宋現(xiàn)春樊明貞王皓陳洪建榮伯松
(1.山東建筑大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,山東 濟(jì)南250101;2.山東博特精工股份有限公司,山東濟(jì)寧272071)
滾柱直線導(dǎo)軌副是數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵功能部件,其制造水平的高低在很大程度上影響了數(shù)控機(jī)床的發(fā)展。由于具有承載能力強(qiáng)、接觸剛度高、摩擦阻力小、精度保持性好等優(yōu)點(diǎn),眾多企業(yè)將其運(yùn)用到工業(yè)生產(chǎn)中。
靜剛度表示滾柱直線導(dǎo)軌副在承受外載荷時(shí)抵抗變形的能力。疏亞雅[1]利用Hertz接觸理論分析了滾柱和滾道之間的受力關(guān)系,基于Palmgren公式建立了導(dǎo)軌副水平、垂直和繞主軸轉(zhuǎn)動(dòng)等3個(gè)方向的剛度模型,并對(duì)其進(jìn)行有限元分析,探究了預(yù)緊力及滑塊變形對(duì)靜剛度的影響,結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出,考慮群部變形所得靜剛度與試驗(yàn)數(shù)據(jù)更接近;張巍等[2]運(yùn)用齊次變換矩陣建立滾柱直線導(dǎo)軌副的剛度模型,分析了滾柱直線導(dǎo)軌副在不同預(yù)緊力和接觸角下彈性變形量,找到了滾柱直線導(dǎo)軌副不同預(yù)緊力和接觸角對(duì)其剛度特性的影響規(guī)律。
對(duì)導(dǎo)軌副動(dòng)力學(xué)分析的關(guān)鍵在于對(duì)其結(jié)合面的動(dòng)態(tài)特性研究。陳蓉等[3]基于ANSYS Workbench仿真軟件對(duì)不同預(yù)緊力下滾柱直線導(dǎo)軌副進(jìn)行仿真分析,得到各階固有頻率及振型,并結(jié)合模態(tài)試驗(yàn),分析出不同預(yù)緊力對(duì)滾柱直線導(dǎo)軌副振動(dòng)特性的影響規(guī)律。成建平等[4]利用彈簧單元代替結(jié)合面導(dǎo)軌與滑塊的接觸,采用Palmgren的經(jīng)驗(yàn)公式,通過(guò)等效法得到彈簧單元的等效剛度,并驗(yàn)證了滾柱直線導(dǎo)軌副高剛度的特性。Shimizu[5]通過(guò)多滑塊結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),以變形協(xié)調(diào)關(guān)系為基礎(chǔ)建立整體剛度模型,假設(shè)基礎(chǔ)是以多滑塊剛度一致進(jìn)行,但與實(shí)際情況契合度不高。Ohta等[6]發(fā)現(xiàn)滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的實(shí)測(cè)靜剛度值遠(yuǎn)小于理論計(jì)算值,其原因是導(dǎo)軌副預(yù)緊之后滑塊群部變形。還有學(xué)者對(duì)滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的滾動(dòng)體在承受偏載情況時(shí),進(jìn)行接觸力學(xué)分析,建立了剛度與負(fù)載之間的函數(shù)關(guān)系[7-8]。
預(yù)緊力對(duì)直線導(dǎo)軌副的動(dòng)靜剛度有直接的影響研究,通常采用增大滾柱直徑的方法增加預(yù)緊力,從而提高導(dǎo)軌副的剛度和承載性能。文章通過(guò)建立滾柱直線導(dǎo)軌副剛度模型,研究預(yù)緊力對(duì)滾柱直線導(dǎo)軌副彈性變形量及固有頻率的影響,從而為研究其剛度特性提供依據(jù)。
以濟(jì)寧博特精工股份有限公司的JSA-LZG45型滾柱直線導(dǎo)軌副為研究對(duì)象,該型號(hào)直線導(dǎo)軌副為四方向等載荷結(jié)構(gòu),相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。
在結(jié)合面的基礎(chǔ)參數(shù)中,剛度主要影響結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有頻率和振動(dòng)幅值,阻尼一般不影響系統(tǒng)固有頻率,且在靜力學(xué)分析中阻尼的存在并不影響分析結(jié)果。所以,在進(jìn)行有限元建立模型時(shí),采用等效法,將滑塊與導(dǎo)軌結(jié)合面之間的滾動(dòng)體等效為若干彈簧單元連接滑塊和導(dǎo)軌,分別布置在4個(gè)滾道內(nèi)滑塊長(zhǎng)度的1/4、1/2、3/4處[9-11],如圖1所示。
