CN105729231A - 一种用于滚动直线导轨钳制器的弹性支撑摩擦阻尼减振方法及结构 - Google Patents

Abstract

一种用于滚动直线导轨钳制器的弹性支撑摩擦阻尼减振方法和结构，本发明为了有效控制滚动直线导轨副进给方向振动，降低钳制器制动时产生的冲击，提高滚动直线导轨副的运行可靠性和导向精度，设计了一种用于钳制器的弹性支撑摩擦阻尼减振结构。钳制器在制动状态时，制动块与导轨表面因为不存在间隙，消除了空行程，可以实现无刚性冲击的快速制动，在制动块磨损较小时，减振弹簧可以实现制动块的自动补偿功能。钳制器在非制动状态时，制动块与导轨表面通过减振弹簧施加的摩擦力在工作台进给方向产生摩擦阻尼。同时，本发明建立了工作台进给方向摩擦阻尼减振控制模型，根据该模型可优化设计减振弹簧刚度以保证工作台进给方向振动的最佳抑制效果。

Description

一种用于滚动直线导轨钳制器的弹性支撑摩擦阻尼减振方法及结构

技术领域

本发明涉及一种抑制滚动直线导轨副进给方向振动和钳制器制动冲击的弹性支撑摩擦阻尼减振结构及阻尼性能优化方法，属于阻尼减振技术领域。

背景技术

随着数控机床和精密加工的发展，滚动直线导轨副作为机床的关键功能部件使用越来越广泛，其对数控机床的加工精度起着非常重要的作用。钳制器是滚动直线导轨副中保证快速制动和安全运行的重要装置，能保证数控机床安全可靠的工作。常开型钳制器制动块和导轨表面有一定的间隙，需要制动时通过气缸驱动楔形块以带动制动块和导轨表面相互接触，并通过钳制器楔形块提供的强大的摩擦制动力来达到制动的目的。钳制器在制动的开始和终止状态时因为存在间隙会产生刚性冲击和振动，因此迫切需要找到对钳制器制动过程中的振动和冲击进行有效控制的方法。

目前比较成熟的方法是对钳制器的楔形块曲线进行优化，由楔形块曲线来控制制动块的运动，进而减少制动时间和制动过程中产生的冲击，但不能完全避免冲击的产生，不能从根本上解决钳制器制动过程中因存在空行程而导致振动和冲击的问题。同时，数控机床在切削加工过程中，因存在工作台进给方向的动态切削力，会引起进给方向的加工振动从而降低工件加工精度。

为此，本发明采用摩擦阻尼减振技术，一方面通过合理设计阻尼器结构消除钳制器制动块与导轨间的间隙以消除空行程和冲击振动，另一方面提高导轨副阻尼减振性能，抑制切削振动，提高加工精度。

目前，阻尼减振被广泛应用在机械振动控制系统中，是比较成熟的振动控制方法，是通过在系统中加入阻尼吸振部件来达到减振抑振的效果。阻尼器的种类很多，包括质量调谐阻尼器，液体阻尼吸振器、冲击阻尼吸振器和摩擦阻尼器等。摩擦阻尼器作为一种耗能装置，耗能能力强，振动频率的大小对减振性能影响不大，且结构简单。为了控制钳制器制动过程中的冲击和工作台进给方向切削振动，本发明基于辅助弹性支承机构使得制动块与导轨表面在不制动时紧密贴合并保持合理的摩擦力水平，使之进行阻尼减振，而制动时由于不存在间隙，可以消除冲击振动，实现快速平稳制动。

发明内容

本发明为了有效控制滚动直线导轨副进给方向工作台振动，降低钳制器制动时产生的冲击，提高滚动直线导轨副的运行可靠性和导向精度，设计了一种用于钳制器的弹性支撑摩擦阻尼减振结构。钳制器在非制动状态时，弹性支撑摩擦阻尼减振结构中的弹簧处于合理的压缩状态，制动块与导轨表面通过弹性力紧密贴合并保持合理的进给方向摩擦力范围，制动块在导轨副的运行中可以起摩擦阻尼减振的作用，降低工作台进给方向振动。当钳制器在制动状态时，制动块与导轨表面因为不存在间隙，消除了空行程，可以实现无冲击的快速制动。

本发明为了保证滚动直线导轨副最佳的阻尼减振性能，建立了滚动直线导轨副工作台进给方向动力学模型，如附图3所示。该动力学模型的主要动力学参数为工作台等效质量(m)，工作台驱动刚度(k)，除钳制器摩擦阻尼外的机械系统阻尼系数(c)，制动块和导轨间滑动摩擦力(f)和进给方向动态切削力(F)，工作台振动位移(x)是工作台相对于其当前运动位置(vt，v工作台运动速度，t运动时间)的相对振动位移。滚动直线导轨副工作台进给方向固有频率ω_n＝(k/m)^^0.5，不含摩擦阻尼的机械系统阻尼比ξ₀＝c/2/(mk)^^0.5。基于该模型可以得到滚动导轨副工作台进给方向等效阻尼比ξ＝ξ₀+2γ/(πλ)，其中，γ是摩擦力(f)和动态切削力(F)幅值之比，λ是动态切削力频率与工作台进给方向固有频率(ω_n)之比。

