CN103836138B - 一种滚珠丝杠副减振结构 - Google Patents

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Abstract

一种滚珠丝杠副结构，属于阻尼器减振技术领域。该结构包括滚珠丝杠副和阻尼器单元，滚珠丝杠副的丝杠为空心丝杠，在其空腔中布置多个阻尼器单元。阻尼器单元由质量块、橡胶圈、调节螺母组成。橡胶圈安装在质量块两端并用调节螺母紧固。阻尼器质量块通过两端橡胶圈支撑固定在空心丝杠内孔中，通过调节螺母来改变橡胶圈对质量块的支撑刚度，使各阻尼器的固有频率与滚珠丝杠副动态特性相匹配，以达到最佳的振动控制效果。

Description

一种滚珠丝杠副减振结构
技术领域
本发明涉及一种滚珠丝杠副减振结构，属于阻尼器减振技术领域。
背景技术
滚珠丝杠副由于其所具有的高精度、高效率、高刚度等特点，已被应用于各行各业，如机械、航天、航空、核工业、包装机械等。滚珠丝杠是数控机床伺服进给系统中应用最广泛的机械传动部件，随着机床进给速度和切削速度的不断提高，必须对滚珠丝杠进给系统的抗振特性提出更高的要求。在大型数控机床中，由于工作台行程较长丝杠也相应变长，导致进给系统的刚性和抗振性能下降，影响丝杠的使用寿命。丝杠副的工作临界速度受到横向固有频率的限制而难于提高。
振动控制方法国内外学者已经进行了大量的研究。总的来说，可以分为两类，一类是被动控制方法，一类是主动控制方法。被动控制方法主要是通过在系统中加入吸振部件来达到振动抑制的效果，消极的被动控制不需要附加能源，减振器的工作完全取决于主振动系统，其结构简单，工作可靠。
被动控制的方法有很多，质量调谐阻尼器(TMD)就是其中的一种，质量调谐阻尼器(TMD)主要由弹簧、阻尼器和质量块组成，其工作原理就是利用质量块的惯性力或主动控制力达到共振吸能、减少结构反应的目的。多重调谐质量阻尼器(MTMD)由于具有更好的控制频带宽、控制效果与鲁棒性，应用非常广泛。多重调谐质量阻尼器最早由Xu和Igusa提出，目前已经在桥梁等大型结构振动控制中得到成功应用，同时也被成功应用于机床切削颤振的控制中。
滚珠丝杠副动态特性随螺母沿丝杠运动不断变化而导致丝杠动态特性不断变化，振动控制难于实现。本发明提出一种新型的滚珠丝杠副振动控制结构， 采用多重调谐质量阻尼器来设计抗振滚珠丝杠副，在空心丝杠中放置多个调谐质量阻尼器来对滚珠丝杠副的各阶横向振动频响函数幅值进行抑制，通过优化结果对各个调谐质量阻尼器的固有频率、阻尼比和布置位置进行调节，以提高滚珠丝杠副的抗振性能和临界转速。
发明内容
本发明为了有效控制滚珠丝杠副在全行程上螺母不同位置处的振动，提出了一种基于多重调谐质量阻尼器减振的滚珠丝杠副减振结构。
一种新型的滚珠丝杠副减振结构：包括滚珠丝杠副1和阻尼器单元2，所述滚珠丝杠副1的丝杠为空心丝杠，在其空腔中布置多个阻尼器单元2，阻尼器单元2由质量块3、橡胶圈4、调节螺母5组成；橡胶圈4安装在质量块3两端并用调节螺母5紧固；阻尼器质量块3通过两端橡胶圈4支撑固定在空心丝杠内孔中，并能够通过调节螺母5来改变橡胶圈4对质量块3的支撑刚度，使各阻尼器单元2固有频率与滚珠丝杠副动态特性相匹配，以达到最佳的振动控制效果。
所述质量块3、橡胶圈4、调节螺母5组合成固有频率可调的阻尼器单元2，通过调节阻尼器布置位置和各阻尼器固有频率实现滚珠丝杠副横向振动的最优控制。阻尼器布置位置、阻尼器固有频率和阻尼器阻尼比通过优化设计确定，使滚珠丝杠副在整个行程上螺母处于不同移动位置时的横向振动频率响应函数幅值最大值均最小，以保证在滚珠丝杠副全行程上不同位置处横向振动均得到有效控制。
本发明具有的有益效果是：
阻尼器质量块通过两端橡胶圈支撑固定在空心丝杠内孔中，通过调节螺母来改变橡胶圈对质量块的支撑刚度，使各阻尼器的固有频率与滚珠丝杠副动态特 性相匹配，以达到最佳的振动控制效果。通过优化结果对阻尼器的频率比、阻尼比、布置位置进行调整，使滚珠丝杠副在整个行程上螺母处于不同移动位置时的横向振动频率响应函数幅值最大值均最小，以保证螺母在滚珠丝杠副全行程上不同位置处丝杠横向振动均得到有效控制。本发明对于抑制丝杠的横向振动具有很好的效果，并且结构简单，方便调节。
本发明通过在空心滚珠丝杠内布置多个调谐质量阻尼器，通过优化设计各阻尼器的固有频率，阻尼比和布置位置可以实现对滚珠丝杠副在整个行程上螺母处于不同移动位置时的横向振动均进行有效控制。滚珠丝杠副当螺母位于不同位置处时减振效果均可以达到90%左右。并且，该减振结构简单，紧凑，方便实施。
附图说明
图1滚珠丝杠副减振结构图；
图2阻尼器单元结构图；
图3无阻尼器时螺母位置处丝杠的频率响应图；
图4有阻尼器时螺母位置处丝杠的频率响应图；
附图中：1滚珠丝杠副、2阻尼器单元、3质量块、4橡胶圈、5调节螺母。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
首先如图1，本发明是一种滚珠丝杠副减振结构，包括：滚珠丝杠副1和阻尼器单元2，所述滚珠丝杠副1的丝杠为空心丝杠，在其空腔中布置多个阻尼器单元2。阻尼器单元2由质量块3、橡胶圈4、调节螺母5组成。橡胶圈4安装 在质量块3两端并用调节螺母5紧固。阻尼器质量块3通过两端橡胶圈4支撑固定在空心丝杠内孔中，并通过调节螺母5来改变橡胶圈4对质量块3的支撑刚度，使各阻尼器单元2固有频率与滚珠丝杠副动态特性相匹配，以达到最佳的振动控制效果。
所述的质量块3为圆柱状，其两端有小直径的台阶，橡胶圈4套在台阶上，螺母5紧挨橡胶圈4。
为了获取滚珠丝杠副动态特性，首先对空心丝杠进行模态测试，得到螺母在不同位置时丝杠的频率响应函数，根据测得的螺母在不同位置时各阶模态参数通过优化设计得到阻尼器的固有频率和阻尼比以及位置参数。进而对阻尼器固有频率、阻尼比和布置位置进行调整，将调整好的阻尼器放置于空心丝杠中再次进行模态测试，得到加入阻尼器之后的螺母在不同位置时丝杠的频率响应函数，与之前无阻尼器时进行对比。反复调节紧固螺母的松紧及布置位置，使滚珠丝杠副在整个行程上螺母处于不同移动位置时的横向振动频率响应函数幅值最大值均最小，以保证在滚珠丝杠副全行程上不同位置处横向振动均得到有效控制。
实施效果：取丝杠长度为L，螺母位置分别取1/8L、2/8L、3/8L、4/8L、5/8L、6/8L和7/8L。丝杠中不放置阻尼器时，螺母位置处丝杠的频率响应函数曲线如图3所示。因为螺母位置相对于丝杠中心点对称时其频率响应幅频特性近似相同，所以只画出了前四个螺母位置处的频响图。在滚珠丝杠副中放置5个阻尼器，利用上述优化算法进行优化，得到优化后螺母位置处丝杠的频响函数曲线如图4所示。从结果可以看出，加上阻尼器后丝杠的振动幅值减小了90%。