表1 JSA-LZG45型滾柱直線導(dǎo)軌副相關(guān)參數(shù)表
圖1 阻尼彈簧單元的剛度模型圖
靜剛度試驗(yàn)采用滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副靜剛度試驗(yàn)臺(tái)裝置進(jìn)行試驗(yàn)研究,如圖2所示。試驗(yàn)臺(tái)是由機(jī)械主體、控制系統(tǒng)及測(cè)試系統(tǒng)組成的。機(jī)械主體主要包括床身、支撐立柱、被測(cè)導(dǎo)軌副、上橫梁、加載頭、滑塊夾具和導(dǎo)軌夾具體等;控制系統(tǒng)主要包括驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、交流伺服電機(jī)和液壓比例加載系統(tǒng)等;測(cè)試系統(tǒng)主要包括稱(chēng)重傳感器和位移傳感器。
圖2 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副靜剛度試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)圖
試驗(yàn)臺(tái)的主要功能是測(cè)量在垂直載荷下滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的彈性變形量,在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)確定最大加載載荷(20%C),可測(cè)導(dǎo)軌副的規(guī)格為35、45、55和65型滾柱直線導(dǎo)軌副。試驗(yàn)臺(tái)采用液壓加載,加載方式主要有:(1)勻速施加,到達(dá)最大值后保持最大載荷一段時(shí)間,然后勻速卸載;(2)階梯式加載,按照最大加載力的百分比逐級(jí)加載,每階段勻速加載達(dá)到指定值后穩(wěn)壓一段時(shí)間,直到加載力的最大設(shè)定值,然后以同樣的方式卸載。試驗(yàn)采用階梯式加載,可實(shí)現(xiàn)直線導(dǎo)軌副液壓伺服的比例加載,加載力在0~100 kN連續(xù)可調(diào),滿足試驗(yàn)要求。
模態(tài)試驗(yàn)所采用的滾柱直線導(dǎo)軌副的結(jié)構(gòu)與有限元模型一致。采用DHL050型號(hào)的力錘傳感器對(duì)滑塊進(jìn)行激振,采用INV9822A型號(hào)的加速度傳感器(適用測(cè)量頻率比較高的機(jī)械結(jié)構(gòu))拾振。信號(hào)采集儀是東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所的INV3018C信號(hào)采集儀(8通道24位),模態(tài)分析軟件采用的DASP V10模態(tài)分析軟件。現(xiàn)場(chǎng)裝置如圖3所示。
圖3 模態(tài)試驗(yàn)測(cè)量裝置圖
錘擊法是現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中應(yīng)用較多的激勵(lì)方式,優(yōu)點(diǎn)在于體積小、易攜帶,試驗(yàn)的操作步驟簡(jiǎn)單,測(cè)試速度快,力錘產(chǎn)生的能量比較分散。由于LZG45型滾柱直線導(dǎo)軌副的結(jié)構(gòu)較小、質(zhì)量較輕,所以應(yīng)盡量減小其附加質(zhì)量及其影響。因此,在模態(tài)試驗(yàn)激勵(lì)時(shí)采用多點(diǎn)激勵(lì)單點(diǎn)輸出的方式進(jìn)行測(cè)量,傳感器固定位置不變,力錘敲擊所有的測(cè)點(diǎn),并且在力錘敲擊時(shí)應(yīng)注意脈沖為單脈沖,避免試件與力錘的回?fù)簟?/p>
1.2.1 無(wú)預(yù)緊力時(shí)彈簧剛度計(jì)算
由于滾柱直線導(dǎo)軌副為四方向等載荷型結(jié)構(gòu),當(dāng)滑塊受到不同方向的載荷時(shí),導(dǎo)軌副中總有2列滾柱承受外部載荷。每個(gè)滾柱在外部載荷的作用下與導(dǎo)軌、滑塊分別構(gòu)成一個(gè)接觸副,所有接觸副將產(chǎn)生彈性變形,從而使導(dǎo)軌副在力的方向上產(chǎn)生位移量[12-14]。采用Palmgren的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到每個(gè)滾柱的接觸剛度,從而得到彈簧單元的等效剛度。
