重載滾珠絲杠試驗(yàn)儀的設(shè)計(jì)*

黃 寬 殷愛華

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京 210014)

滾珠絲杠副是機(jī)械系統(tǒng)的關(guān)鍵傳動(dòng)部件，近幾年來隨著市場需求的不斷增大，“重載、高速、精密”已經(jīng)成為滾珠絲杠副發(fā)展的主導(dǎo)方向。為了提高重載滾珠絲杠副的性能，研究滾動(dòng)功能部件在重載下運(yùn)行時(shí)的彈性變形、可靠性和工作壽命，從而便于對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、主要參數(shù)、驅(qū)動(dòng)方式以及制造技術(shù)(含材料)等方面進(jìn)行剖析，因此設(shè)計(jì)了重載滾珠絲杠性能試驗(yàn)臺(tái)。

1 系統(tǒng)總體方案

重載滾珠絲杠性能檢測系統(tǒng)包括3個(gè)分系統(tǒng):(1)是基于研華1713A/D采集卡和IK220計(jì)數(shù)卡組成的采集系統(tǒng)，用于采集各個(gè)傳感器的輸出信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)從模擬量向數(shù)字量的轉(zhuǎn)換;(2)是基于1720D/A輸出卡和固高運(yùn)動(dòng)控制卡組成的控制系統(tǒng)，用于控制伺服電動(dòng)機(jī)和伺服液壓缸實(shí)現(xiàn)對重載滾珠絲杠副實(shí)際工況的模擬;(3)是數(shù)據(jù)處理分析軟件系統(tǒng)，用于對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并計(jì)算出溫升、加載力、轉(zhuǎn)速、反向間隙和噪聲等參數(shù)。其系統(tǒng)總體構(gòu)成原理圖如圖1所示。

該試驗(yàn)儀模擬滾珠絲杠在實(shí)際使用中的安裝環(huán)境，在螺母支座下面安裝有滾珠直線導(dǎo)軌，用被測的滾珠絲杠副傳動(dòng)，通過聯(lián)軸器把伺服電動(dòng)機(jī)與絲杠直連，用控制器來控制絲杠轉(zhuǎn)速、方向，拖動(dòng)工作臺(tái)左右移動(dòng)。同時(shí)，伺服液壓缸在螺母座軸向方向上加載一個(gè)恒定的力在螺母支座上，模擬實(shí)際使用中螺母座所受的軸向力。

通過各種傳感器采集溫升、加載力、轉(zhuǎn)速、反向間隙和摩擦力矩等數(shù)據(jù)并由采集卡送入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行計(jì)算處理并直接顯示，并且還可以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)便于后續(xù)的分析與評(píng)定。

2 試驗(yàn)儀機(jī)械部分設(shè)計(jì)

試驗(yàn)儀的機(jī)械部分主要用于承載伺服液壓缸、伺服電動(dòng)機(jī)、直線導(dǎo)軌和絲杠，其作用是保證測量過程中工作臺(tái)的移動(dòng)和加載壓力，主要由床身、液壓缸支座、壓力計(jì)支座、螺母支座、軸承支座、聯(lián)軸器和電動(dòng)機(jī)支座等部分組成(圖2)。

床身是試驗(yàn)儀的重要組成部分，要保證在測量過程中能夠承載20 t的加載力。液壓缸支座、軸承支座和電動(dòng)機(jī)支座通過螺栓聯(lián)接在床身上，這3個(gè)支座的軸心要保證同軸，以防液壓桿作用在螺母支座上會(huì)產(chǎn)生彎矩。螺母支座安裝在直線導(dǎo)軌上，保證能夠流暢地滑動(dòng)，無卡滯現(xiàn)象。絲杠的右端通過套筒和滾動(dòng)軸承固定在軸承支座上(圖3)，當(dāng)要拆卸時(shí)，只要把螺母支座移開同時(shí)松開聯(lián)軸器就可以把絲杠從套筒里取出，這樣方便絲杠的取出并且避免經(jīng)常拆卸軸承造成軸承內(nèi)圈損壞。

3 試驗(yàn)儀電路設(shè)計(jì)

該試驗(yàn)儀的電路部分設(shè)計(jì)包括2部分:(1)是由采集卡采集各路傳感器的信號(hào)并通過計(jì)算機(jī)串口提供給計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理顯示。主要由研華1713A/D采集卡和IK220計(jì)數(shù)卡組成;(2)是計(jì)算機(jī)通過固高運(yùn)動(dòng)控制卡和1720D/A輸出卡分別控制伺服電動(dòng)機(jī)和伺服液壓缸。