Claims (1)

1.一种滚珠丝杠副减振结构，其特征在于：包括滚珠丝杠副(1)和阻尼器单元(2)，所述滚珠丝杠副(1)的丝杠为空心丝杠，在其空腔中布置多个阻尼器单元(2)；阻尼器单元(2)由质量块(3)、橡胶圈(4)、调节螺母(5)组成；橡胶圈(4)安装在质量块(3)两端并用调节螺母(5)紧固；阻尼器质量块(3)通过两端橡胶圈(4)支撑固定在空心丝杠内孔中，并通过调节螺母(5)来改变橡胶圈(4)对质量块(3)的支撑刚度，使各阻尼器单元(2)固有频率与滚珠丝杠副动态特性相匹配，以达到最佳的振动控制效果；
质量块(3)、橡胶圈(4)、调节螺母(5)组合成固有频率可调的阻尼器单元(2)，通过调节阻尼器布置位置和各阻尼器固有频率实现滚珠丝杠副横向振动的最优控制；
阻尼器布置位置、阻尼器固有频率和阻尼器阻尼比通过优化设计确定，使滚珠丝杠副在整个行程上螺母处于不同移动位置时的横向振动频率响应函数幅值最大值均最小，以保证在滚珠丝杠副全行程上不同位置处横向振动均得到有效控制。
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