在垂直載荷F作用下,直線導(dǎo)軌副的i1、i2、i3、i4列滾柱中,只有i1、i2列滾柱承受載荷[15],且每列滾柱承受的法向力為F′n,受力情況如圖4所示。
圖4 受垂直載荷時(shí)滾柱直線導(dǎo)軌副受力圖
每個(gè)滾柱受法向力F′n由式(1)表示為
式中:a為單列承載滾柱個(gè)數(shù);α為接觸角,°;F為垂直載荷,N。
由Palmgren的經(jīng)驗(yàn)公式[16-17],可求得每個(gè)接觸副的法向變形量δn,由式(2)表示為
式中:le為滾柱與滾道的有效接觸長(zhǎng)度,mm。
由于每個(gè)滾柱同時(shí)與滑塊和導(dǎo)軌構(gòu)成接觸副,且其在每個(gè)接觸副的法向位移將導(dǎo)致導(dǎo)軌副在垂直方向上的位移,所以導(dǎo)軌副垂直方向的位移量δv由式(3)表示為
單個(gè)滾柱的接觸剛度Kc由式(4)表示為
由于每個(gè)滾珠有2個(gè)接觸副,所以每根模擬彈簧剛度Ks由式(5)表示為
1.2.2 有預(yù)緊力時(shí)彈簧剛度計(jì)算
為了增加滾柱直線導(dǎo)軌副的剛度及運(yùn)動(dòng)時(shí)的精度,采用增大滾柱直徑的方法來(lái)施加預(yù)緊力。導(dǎo)軌副在垂直方向的彈性位移量δ0由式(6)表示為
式中:δd為滾柱直徑過(guò)盈量,mm。
i1、i2列滾柱產(chǎn)生的豎直方向作用力為F1,i3、i4列滾柱產(chǎn)生的豎直方向作用力為F2,由式(7)和(8)表示為
式中:δ為滾柱直線導(dǎo)軌副受垂直載荷時(shí)產(chǎn)生的彈性位移量,mm。
則求得垂直外載荷F由式(9)表示為
滾柱直線導(dǎo)軌副有預(yù)緊力時(shí),求其靜剛度要以i1、i2列滾柱剛剛失去預(yù)緊力時(shí)導(dǎo)軌副產(chǎn)生的垂直位移量來(lái)計(jì)算[18-19],即i1、i2列滾柱與滑塊脫離接觸,此時(shí)δ=δ0,則F1=0,總的外載荷F由式(10)表示為
所以,當(dāng)導(dǎo)軌副受預(yù)緊力時(shí),每根模擬彈簧的剛度由式(11)表示為
通過(guò)ANSYS Workbench仿真分析,得到不同預(yù)緊力對(duì)直線導(dǎo)軌垂直剛度的影響。分別取0.01C、0.05C和0.1C不同等級(jí)預(yù)緊力,在滑塊上分別施加2、4、6、8、10、12、14 kN 的垂直載荷,導(dǎo)軌副的變形量見(jiàn)表2。
表2 不同預(yù)緊力下直線導(dǎo)軌副的變形量表
將垂直外載荷與導(dǎo)軌副變形量之間的關(guān)系轉(zhuǎn)換為剛度曲線,如圖5所示。無(wú)預(yù)緊力時(shí),導(dǎo)軌副剛度為1 385.7 N/μm,輕預(yù)緊力時(shí)導(dǎo)軌副剛度為2 482.3 N/μm,中預(yù)緊力時(shí)導(dǎo)軌副剛度為2 713.2 N/μm,重預(yù)緊力時(shí)導(dǎo)軌副剛度為2 816.9 N/μm,因此,對(duì)滾柱直線導(dǎo)軌副施加預(yù)緊力可以顯著提高導(dǎo)軌副的剛度。當(dāng)施加輕預(yù)緊力時(shí),剛度曲線斜率是無(wú)預(yù)緊力時(shí)曲線斜率的1.8倍,導(dǎo)軌副的剛度變化明顯增大,繼續(xù)增大預(yù)緊力時(shí),剛度變化減小。同時(shí),預(yù)緊力過(guò)大會(huì)加大導(dǎo)軌副的磨損,降低其的運(yùn)行精度和工作壽命。因此,合理施加預(yù)緊力對(duì)導(dǎo)軌十分重要。
圖5 預(yù)緊力對(duì)導(dǎo)軌副垂直剛度的影響圖
取0.01C、0.05C、0.1C等3種不同的預(yù)緊力,根據(jù)表1的相關(guān)參數(shù),計(jì)算出對(duì)應(yīng)的模擬彈簧剛度分別為170.04、177.66、180.51 kN/mm。將建立的三維模型轉(zhuǎn)換成x_t格式,導(dǎo)入到Workbench中進(jìn)行仿真分析,得到不同預(yù)緊力下每階模態(tài)的振動(dòng)頻率,結(jié)果見(jiàn)表3,不同振型模態(tài)結(jié)果如圖6所示。可以看出,隨著預(yù)緊力的增加,各級(jí)固有頻率也隨之增大,說(shuō)明導(dǎo)軌副的固有頻率受預(yù)緊力的影響。
表3 不同預(yù)緊力下導(dǎo)軌副的固有頻率表/Hz
