻尼套、彈簧、絲杠套筒、夾蓋、鋼球、阻尼套支承座、鎖緊螺母、軸承內(nèi)擋環(huán)和軸承外擋環(huán)等組成。運(yùn)動時軸承的內(nèi)圈與絲杠一起回轉(zhuǎn)，浮動支承與絲杠套筒之間為滾動摩擦。
3 彈簧阻尼器工作原理
將圖2中的鋼球、彈簧、阻尼套可以視為一個彈簧阻尼器，在阻尼套支承座的圓周方向可以設(shè)置多個這樣的彈簧阻尼器，其中m為彈簧阻尼器的質(zhì)量，k為彈簧剛度，c為阻尼，如圖3所示。則其振動方程式為
| mx¨(t)+cx.(t)+kx(t)=f(t) |
(1) |
圖3 減振系統(tǒng)
阻尼器的阻尼主要是阻尼套與浮動支承的支承座之間的切向接觸阻尼。阻尼力的大小主要與阻尼套的材料、阻尼套與支承座之間的接觸狀態(tài)和絲杠的橫向振動速度有關(guān)。彈簧起自位支承作用，它一方面是質(zhì)量m的支承，同時又使浮動支承具有自位作力學(xué)模型用:
- 在套筒相對于絲杠作軸向運(yùn)動時，即使套筒內(nèi)孔有圓柱度誤差，浮動支承的各個彈簧阻尼器的滾珠也都能保持與套筒內(nèi)孔接觸：
- 當(dāng)絲杠有橫向振動時，迫使浮動支承座中心恢復(fù)到平衡位置。
4 浮動支承參數(shù)的設(shè)計原則
當(dāng)絲杠上有橫向振動力Fejwt作用時，將產(chǎn)生橫向的彎曲振動。設(shè)置浮動支承的目的就是為了減小或抑制Fejwt的作用。當(dāng)絲杠直徑確定后，浮動支承的徑向尺寸也就限定了。為了盡可能擴(kuò)大有效行程，浮動支承的軸向尺寸要盡量緊湊。因此設(shè)計浮動支承時應(yīng)注意以下原則: (1)浮動支承的綜合抗彎剛度要高。浮動支承的綜合抗彎剛度包括彈簧阻尼器的彈簧剛度、浮動支承座的軸承剛度及絲杠軸端的抗彎剛度。注意不能因提高彈簧剛度而降低絲杠軸端的抗彎剛度。(2)選擇合適的阻尼套接觸狀態(tài)。彈簧阻尼器的阻尼主要來自阻尼套與浮動支承座間的接觸阻尼，單位面積的接觸阻尼為
式中:c為切向接觸阻尼：pn為接觸面的法向接觸壓力：a、b為與接觸面材料、加工方法、振動頻率等有關(guān)的系數(shù)。一般來說，接觸壓力越大，阻尼越大。但接觸壓力大，摩擦磨損也大。因此在增大阻尼的同時，不能使阻尼套摩擦磨損過大或卡死。
5 結(jié)束語
本文給出了一種并聯(lián)機(jī)構(gòu)用絲杠浮動支承的結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計原則。設(shè)計時須根據(jù)具體設(shè)計條件(結(jié)構(gòu)尺寸的限制、振動力的大小、結(jié)構(gòu)本身的抗彎剛度等)進(jìn)行合理設(shè)計。為了提高阻尼抑振的效果，可設(shè)計不同材料和結(jié)構(gòu)形式的阻尼套。