长跨滚珠丝杠振动分析及减振提速方案
长跨滚珠丝杠振动分析及减振提速方案
大型高速机床中的长跨滚珠丝杠由于行程长、长直径比过大，导致运行中挠度大、抖动等一系列问题，严重影响机床的动态性能。根据不同的丝杠结构和滚珠丝杠驱动模式，分析了长丝杠振动模式对机床临界速度和传动精度的影响。
传统的丝杠旋转 - 螺母移动滚珠丝杠副在水平安装时，由于滚珠丝杠副旋转惯性力大，能耗增加，振动严重。而且由于长丝杠挠度变形大，高速旋转的丝杠更容易横向振动。细长结构的丝杠本身有固有的频率，因此提高了临界速度限制。长跨度丝杠传动多采用丝杠固定，螺母旋转驱动，即螺母旋转时沿固定丝杠作为轴向移动。
由于作为转速上限的旋转丝杠没有临界转速限制，可以提高系统的传动速度和伺服刚度，但固定丝杠结构中仍必须考虑固有挠曲频率。这通常通过增加滚珠丝杠的直径和增加丝杠的预拉伸来解决。然而，有时增加滚珠丝杠的直径并不明显，但会导致螺母旋转惯性急剧增加，无法适应驱动电机和减速器惯性；增加丝杠预拉伸力会直接导致滚珠丝杠螺距变化，缩短丝杠精度寿命，降低机床运动精度，增加运动噪声。
在进行长跨度丝杠振动分析时，可视为简支梁模型。在自然重力的作用下，简支梁在梁的中间会出现最大的挠曲变形。做丝杠分析时，为了减少分析时间，首先要简化结构，去除对分析结果影响不大的滚道。基于此，建立了大型机床 X 轴进给系统的丝杠模型。从结构上看，丝杠进给系统可分为丝杠旋转型和螺母旋转型，下面根据不同的结构特点进行分析比较。
根据滚珠丝杠系统的结构特点，进给系统必须有固有的频率，这限制了丝杠的临界速度。在选择丝杠时，必须检查临界速度。一般来说，在刚性支撑下进行理论计算。以下是丝杠旋转 - 螺母移动滚珠丝杠的临界速度分析和计算。
在选择滚珠丝杠时，为了防止共振，滚珠丝杠的工作速度应避免临界速度。当结构确定时，滚珠丝杠的临界速度由一级固有频率决定。建立固定在滚珠丝杠两端的有限元模型，可视为刚性连接，限制两端的所有自由度。
螺母旋转时，将固定的滚珠丝杠作为轴向移动的螺母旋转滚珠丝杠进给系统，摆脱了丝杠旋转时两端支撑结构形式和跨度对临界速度的限制。临界速度值可以更高，提高速度。由于驱动螺母带入系统的能量较小，因此该系统结构的共振远不如丝杠驱动危险。但这种结构形式的进给系统，进给精度也受到丝杠振动的影响，因此在这种情况下也必须考虑模态的固有频率。根据振动模划分，丝杠振动主要包括横向振动和纵向振动，以及点扭转振动。螺杆本身不旋转，因此扭转振动可以忽略不计。
丝杠的预拉伸力不影响其纵向振动的微应力分析，因此丝杠的纵向振动频率和振动类型不受预拉伸力的影响。以下重点分析了丝杠预拉伸力对丝杠横向振动类型的影响。随着预拉伸力的变化，可以看出预拉伸力越大，振幅值越小，随着拉伸力的增加，减幅越小。
对于长跨度丝杠，丝杠旋转滚珠丝杠受到临界速度的严重限制，虽然螺母旋转驱动形式较高，但受振动严重影响，增加直径和预拉伸仍不能满足机床高速进给的要求。因此，必须采取其他措施来抑制长跨度丝杠的振动，以达到加速的效果。
通过以下方式抑制振动，提高速度：
一般来说，大导线，以前的观点认为，导线越大，越不利于保证导线的精度。随着滚珠数量的减少，进给系统的静态刚度将急剧下降。当丝杠速度相同时，增加导线，进给速度无疑会加快，特别适用于限制临界速度的长跨度丝杠。
螺杆支撑的作用就像浮动轴承，浮动支撑和螺母相对固定。通过传感器自动控制支撑单元的开闭，避免撞击两端轴承座。当工作台移动到丝杠中心时，支撑单元会在适当的时候紧紧握住丝杠，从而提供必要的支撑。该装置在不增加丝杠长度的前提下，减少了不支撑丝杠的长度，减少了丝杠的挠度变形，为提高弯曲临界速度创造了条件。该装置还减少了因丝杠挠度变形而截留的能量，这是丝杠振动的主要原因。
螺母旋转滚珠丝杠是伺服电机直接驱动螺母旋转，驱动执行部件移动，在减少发热、减少旋转惯性和降低噪音方面具有良好的性能。特别是在提高进给速度方面。螺母旋转滚珠丝杠副包括滚珠丝杠、滚珠螺母、滚珠和用于循环滚珠的回珠器。螺母旋转滚珠丝杠副还包括滚动轴承、同步带轮和用于相对滚珠螺母旋转的外套。外套为安装螺母，滚珠螺母与同步带轮相连。螺母旋转滚珠丝杠辅助设备由驱动电机直接驱动滚珠螺母旋转，使驱动部件移动，可克服丝杠自重引起的下垂问题，降低发热、旋转惯性和噪声，特别是提高进给速度。
对于高速大行程机床，长跨度丝杠的振动与机床高速进给能否实现密切相关。如何解决滚珠丝杠大跨度与高速进给的矛盾，是工程技术难题。根据不同的工况要求，选择不同的进给驱动结构和不同的技术措施，以最低的成本最大限度地满足高速行程机床的性能要求。通过有限元分析可以发现，由于振动剧烈和临界速度的限制，长跨线旋转驱动结构难以满足高速进给的要求。螺母旋转丝杠固定的结构形式可以通过增加丝杠导程、空心丝杠、轴向预拉力和辅助支撑来实现减振和高速的目标。
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