為了更加直觀的看出預(yù)緊力對(duì)導(dǎo)軌副固有頻率的影響,繪制了折線圖,如圖7所示。當(dāng)預(yù)緊力增大時(shí),各階固有頻率也相應(yīng)增大,這是因?yàn)橹本€導(dǎo)軌副的固有頻率與剛度呈正相關(guān),當(dāng)導(dǎo)軌副預(yù)緊力增大時(shí),其剛度也對(duì)應(yīng)提高,進(jìn)而各階固有頻率也相應(yīng)增長(zhǎng),說(shuō)明直線導(dǎo)軌副的固有頻率與預(yù)緊力之間也呈正相關(guān)。施加較小的預(yù)緊力時(shí),固有頻率增長(zhǎng)明顯,當(dāng)持續(xù)增大預(yù)緊力時(shí),直線導(dǎo)軌副固有頻率變化明顯變小,所以適當(dāng)增加預(yù)緊力可以提高導(dǎo)軌副動(dòng)態(tài)特性。同時(shí),預(yù)緊力過(guò)大也提高了接觸面的摩擦力。因此合理選擇預(yù)緊力大小直接影響直線導(dǎo)軌副的動(dòng)態(tài)性能。
圖6 滾柱直線導(dǎo)軌副的振型圖
圖7 預(yù)緊力對(duì)導(dǎo)軌副各階固有頻率的影響圖
在進(jìn)行靜剛度試驗(yàn)時(shí),為了消除滾柱直線導(dǎo)軌副與導(dǎo)軌夾具和滑塊夾具之間的間隙,需要對(duì)滾柱直線導(dǎo)軌副施加預(yù)加載荷,然后以位移傳感器調(diào)零時(shí)的數(shù)據(jù)為起點(diǎn)采集數(shù)據(jù)。隨著加載力的不斷增加,位移傳感器實(shí)時(shí)采集滾柱直線導(dǎo)軌副的變形量,稱(chēng)重傳感器實(shí)時(shí)記錄加載力的變化量,然后進(jìn)行垂直載荷的卸載,等到卸載完成后,得到相應(yīng)的載荷增量和導(dǎo)軌副變形量的數(shù)據(jù)。加載、卸載時(shí)導(dǎo)軌副靜剛度曲線如圖8所示。
圖8 加/卸載時(shí)靜剛度曲線圖
采用最小二乘法對(duì)載荷增量和相對(duì)變形量進(jìn)行擬合,得到被測(cè)樣件加載靜剛度和卸載靜剛度。可以看出,加載靜剛度曲線和卸載靜剛度曲線不完全重合,但非常接近,在允許的試驗(yàn)操作誤差范圍內(nèi),表明滾柱直線導(dǎo)軌副的性能滿足試驗(yàn)要求。
將加/卸載狀態(tài)下得到的剛度測(cè)量均值進(jìn)行平均得到試驗(yàn)剛度,試驗(yàn)靜剛度數(shù)據(jù)與Workbench仿真的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,結(jié)果見(jiàn)表4。每次加載或者卸載時(shí)靜剛度值浮動(dòng)較小,其范圍在5 N/μm內(nèi),加載與卸載相比靜剛度值偏差較大,范圍在15 N/μm內(nèi)。與仿真相比,試驗(yàn)綜合剛度誤差為13.1%,考慮到試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)量精度,導(dǎo)軌副及夾具的安裝精度,測(cè)量誤差在允許的范圍內(nèi)。因此,靜剛度試驗(yàn)臺(tái)測(cè)量的數(shù)據(jù)是可靠的。
表4 滾柱直線導(dǎo)軌副靜剛度試驗(yàn)數(shù)據(jù)表
試驗(yàn)以JSA-LZG45型滾柱直線導(dǎo)軌副為研究對(duì)象,分別選擇無(wú)預(yù)緊、輕預(yù)緊、中預(yù)緊、重預(yù)緊4種不同等級(jí)的預(yù)緊力導(dǎo)軌副進(jìn)行靜剛度試驗(yàn)測(cè)量,將其與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。預(yù)緊力的等級(jí)通過(guò)更換滾柱的型號(hào)來(lái)調(diào)節(jié),滑塊、導(dǎo)軌等采用同一樣件。為了提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性,其他變量全部統(tǒng)一。
根據(jù)位移傳感器在各數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的測(cè)量值,計(jì)算得到相對(duì)于預(yù)加載時(shí)的載荷及變形量。采用最小二乘法對(duì)載荷增量和相對(duì)變形量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理,通過(guò)數(shù)據(jù)擬合得到不同預(yù)緊力時(shí)導(dǎo)軌副靜剛度的對(duì)比曲線圖,如圖9所示。當(dāng)施加輕預(yù)緊力時(shí),導(dǎo)軌副的剛度變化明顯,靜剛度增長(zhǎng)量為835.58 N/μm,繼續(xù)增大預(yù)緊力時(shí),導(dǎo)軌副的剛度變化顯著減??;中預(yù)緊時(shí)靜剛度增長(zhǎng)量為91.49 N/μm;重預(yù)緊時(shí)靜剛度增長(zhǎng)量?jī)H為34.20 N/μm。試驗(yàn)表明:施加較小的預(yù)緊力就可以獲得較大的導(dǎo)軌副靜剛度,隨著預(yù)緊等級(jí)的增大,靜剛度的增長(zhǎng)量逐漸變小。
