[发明专利]一种滚珠丝杠载荷谱的提取方法

说明书

本发明属于接触力学领域，一种滚珠丝杠的载荷谱提取方法。建立单螺母滚珠丝杠副载荷分布模型；基于赫兹接触理论，根据变形协调原理，建立螺母滚珠丝杠副载荷分布非线性方程组；对单滚珠模型接触载荷非线性方程组进行求解；建立滚珠丝杠副高速运动状态动态接触特性的求解模型，并对非线性方程组进行数值求解；依据从数控系统获得的工作位置及伺服电机力矩电流随时间变化关系，计算丝杠螺母副接触载荷随位置变化规律；编制滚珠丝杠螺母副的载荷谱。利用本发明精确确定丝杠螺母副各部件载荷谱，为进给系统可靠性设计提供依据。

技术领域

本发明属于接触力学领域，涉及一种滚珠丝杠的载荷谱提取方法。

背景技术

随着现代机械制造技术向着智能化、柔性化、一体化和高度自动化方向的发展，要求数控机床在高速、重载的情况下仍能保持高精度、低噪声、高可靠性和长寿命等特点。滚珠丝杠副作为数控机床关键功能部件之一，其接触力学特性很大程度上决定了数控机床的性能。滚珠丝杠副在高速运转时，由于结合面的摩擦发热、接触变形，将造成加工精度、可靠性及寿命的降低等，使得对滚珠丝杠副的接触力学特性研究显得尤为重要。

滚珠丝杠副作为数控机床进给系统中关键部件之一，载荷谱是系统设计及选型的重要依据。但是，丝杠螺母副的载荷谱的测试很难，不仅随机床工作过程负载变化，而且随装配质量、润滑条件的变化而变化。因此，至今没有确定丝杠螺母副载荷谱的方法。实际上，在数控机床工作过程中，数控系统可以实时记录伺服电机力矩电流和工作台位置，而伺服电机力矩电流与丝杠螺母副对工作台的驱动力成比例，进而可以确定丝杠螺母副对工作台驱动力，为提取丝杠螺母副的载荷谱奠定了基础。

发明内容

为了克服现有技术中存在的问题，本发明提出了一种滚珠丝杠螺母副载荷谱的提取方法。本方法利用Ethernet网将PC104总线工业控制计算机与FANUC数控系统连接，获得进给系统工作过程伺服电机力矩电流和工作台位置随时间的变化，进而计算出驱动力随工作台位置的变化规律，给出了机床工作过程载荷谱的计算方法，对滚珠丝杠螺母副的可靠性分析及寿命预测有着重大意义。

本发明的具体技术方案为：

步骤1，建立单螺母滚珠丝杠副载荷分布模型；

步骤1-1，丝杠螺母副轴向截面外侧为具有螺旋轨道的螺母，内侧为具有螺旋轨道的丝杠，中间为滚珠。总圈数为丝杠螺母副的滚珠圈数，如图1所示；

步骤1-2，设每半导程的滚珠受力相同，上半周为Q₁,Q₂,…,Q_j，接触角为α₁,α₂,…α_j；下半周为Q_l,Q_l+1,…,Q_z，接触角为α_l,α_l+1,…α_z。丝杠上半周接触应变为ε_S-1,ε_S-2,…,ε_S-j，下半周接触应变为ε_S-l,ε_S-(l+1),…,ε_S-z；螺母上半周接触应变为ε_N-1,ε_N-2,…,ε_N-j，下半周接触应变为ε_N-l,ε_N-(l+1),…,ε_N-z；其中j和z-l+1为上半周和下半周滚珠圈数，l＝j+1。

步骤1-3，将杠驱动力F作用在丝杠中心，将F一半分别作用在上下螺母部，方向与丝杠驱动力相反，作为工作台对丝杠副的作用力。

步骤2，基于赫兹接触理论，根据变形协调原理，建立单螺母滚珠丝杠副载荷分布非线性方程组；

步骤2-1，根据螺旋角为λ单螺母滚珠丝杠副载荷分布模型，建立轴向外载荷F和滚珠所受丝杠及螺母的接触力Q之间的受力平衡方程；