滚珠丝杠副系统抗共振特性分析

    0 引言

    滚珠丝杠副因其定位精度好、刚度高、摩擦系数小等特点，被广泛应用于各种工业设备、精密仪器的进给机构，尤其在精密数控机床的直线驱动执行单元中应用较多［1］。我国制造业基础设施落后，制造加工工艺不够精良。滚珠丝杠副加工精度不高，转速上不去，直接制约了其所应用的机床等精密设备的性能，这就需要我们对滚珠丝杠副动力学性能有更深入的了解。模态特性分析可用来确定结构的各阶固有频率和振型特点，是进行瞬态动力学和谐响应等分析的基础。

    目前关于滚珠丝杠副系统动力学特性的有限元分析还比较少［2-4］，且仅限于对丝杠模态及将滚珠简化后对进给系统的某一位置进行谐响应分析，未对螺母位置、支撑方式、工作台及两端支撑轴承对滚珠丝杠副系统模态特性的影响进行系统研究，且很少经过试验验证有限元计算结果的准确性。而螺母位置、工作台及两端支撑均对滚珠丝杠副系统模态特性有直接影响。因此，本文针对滚珠丝杠副结构特点，装配完整系统模型，探讨了螺母位置、支撑方式、工作台及两端支撑轴承对滚珠丝杠副系统模态特性的影响，并进行试验验证。

    1 滚珠丝杠副系统简述

    实际工况中螺母位置、支撑的方式、所连接的工作台及两端支撑轴承的刚度对系统模态特性都有着影响。本文选用某公司 DK5025 型滚珠丝杠副( 主要杠副两端分别选用角接触球轴承( 7006AC/P4) 和深沟球轴承( 6006/P5) 作为支撑轴承。

    2 滚珠丝杠副系统模型的建立

    2. 1 滚珠丝杠副系统三维模型的建立

    考虑到在有限元分析中小尺寸的键槽、倒角并不影响结构动态特性，故在建模时可将其忽略［5，6］。由于丝杠螺纹长度较长，导入有限元软件会引起大量失真，故仅在螺母所在位置附近画出螺纹。本文是在UG 三维设计软件中建立滚珠丝杠副系统各部件的模型，并保存为* ．igs 格式。

    2. 2 滚珠丝杠副系统有限元模型的建立

    将所建立的三维实体模型导入 Abaqus 有限元分析软件中。设置各部件材料属性为密度 7. 8e －9t / mm3，弹性模量 2. 1e5MPa，泊松比 0. 3。通过阵列平移等操作，将滚珠等部件按实际工况装配，滚珠丝杠副系统装配后如图 1 所示。对滚珠选用六面体，丝杠、螺母、工作台及轴承选用四面体和六面体进行网格划分，滚珠与滚道之间定义接触。

    对于结构特征值的计算，本文所选用的有限元分析软件 Abaqus 提供了子空间迭代法和 Lanczos法。子空间迭代法求解较慢，但精度相对较高，而lanczos 法采用稀疏矩阵求解器，求解较快并可提取大量的模态。本文选用 lanczos 法对结构模态进行求解。如图 1 所示，设丝杠左端始终为固定端，并定义丝杠螺纹柱面左侧端面为坐标原点，向右为坐标 X正方向，依次将螺母法兰右端面置于 X =0，200，400，600，800，1000，1200mm 处计算相关模态。