圖9 導(dǎo)軌副靜剛度試驗(yàn)對(duì)比曲線圖
將滾珠直線導(dǎo)軌副靜剛度仿真數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖10所示。靜剛度仿真值和試驗(yàn)值均隨著預(yù)緊力的增大而增大,但是導(dǎo)軌副靜剛度試驗(yàn)值均低于靜剛度仿真值,輕預(yù)緊時(shí),二者相差441.82 N/μm;中預(yù)緊時(shí),二者相差 581.23 N/μm。隨著預(yù)緊等級(jí)的增加,相同預(yù)緊等級(jí)時(shí)仿真與試驗(yàn)之間的偏差量逐漸變大。
圖10 滾柱直線導(dǎo)軌副靜剛度仿真與試驗(yàn)對(duì)比圖
模態(tài)試驗(yàn)主要是對(duì)導(dǎo)軌副進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析,獲得其固有頻率、振型、模態(tài)阻尼和模態(tài)剛度等模態(tài)參數(shù)。通過(guò)加速度傳感器和力錘傳感器獲得導(dǎo)軌副的振動(dòng)信號(hào),振動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集儀和模態(tài)分析軟件對(duì)結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析,獲得導(dǎo)軌副固有頻率、振型等關(guān)鍵參數(shù)。
滾柱直線導(dǎo)軌副的高階模態(tài)頻率都很高,力錘不能將高階模態(tài)激發(fā)出來(lái),也超出了所使用的傳感器的識(shí)別范圍。所得到的振型與仿真結(jié)果基本一致,基本確定試驗(yàn)操作的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)所采用的加速度傳感器是單軸加速度傳感器,只能拾取單維度的振動(dòng)位移,且在進(jìn)行激勵(lì)時(shí)只敲擊了滑塊上表面的測(cè)點(diǎn),忽略了滑塊側(cè)面的測(cè)點(diǎn)。所以在ADSP V10軟件中,用模態(tài)分析模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,只提取了滾珠直線導(dǎo)軌副滑塊的低階模態(tài)。
試驗(yàn)采用輕預(yù)緊、中預(yù)緊和重預(yù)緊3種預(yù)緊等級(jí)的導(dǎo)軌副進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn),在相同試驗(yàn)條件下進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果見(jiàn)表5??梢钥闯?,不同預(yù)緊力等級(jí)下導(dǎo)軌副試驗(yàn)?zāi)B(tài)值和仿真模態(tài)值基本吻合。隨著導(dǎo)軌副預(yù)緊力增大,其固有頻率也隨之增大。
表5 不同預(yù)緊力等級(jí)導(dǎo)軌副固有頻率數(shù)據(jù)表/Hz
文章建立了滾柱直線導(dǎo)軌副的阻尼彈簧單元的剛度模型,基于ANSYS workbench有限元仿真分析了預(yù)緊力對(duì)滾柱直線導(dǎo)軌副剛度特性的影響規(guī)律,并結(jié)合試驗(yàn)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。主要結(jié)論如下:
(1)施加較小的預(yù)緊力就可以獲得較大的導(dǎo)軌副靜剛度,但隨著預(yù)緊等級(jí)的增大,靜剛度的增長(zhǎng)量逐漸變小。對(duì)滾柱直線導(dǎo)軌副合理施加預(yù)緊力,可以顯著提高導(dǎo)軌副的靜剛度,提高滾柱直線導(dǎo)軌副的承載能力。
(2)當(dāng)滾柱直線導(dǎo)軌副的預(yù)緊力增大時(shí),各階固有頻率也相應(yīng)增大,持續(xù)增大預(yù)緊力時(shí),滾柱直線導(dǎo)軌副的固有頻率變化明顯變小。合理選擇預(yù)緊力大小有助于提高滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的動(dòng)態(tài)性能。