3.1 數(shù)據(jù)采集部分電路設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)儀需要測量絲杠跑合后的溫升、摩擦力矩、反向間隙、加載力和轉(zhuǎn)速。

(1)溫升的測量:系統(tǒng)采用接觸式溫度傳感器——Pt100。溫度傳感器的輸出電壓經(jīng)溫度變送器后轉(zhuǎn)換成與溫度對應(yīng)的電壓值。

(2)摩擦力矩的測量:系統(tǒng)采用的是西門子驅(qū)動(dòng)器，控制模塊的75.A端子上可以輸出與電動(dòng)機(jī)扭矩對應(yīng)的模擬量。電動(dòng)機(jī)扭矩包括減速機(jī)的摩擦力矩、直線導(dǎo)軌的摩擦力矩、絲杠的摩擦力矩，即T電動(dòng)機(jī)=T減速機(jī)+T直線導(dǎo)軌+T絲杠。經(jīng)過大量跑合后發(fā)現(xiàn)減速機(jī)的摩擦力矩和直線導(dǎo)軌的摩擦力矩趨于一個(gè)定值。因此絲杠的摩擦力矩T絲杠=T電動(dòng)機(jī)－T直線導(dǎo)軌－T減速機(jī)。而電動(dòng)機(jī)扭矩的值可以直接在西門子調(diào)試助手SIMOCOM U讀出來。多采集幾組數(shù)據(jù)，再用最小二乘法擬合出電流值與摩擦力矩之間的函數(shù)關(guān)系。

(3)反向間隙的測量:先記錄下圓光柵的起點(diǎn)位置θ1，接著螺母座移動(dòng)10 mm距離再返回起點(diǎn)，記錄下此時(shí)圓光柵的位置θ2。則反向間隙=［360°×20/(2 048 ×50)］× |θ2－ θ1|。式中:360°/2 048 為電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度，50為減速器的減速比，20 mm為絲杠的導(dǎo)程，2 048為編碼器的刻線。

(4)加載力的測量:系統(tǒng)采用的是力達(dá)測控有限公司MCC－F(50 t)輪輻式承重傳感器。由于壓力變送器的輸出為1～5 V的電壓信號(hào)(即1 V≈12.5 t)。把采集到的電壓信號(hào)乘以12.5便得到加載力。

(5)轉(zhuǎn)速的測量:用IK220計(jì)數(shù)卡采集電動(dòng)機(jī)編碼器輸出的脈沖，絲杠轉(zhuǎn)速=絲杠角速度/(2×π)，單位:r/min。絲杠角速度 =［60 000×3.141 6×360°/180°×2 048為采集周期)，單位:rad/min。絲杠轉(zhuǎn)速=29.196 9×(Y/T)×1/50=0.585 9×Y/T，單位:r/min。

3.2 控制部分電路設(shè)計(jì)

試驗(yàn)儀工作時(shí)，螺母座需要以恒定的速度運(yùn)行，同時(shí)加載在螺母座軸向方向上的壓力也要能夠保持恒定。由于采用西門子控制器，因此絲杠的轉(zhuǎn)速可以通過西門子驅(qū)動(dòng)器控制，我們只需采用固高運(yùn)動(dòng)控制卡控制驅(qū)動(dòng)器的56.A端子上的電壓，剩下的就是控制液壓缸的加載力。

35 t液壓伺服加載系統(tǒng)的工作原理:YU80油源提供壓力、流量給YGM310伺服作動(dòng)筒(圖4)，用以滿足系統(tǒng)加載所需的力、行程和速度要求。YGM310伺服作動(dòng)筒的換向是由YFW06伺服閥控制的，通過 PCI－1720D/A輸出卡輸出的電流控制伺服閥的動(dòng)作。PCI－1720的電流輸出電路圖如圖5所示。在選擇VS和RL時(shí)，必須滿足下面的條件:

式中:VS為電路的觸發(fā)電源;RL為負(fù)載電阻;PD為FET消耗的電流。

圖6為伺服閥的接線圖，每個(gè)線圈的阻值為80 Ω，可以采用串聯(lián)接法，也可以采用并聯(lián)接法，但必須滿足上述條件。經(jīng)過計(jì)算，當(dāng)采用串聯(lián)接法即總阻值為160 Ω時(shí)滿足上述條件。因此本系統(tǒng)采用串聯(lián)接法(即引腳2與引腳4連接，引腳1、3兩端接電流控制信號(hào))，只要改變引腳1、3兩端的極性就可以實(shí)現(xiàn)換向。

