滚柱直线导轨结合面的振动分析

    0 引 言

    在工程应用中，为了防止机械装备被破坏，或者是针对诸如数控机床一类有高精度要求的机械装备，往往要求装备的各阶固有频率远离工作频率，这时研究者就需要对装备进行动力学分析。滚动直线导轨广泛地应用于数控机床一类的高精度的机械装备中，属于其中的关键部件，该部件的动力学特性不仅影响自身的寿命，还直接影响到机械装备的精度。

    滚动直线导轨主要由滑块、导轨、滚动体以及其他附属件等组成，滚动体可以是滚珠或者滚柱。对于滚柱直线导轨，由于是线接触，具有更高的刚度，常常作为重载荷机械装备的首选。目前，对滚动直线导轨的静力学特性研究比较多，而对其动力学特性的研究则比较少。在目前的研究中，研究者常常用阻尼弹簧单元来模拟导轨和滑块的接触［1-2］，Hiroyuki Ohta用阻尼弹簧代替滚珠，建立了滚珠直线导轨的动力学模型，通过有限元分析软件得到了模型求解，并且通过实验说明了模型的不同模态对系统动力学性能的影响，但是由于滚珠太多，阻尼弹簧单元的数量较多，对计算机要求比较高。也有研究人员利用分形理论，通过设计一种无厚度的三维薄膜单元来模拟［3-4］，谢波在论文中采用一个独立的多节点单元来模拟滚动直线导轨的结合面，可以解决接触的非线性问题，测试所得结论比阻尼弹簧单元的精度要高，但是对单元本身的相关参数的确定过程相对比较复杂。孙伟［5］在论文中提到，用一种假想材料模拟结合面，在导轨滑块和轨道之间加入假想的弹性垫片，来模拟结合面的刚度，并通过实验的方法来修正弹性垫片的参数。

    虚拟样机技术越来越多地应用到各种领域中，对于动力学的分析，也有很多软件具有这一功能，如ANSYS提供了Modal、Dynamic等功能模块，ADAMS提供了振动模块。本研究采用ADAMS提供的线性模块进行动力学建模和分析。ADAMS（即机械系统动力学自动分析）是美国MSC公司开发的虚拟样机分析软件，已经被世界各行各业的主要制造商采用，占据了一半以上的市场。ADAMS的求解器采用多刚体动力学中的拉格朗日方程法，通过建立系统动力学方程，可以进行静力学、运动学和动力学分析，并且具有较好的后处理功能。

    本研究采用振动理论，通过采用8个弹簧建立系统的振动模型，并且采用一种新的建模方法，利用AD?AMS的功能建立滚柱直线导轨振动仿真模型，在弹簧单元的参数识别上，通过等效的方法确定刚度。本研究以滚柱直线导轨为研究对象，为了重点研究滚柱直线导轨结合部的动力学模型，把滑块和导轨看作是刚体，并且采用弹簧单元模拟直线导轨结合部，建立一个多刚体的振动系统。