滚珠直线导轨的基础研究，值得一看
发布时间：2018-10-08 10:05:44
滚珠直线导轨副的运动性能主要包括运动精度、摩擦力、振动及噪声等。运动精度作为滚动直线导轨副一项重要的机械性能指标, 它的高低很大程度上影响着导轨的定位精度和使用寿命。导轨副在实际运动过程中, 钢球在返向器内的运动极其复杂, 其运动精度受零件的制造精度、安装精度、预紧力及振动等诸多因素的影响。目前国家标准对滚动直线导轨副验收技术条件的精度检验项目主要包括两个项目, 即滑块移动对导轨底面基准的平行度及滑块移动对导轨侧面基准的平行度。作为精密的传动部件, 摩擦力是滚动直线导轨副的另一项重要性能指标, 摩擦力也引起导轨副的发热, 直接影响导轨副的使用寿命。摩擦力作为系统快速响应的阻碍和能量消耗的主要途径, 对摩擦力进行研究对提高整个系统的响应速度及控制精度具有重要意义。随着静音技术的发展, 滚动直线导轨副振动与噪声对环境的污染问题逐渐成为滚动直线导轨副研究中极为重要的课题之一。振动不仅对噪声有很大的影响, 同时对生产主机的性能质量以及滚动直线导轨副自身的寿命也有重要影响。因此, 滚动直线导轨副的摩擦力、振动与噪声, 现已成为了综合考评滚动直线导轨副好坏的重要指标。
滚珠直线导轨副摩擦性能研究方面, 日本的渡辺一雄等对滚动直线导轨副摩擦力的来源及摩擦力波动的原因进行分析, 他认为引起摩擦力波动的主要原因是滚道的表面粗糙度以及波纹度。此外当滚动体通过滚道的返向器时, 滚珠经历从非承载区到承载区(或反之) 的过程, 摩擦力也会发生较大的变化, 最大摩擦力出现在滚珠运动到非载荷区的时候。Fujita等基于直线驱动系统的动态干扰力表征方法, 研究了滚动直线导轨副的摩擦特性对全局定位及微定位的影响。D. N. Olaru 等人为计算滚动直线导轨副中滚珠与滚道间的全部摩擦力以及整体摩擦因数, 建立了一种全新的计算模型, 并通过试验对模型结果进行验证。在对滚动直线导轨副摩擦力进行研究时, 我国孙健利等人对滚动直线导轨接触区内的滚动摩擦力和差动摩擦力进行分析, 以差动摩擦力最小为准则讨论了滚动直线导轨在一定外加载荷下的优化预过盈量, 在此基础上进一步分析了预紧力与过盈量的关系, 认为滚动直线导轨副的过盈量的增加使接触区的弹性力和差动滑动增大, 因此摩擦力也随着过盈量的增加而增大。张朝辉等人运用Hertz 接触理论分析了差动滑动和弹性滞后等因素对摩擦力的影响, 得出了摩擦力与过盈量之间的关系, 为通过测定摩擦力来确定过盈量提供了理论依据。高永坤以Hertz 接触理论为基础, 分析承载区滚珠与滚道的接触状态, 确定了预紧力与过盈量之间的理论关系。
滚珠直线导轨副振动与噪声研究方面, 日本的Hiroyuki Ohta 等人在考虑了滚道曲率中心变化的情况下, 建立导轨副垂直刚度计算模型, 对振动和噪声信号进行分析, 并采集滑块运动时, 滑块上不同测点的振动信号和不同测量距离时的噪声信号。周传宏等人对滚动直线导轨副振动特性进行了初步研究。刘建素等运用随机振动理论分析了导轨副的误差均化作用。何康等将波导吸振的方法用于导轨副的减振和消除噪声的研究, 将结构的振动和声辐射能量引导到吸振器中, 达到减振降噪的目的。
滚珠直线导轨副接触力学研究方面, P. Pawelko 介绍了滚动导轨力学模型的基本建立方法, 讨论了对建模方法不同程度的简化以及数值结果的选择方法。A. Dadalau 应用面向构件的有限元法, 从理论上分析了导轨副的刚度和内部的接触力以及二者之间的关系, 使用试验手段对导轨副的动态响应从理论进行了计算, 并对试验结果进行对比分析。Jyh-cheng chang研究了预加载荷变化的情况下, 滚动直线导轨系统中滚珠与滚道间接触刚度的变化。Ohta等建立了一种考虑导轨副弹性变形的垂直刚度半解析计算模型, 基于以上弹性变形, 计算了导轨副的垂直刚度, 并与试验结果进行了对比。