对于数控机床切削加工来说，一般的切削振动恶化大多是在动态切削力频率与系统固有频率接近时引起的共振或自激振动。为此，根据等效阻尼比(ξ)在系统共振区域的计算公式(ξ＝ξ₀+2γ/π)，再根据不同切削条件下动态切削力幅值优选弹簧刚度以保证等效阻尼比(ξ)在合理的范围内，达到即保证系统响应速度又最大限度地进行阻尼减振的效果。

本发明具有如下有益作用：

相比于现有的滚动直线导轨副阻尼减振装置，本发明将摩擦阻尼减振结构与钳制器结构合理结合，结构简单、紧凑、阻尼可调性较强、适用性较高，能够适用于不同工况下的滚动直线导轨副工作台进给方向的阻尼减振。相比于制动块和导轨存在间隙(空行程)的钳制器来说，可以减少钳制器制动过程中产生的刚性冲击和制动时间，并降低制动噪音。

附图说明

图1为有弹性阻尼减振结构的钳制器工作原理图。

图中：1、气缸活塞，2、楔形块，3、减振弹簧，4、弹簧支架，5、制动块，6、复位弹簧，7、滚柱。

图2为基于本发明的阻尼减振钳制器安装示意图。

图中：8、调节螺栓，9、滚柱支架，10、钳制器主体，11、导轨。

图3为工作台进给方向动力学模型。

图中：12、工作台

图4为钳制器安装及工作示意图。

图中:13、导轨滑块，14、钳制器

图5是摩擦力与工作台进给方向动力放大因子的关系图。

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。

如图1-5所示，一种用于滚动直线导轨钳制器的弹性支撑摩擦阻尼减振结构，气缸活塞1、楔形块2、减振弹簧3、弹簧支架4、制动块5、复位弹簧6、滚柱7、调节螺栓8、滚柱支架9、钳制器主体10、导轨11、工作台12、导轨滑块13、钳制器14；

导轨11的两侧为制动块5，制动块5通过弹簧支架4紧固，弹簧支架4的两端对称设有减振弹簧3，制动块5和弹簧支架4间通过减振弹簧3弹性连接，并使减振弹簧3处于合理的压缩范围；楔形块2的一侧与复位弹簧6连接，楔形块2通过滚柱7与弹簧支架4相连接；气缸活塞1与楔形块2相连接；工作台12通过导轨滑块13安装在导轨11上；钳制器14固定在工作台12的底面上，钳制器14通过制动块5与导轨11保持接触。

工作台12进给运动时，钳制器14随工作台12运动，同时与导轨11间产生摩擦阻尼以抑制工作台12进给方向的振动。钳制器14制动时，通过气缸活塞1驱动楔形块2压紧制动块5，给导轨11施加制动力以实现工作台12的制动。当制动块5磨损比较大时，通过调节螺栓8来补偿制动块5的磨损量，同时也保持制动块5和摩擦副表面合理摩擦力值。

钳制器14在非制动状态时，即工作台12运动状态下，通过摩擦阻尼减振方式控制工作台12进给方向振动；钳制器14在制动状态下，在制动的初始阶段通过减振弹簧3传递钳制器的夹持力，减小制动时间和冲击。

以进给方向动态切削力幅值和制动块5与导轨11间滑动摩擦力之比为优化设计目标，合理设计弹簧弹性力实现在钳制器非制动状态时，即工作台12运动时，导轨11与制动块5间通过摩擦阻尼以实现最大限度地抑制工作台12进给方向振动的目的。

一种用于滚动直线导轨钳制器的弹性支撑摩擦阻尼减振方法，摩擦阻尼优化方法首先建立滚动直线导轨副工作台进给方向动力学模型，如附图3所示。该动力学模型的主要动力学参数为工作台等效质量(m)，工作台驱动刚度(k)，除钳制器摩擦阻尼外的机械系统阻尼系数(c)，制动块和导轨间滑动摩擦力(f)和进给方向动态切削力(F)，工作台振动位移(x)是工作台相对于其当前运动位置(vt，v是工作台运动速度，t运动时间)的相对振动位移。滚动直线导轨工作台进给方向固有频率ω_n＝(k/m)^^0.5，不含摩擦阻尼的机械系统阻尼比ξ₀＝c/2/(mk)^^0.5。

然后建立工作台进给方向动力学方程，为了方便进行阻尼器优化设计，引入无量纲参数γ和λ。其中，γ是摩擦力(f)和动态切削力(F)幅值之比，λ是动态切削力频率与工作台进给方向固有频率(ω_n)之比。通过公式演算，得到工作台进给方向动力放大因子D和进给方向系统等效阻尼比ξ为：