但是PCI － 1720D/A 的電流輸出為0 ～ 20 mA 或4～20 mA，不能改變極性，因此需要用4個(gè)繼電器組成一個(gè)橋式電路來改變引腳1、3兩端電流信號(hào)的極性(見圖7)。4個(gè)繼電器由固高運(yùn)動(dòng)控制卡的通用輸出口控制。

4 試驗(yàn)儀的控制設(shè)計(jì)

對于液壓缸的加壓采用PID算法控制。在連續(xù)控制系統(tǒng)中，按偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)進(jìn)行控制的PID控制(或稱PID調(diào)節(jié))是最常用的一種控制規(guī)律，它具有原理簡單、易于實(shí)現(xiàn)、魯棒性強(qiáng)和適用范圍廣等特點(diǎn)。PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)有3個(gè)，即比例度δ、積分時(shí)間TI和微分時(shí)間TD。三者只要按被控對象的特性匹配設(shè)計(jì)，就能充分發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，較好地滿足控制要求。

在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，數(shù)字PID控制算法也被廣泛應(yīng)用。機(jī)電一體化系統(tǒng)控制對象的模型復(fù)雜，系統(tǒng)參數(shù)經(jīng)常發(fā)生變化，采用PID調(diào)節(jié)器，算法簡單，工作量較小，其參數(shù)比例系數(shù)Kp、積分時(shí)間系數(shù)TI、微分時(shí)間系數(shù)TD相互獨(dú)立，便于實(shí)現(xiàn)多回路控制。為了用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)PID控制規(guī)律，采用數(shù)字PID算法。設(shè)T為采樣周期，k=0，1，2，…，i，…為采樣序列。因采樣周期T相對信號(hào)變化周期很小，所以可用矩形面積的和近似式(2)中的積分，用向后差分的方法近似式(3)中的微分。即

將式(2)、(3)代入式(1)，得:

式中:k為采樣序列，k=0，1，2，…;u(k)為第k次采樣時(shí)調(diào)節(jié)器的輸出;T為采樣周期，應(yīng)使T足夠小，才能保證系統(tǒng)精度;e(k)為第k次采樣時(shí)刻的偏差值;e(k－1)為第(k－1)次采樣時(shí)刻的偏差值。式(4)的輸出量u(k)為全量輸出，其控制示意圖如圖8所示。圖9為式(4)表示的數(shù)字PID控制器程序框圖。

5 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制軟件采用VB語言編寫，軟件設(shè)計(jì)中大量采用模塊設(shè)計(jì)思想，將各個(gè)功能程序盡量封裝在功能模塊中，使程序條理清晰，語言簡化，集成率高。本系統(tǒng)主要包括以下模塊:電動(dòng)機(jī)初始化、電動(dòng)機(jī)運(yùn)行、電動(dòng)機(jī)停止、動(dòng)態(tài)測量與顯示、PID控制、板卡初始化和數(shù)據(jù)采集。

在測量過程中，系統(tǒng)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)、自動(dòng)保存數(shù)據(jù)并且能記錄絲杠已經(jīng)跑合到第幾組、第幾次，當(dāng)下次做實(shí)驗(yàn)時(shí)可以接著做而不須重新設(shè)置跑合參數(shù)，從而大大降低操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度。操作軟件測量主程序流程圖如圖10所示，運(yùn)行時(shí)的界面如圖11所示。

6 結(jié)語

本系統(tǒng)已通過驗(yàn)收，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均已達(dá)到設(shè)計(jì)要求，能夠可靠運(yùn)行。通過本測試系統(tǒng)可以測試重載滾珠絲杠副的壽命、傳動(dòng)精度、溫升、加載能力及摩擦力矩喪失情況。結(jié)合其他試驗(yàn)臺(tái)的聯(lián)合測試，可得到承載工況后重載滾珠絲杠副的定位精度，絲杠、螺母的齒形變形量、齒面點(diǎn)蝕、磨損量及鋼球的磨損量。本系統(tǒng)為重載滾珠絲杠副的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為漢江機(jī)床有限公司提升絲杠品質(zhì)和產(chǎn)品競爭力提供了有力保證。

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