并联驱动丝杠的浮动支承设计
时间:2011-02-27 11:04:37 来源:
1 前言
并联机构主要由杆件组成，重量轻，因此末端执行件的运动速度可以很高。将并联机构用于数控机床，可以大大提高其运动部件的进给速度，这是近年来并联机床受人注目的重要原因之一。但是并联机构自身的阻尼很小，故对振动抑制不利。
1.浮动支承 2.导向机构 3.压盖 4.丝杠固定支承 5.支座 6.丝杠螺母副 7.丝杠套筒
图1 电动机直接驱动P关节
另一方面，在利用其重量轻、速度快等优点的同时，又带来了因很大的加减速度而出现的振动力问题。此外，由于并联机构是由众多杆件组成的，其振动比较复杂，因此并联机构的振动问题是一个亟待解决的问题。
并联机构的P关节(直线运动)有很多种驱动形式，例如:液压驱动杆作轴向运动：电动机驱动丝杠，再通过安装在滑台上的关节带动杆移动：电动机带动丝杠回转，通过螺母带动杆作直线移动。
图 1的P关节驱动形式属于后者:丝杠的支承为固定支承，承受径向和轴向载荷，丝杠螺母副和固定在螺母上的丝杠套筒及其导向机构共同组成P关节。此结构中，一方面，丝杠高速回转，丝杠套筒沿导向机构直线移动而不转动：另一方面，丝杠套筒比较长，其圆柱度误差比较大。故而在丝杠的末端和丝杠套筒之间不能用固定支承。
因此丝杠只有一端有支承。当悬伸较长的丝杠(图1中螺母丝杠副中的螺母运动至上方时) 高速回转及加减速时，均有可能出现较大的横向振动。
本文从增强阻尼及提高横向抗振刚度的立场出发，提出并设计了一种可以抑制横向振动的浮动支承。
1.丝杠套筒 2.阻尼套支承座 3.丝杠 4.轴承 5.阻尼套 6.钢球 7.夹盖 8.锁紧螺母 9.轴承内挡圈 10.轴承外挡圈 11.弹簧
图2 抑振浮动支承结构
2 抑振浮动支承的结构形式
抑振浮动支承结构形式如图2所示，主要由丝杠、轴承、阻尼套、弹簧、丝杠套筒、夹盖、钢球、阻尼套支承座、锁紧螺母、轴承内挡环和轴承外挡环等组成。运动时轴承的内圈与丝杠一起回转，浮动支承与丝杠套筒之间为滚动摩擦。
3 弹簧阻尼器工作原理
将图2中的钢球、弹簧、阻尼套可以视为一个弹簧阻尼器，在阻尼套支承座的圆周方向可以设置多个这样的弹簧阻尼器，其中m为弹簧阻尼器的质量，k为弹簧刚度，c为阻尼，如图3所示。则其振动方程式为
| mx¨(t)+cx.(t)+kx(t)=f(t) |
(1) |
图3 减振系统
阻尼器的阻尼主要是阻尼套与浮动支承的支承座之间的切向接触阻尼。阻尼力的大小主要与阻尼套的材料、阻尼套与支承座之间的接触状态和丝杠的横向振动速度有关。弹簧起自位支承作用，它一方面是质量m的支承，同时又使浮动支承具有自位作力学模型用:
- 在套筒相对于丝杠作轴向运动时，即使套筒内孔有圆柱度误差，浮动支承的各个弹簧阻尼器的滚珠也都能保持与套筒内孔接触：
- 当丝杠有横向振动时，迫使浮动支承座中心恢复到平衡位置。
4 浮动支承参数的设计原则
当丝杠上有横向振动力Fejwt作用时，将产生横向的弯曲振动。设置浮动支承的目的就是为了减小或抑制Fejwt的作用。当丝杠直径确定后，浮动支承的径向尺寸也就限定了。为了尽可能扩大有效行程，浮动支承的轴向尺寸要尽量紧凑。因此设计浮动支承时应注意以下原则: (1)浮动支承的综合抗弯刚度要高。浮动支承的综合抗弯刚度包括弹簧阻尼器的弹簧刚度、浮动支承座的轴承刚度及丝杠轴端的抗弯刚度。注意不能因提高弹簧刚度而降低丝杠轴端的抗弯刚度。(2)选择合适的阻尼套接触状态。弹簧阻尼器的阻尼主要来自阻尼套与浮动支承座间的接触阻尼，单位面积的接触阻尼为
式中:c为切向接触阻尼：pn为接触面的法向接触压力：a、b为与接触面材料、加工方法、振动频率等有关的系数。一般来说，接触压力越大，阻尼越大。但接触压力大，摩擦磨损也大。因此在增大阻尼的同时，不能使阻尼套摩擦磨损过大或卡死。
5 结束语
本文给出了一种并联机构用丝杠浮动支承的结构形式和设计原则。设计时须根据具体设计条件(结构尺寸的限制、振动力的大小、结构本身的抗弯刚度等)进行合理设计。为了提高阻尼抑振的效果，可设计不同材料和结构形式的阻尼套。