$D=\frac{x_m}{{\mathrm{\δ}}_{st}}=\frac{1}{\sqrt{{(1-{\mathrm{\λ}}^2)}^2+4{\mathrm{\λ}}^2{({\mathrm{\ξ}}_0+2\mathrm{\γ}/(\mathrm{\π}\mathrm{\λ}\left)\right)}^2}}---\left(1\right)$

ξ＝ξ₀+2γ/(πλ)(2)

上式中，x_m是工作台进给方向振动幅值，δ_st是工作台动态切削力幅值引起的工作台进给方向静态位移。图5为在不同摩擦力与动态切削力幅值之比下计算得到的动力放大因子随动态切削力频率变化的情况。由图可见，随力比γ的增加，系统共振区域的动力放大因子被有效控制。

Claims (4)

1.一种用于滚动直线导轨钳制器的弹性支撑摩擦阻尼减振结构，其特征在于：该结构包括气缸活塞(1)、楔形块(2)、减振弹簧(3)、弹簧支架(4)、制动块(5)、复位弹簧(6)、滚柱(7)、调节螺栓(8)、滚柱支架(9)、钳制器主体(10)、导轨(11)、工作台(12)、导轨滑块(13)、钳制器(14)；

导轨(11)的两侧为制动块(5)，制动块(5)通过弹簧支架(4)紧固，弹簧支架(4)的两端对称设有减振弹簧(3)，制动块(5)和弹簧支架(4)间通过减振弹簧(3)弹性连接，并使减振弹簧(3)处于合理的压缩范围；楔形块(2)的一侧与复位弹簧(6)连接，楔形块(2)通过滚柱(7)与弹簧支架(4)相连接；气缸活塞(1)与楔形块(2)相连接；工作台(12)通过导轨滑块(13)安装在导轨(11)上；钳制器(14)固定在工作台(12)的底面上，钳制器(14)通过制动块(5)与导轨(11)保持接触；

工作台(12)进给运动时，钳制器(14)随工作台(12)运动，同时与导轨(11)间产生摩擦阻尼以抑制工作台(12)进给方向的振动；钳制器(14)制动时，通过气缸活塞(1)驱动楔形块(2)压紧制动块(5)，给导轨(11)施加制动力以实现工作台(12)的制动；当制动块(5)磨损比较大时，通过调节螺栓(8)来补偿制动块(5)的磨损量，同时也保持制动块(5)和摩擦副表面合理摩擦力值。

2.根据权利要求1所述的一种用于滚动直线导轨钳制器的弹性支撑摩擦阻尼减振结构，其特征在于：钳制器(14)在非制动状态时，即工作台(12)运动状态下，通过摩擦阻尼减振方式控制工作台(12)进给方向振动；钳制器(14)在制动状态下，在制动的初始阶段通过减振弹簧(3)传递钳制器的夹持力，减小制动时间和冲击。

3.根据权利要求1所述的一种用于滚动直线导轨钳制器的弹性支撑摩擦阻尼减振结构，其特征在于：以进给方向动态切削力幅值和制动块(5)与导轨(11)间滑动摩擦力之比为优化设计目标，合理设计弹簧弹性力实现在钳制器非制动状态时，即工作台(12)运动时，导轨(11)与制动块(5)间通过摩擦阻尼以实现最大限度地抑制工作台(12)进给方向振动的目的。

4.利用权利要求1所述结构的一种用于滚动直线导轨钳制器的弹性支撑摩擦阻尼减振方法，其特征在于：摩擦阻尼优化方法首先建立滚动直线导轨副工作台进给方向动力学模型；该动力学模型的主要动力学参数为工作台等效质量(m)，工作台驱动刚度(k)，除钳制器摩擦阻尼外的机械系统阻尼系数(c)，制动块和导轨间滑动摩擦力(f)和进给方向动态切削力(F)，工作台振动位移(x)是工作台相对于其当前运动位置(vt，v是工作台运动速度，t运动时间)的相对振动位移；滚动直线导轨工作台进给方向固有频率ωⁿ＝(k/m)^^0.5，不含摩擦阻尼的机械系统阻尼比ξ₀＝c/2/(mk)^^0.5；

然后建立工作台进给方向动力学方程，为了方便进行阻尼器优化设计，引入无量纲参数γ和λ；其中，γ是摩擦力(f)和动态切削力(F)幅值之比，λ是动态切削力频率与工作台进给方向固有频率(ω_n)之比；通过公式演算，得到工作台进给方向动力放大因子D和进给方向系统等效阻尼比ξ为：

$D=\frac{x_m}{{\mathrm{\δ}}_{st}}=\frac{1}{\sqrt{{(1-{\mathrm{\λ}}^2)}^2+4{\mathrm{\λ}}^2{({\mathrm{\ξ}}_0+2\mathrm{\γ}/(\mathrm{\π}\mathrm{\λ}\left)\right)}^2}}---\left(1\right)$

ξ＝ξ₀+2γ/(πλ)(2)

上式中，x_m是工作台进给方向振动幅值，δ_st是工作台动态切削力幅值引起的工作台进给方向静态位移。