立式加工中心滚珠丝杠优化设计
2019-5-16 来源： 江苏牧力数控科技有限公司 作者：王宏来
摘 要：滚珠丝杠是立式加工中心进给系统的关键传动部件，它的精度与性能直接影响立式加工中心的性能。由于滚珠丝杠在外力的作用下容易产生变形、振动等特点，以立式加工中心的滚珠丝杠为研究对象，应用有限元软件对滚珠丝杠进行模态分析，为结构优化提供依据。
关键词：立式加工；滚珠丝杠；三维建模
随着加工中心不断向高精度方向发展，对滚珠丝杠提出了更高的要求。滚珠丝杠的激振频率接近滚珠丝杠的共振频率，滚珠丝杠会产生共振，会直接影响加工工件的加工质量。由于滚珠丝杠直接带动工作台、滑座和主轴箱进行进给运动，直接影响加工精度。因此，研究滚珠丝杠的动态性能具有重要的意义。
1 、滚珠丝杠模型的建立
本文以立式加工中心使用的 EBA2005-3 型滚珠丝杠，运用 Solid Works 三维建模软件建立滚珠丝杠的模型，忽略对滚珠丝杠模态仿真无影响的倒角、孔等结构，建立滚珠丝杠的三维模型。将三维模型导入到 ANSYS Workbench 软件中。设置滚珠丝杠泊松比为 0.3、材料密度为 7850kg/m3和弹性模量为 210000MPa。根据滚珠丝杠的实际工况，约束滚珠丝杠两端的移动，对眼 X 轴方向不进行约束。利用软件自带的划分网格软件对滚珠丝杠进行自动网格划分。
2 、滚珠丝杠的模态分析
模态分析可以帮助设计人员对滚珠丝杠的设计，从而避免产生共振 。滚珠丝杠的前六阶模态的固有频率会对动态特性分析其作用，通过软件自带的求解器求解前六阶的固有频率和振型。由于相邻振型相同，这里只提取一阶、三阶和五阶的振型，一阶振型如图 1 所示，三阶振型如图 2 所示，五阶振型如图 3 所示。
图 1 一阶丝杠振型图
图 2 三阶丝杠振型图
图 3 五阶丝杠振型图
经过模态分析发现，丝杠在一阶振型变表现为沿 Y 轴弯曲，三阶振型滚珠丝杠在两端都发生弯曲，五阶振型滚珠丝杠发生三次弯曲变形。滚珠丝杠的中间部位变形最大为振动的薄弱环节，在滚珠丝杠设计中采取双螺母进行安装 , 安装方式如图 4 所示。
图 4 双螺母滚珠丝杠
通过对双螺母滚珠丝杠进行模态分析发现丝杠的前六阶固有频率均有所提高，丝杠的弯曲程度也比优化前丝杠的弯曲程度要小。经过改进，滚珠丝杠的一阶固有频率提高到46HZ，发现滚珠丝杠的动态性能得到很大的改善。
3 、结束语
通过对工作台的优化，发现工作台的动态性能得到了改善，为其他部件的优化和改进提供了可靠的数据支撑。
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