并聯驅動絲杠的浮動支承設計
時間:2011-02-27 11:04:37 來源:
1 前言
并聯機構主要由桿件組成，重量輕，因此末端執行件的運動速度可以很高。將并聯機構用于數控機床，可以大大提高其運動部件的進給速度，這是近年來并聯機床受人注目的重要原因之一。但是并聯機構自身的阻尼很小，故對振動抑制不利。
1.浮動支承 2.導向機構 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 電動機直接驅動P關節
另一方面，在利用其重量輕、速度快等優點的同時，又帶來了因很大的加減速度而出現的振動力問題。此外，由于并聯機構是由眾多桿件組成的，其振動比較復雜，因此并聯機構的振動問題是一個亟待解決的問題。
并聯機構的P關節(直線運動)有很多種驅動形式，例如:液壓驅動桿作軸向運動：電動機驅動絲杠，再通過安裝在滑臺上的關節帶動桿移動：電動機帶動絲杠回轉，通過螺母帶動桿作直線移動。
圖 1的P關節驅動形式屬于后者: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向機構共同組成P關節。此結構中，一方面，絲杠高速回轉，絲杠套筒沿導向機構直線移動而不轉動：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。當懸伸較長的絲杠(圖1中螺母絲杠副中的螺母運動至上方時) 高速回轉及加減速時，均有可能出現較大的橫向振動。
本文從增強阻尼及提高橫向抗振剛度的立場出發，提出并設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.軸承內擋圈 10.軸承外擋圈 11.彈簧
圖2 抑振浮動支承結構
2 抑振浮動支承的結構形式
抑振浮動支承結構形式如圖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、軸承內擋環和軸承外擋環等組成。運動時軸承的內圈與絲杠一起回轉，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置多個這樣的彈簧阻尼器，其中m為彈簧阻尼器的質量，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
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和絲杠的橫向振動速度有關。彈簧起自位支承作用，它一方面是質量m的支承，同時又使浮動支承具有自位作力學模型用:
- 在套筒相對于絲杠作軸向運動時，即使套筒內孔有圓柱度誤差，浮動支承的各個彈簧阻尼器的滾珠也都能保持與套筒內孔接觸：
- 當絲杠有橫向振動時，迫使浮動支承座中心恢復到平衡位置。
4 浮動支承參數的設計原則
當絲杠上有橫向振動力Fejwt作用時，將產生橫向的彎曲振動。設置浮動支承的目的就是為了減小或抑制Fejwt的作用。當絲杠直徑確定后，浮動支承的徑向尺寸也就限定了。為了盡可能擴大有效行程，浮動支承的軸向尺寸要盡量緊湊。因此設計浮動支承時應注意以下原則: (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。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、振動頻率等有關的系數。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 結束語
本文給出了一種并聯機構用絲杠浮動支承的結構形式和設計原則。設計時須根據具體設計條件(結構尺寸的限制、振動力的大小、結構本身的抗彎剛度等)進行合理設計。為了提高阻尼抑振的效果，可設計不同材料和結構形式的阻尼套。