滚动直线导轨副动力学研究方面, JamesShih-Shyn Wu 等人基于赫兹理论和模态测试,在弯曲不平衡载荷的作用下, 建立了滚珠接触问题动力学模型, 研究了外部载荷对导轨副动态特性的影响。Yong-sub Yi 简单分析了滚动直线导轨副应用于精确定位装置中的动力学特性。孙伟、史安娜等基于ADAMS 对导轨系统刚体动力学特性进行了建模仿真, 分析了外载荷及预紧力对导轨接触刚度的影响。徐鹏等人利用Pro/ E 和Ansys 对直线导轨进行了三维建模与模态分析得到模态频率和各阶振型, 并分析了它们对直线滚动导轨动态特性的影响。
滚动直线导轨副设计研究方面, 国外研究者在基础性理论研究上做出了重大的突破。Lundberg-Palmgren 提出最大动态切应力理论, 该理论认为疲劳裂纹始发于接触表面下某一含有杂质的材料弱点处, 最大动态切应力决定接触表面的疲劳剥落。但随着冶炼技术的提高、加工工艺的改进, 导轨副的失效机理已经发生了明显的变化。从T. E. TALLIAN 近期发表的试验结果可以看出, 与表面接触状态相关的诸多因素在导轨的疲劳过程中起着越来越重要的作用。这些因素主要包括接触表面的预损伤、表面粗糙度的大小及形式、表面残余应力、外来硬颗粒杂质以及润滑油膜的状态等。国内则以华中科技大学的孙健利教授为代表的一大批科研人员投入到滚动直线导轨副的系统基础理论研究中去, 发表了大量的科研成果, 为滚动直线导轨的设计理论研究打下了扎实的基础。徐启贺在导轨副的优化算法中, 考虑了导轨的可靠性因素。李传应引入了威布尔分布参数、外来杂质影响参数, 轴承尺寸、油膜厚度及污染颗粒的大小相关的影响参数、材料表面粗糙度以及残余应力系数等参数。王盘铭根据滚动直线导轨副的特点, 建立了一种忽略滑块变形的有限元分析模型, 并应用ANSYS 软件对此模型进行了分析计算, 得到了受载变形数据及导轨副的静刚度值。为了验证模型的合理性,采用有限元方法求出滑块的两个转动弹性系数, 进而求出一定垂直外载荷时的垂直变形量。通过与前面的计算结果的比较, 验证了ANSYS 分析中模型模型简化方法的合理性, 为滚动直线导轨副的工程开发与应用提供了一种便捷的分析途径。开展滚动直线导轨副回珠曲线的优化设计, 可以提高滚珠运动流畅性, 达到降低噪声和减小滑块振动的目的。我国徐起贺、孙健利等人首先提出了回珠曲线的数学模型及设计方法, 并对曲率半径进行了理论研究。姜大志、应强等人以降低滚珠通过过渡区所产生的振动为设计准则, 利用承载区和过渡区内滚珠各循环状态刚度相等的假设条件, 求出各循环状态下的离散控制点, 借助最小二乘法拟合出一条连续的过渡曲线, 并借助试验验证了该方法减振的可行性。
关于滚动直线导轨副, 目前, 国内的龙头生产厂家主要有南京工艺、汉江机床、山东博特、大连高金以及广东凯特等, 一些高校如南京理工大学、华中科技大学、山东大学等与企业合作对滚动直线导轨副做了大量的研究工作, 并取得了不少的成果。
上述的这些研究工作的开展使得国产导轨的各项性能指标得到了极大的提高。但是与国外的知名厂家如日本THK、NSK 相比, 国内厂家生产的滚动功能部件产品在性能上仍然存在一定差距。高端机床的导向部件使用的都还是国外的滚动直线导轨副产品, 极大制约了我国自主研发高档数控机床的发展。如何提高滚动直线导轨副的综合性能, 如何理设计返向器实现高速低噪声运行, 都与相关理论基础与试验研究分不开, 加强基础研究是国内滚动功能部件发展的重要部分。
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