高速空心滾珠絲杠副動態(tài)性能試驗平臺的研發(fā)*

劉永平 陳 禎 芮執(zhí)元 花志雄 謝軍太

（蘭州理工大學(xué)機電工程學(xué)院，甘肅蘭州 730050）

高速進(jìn)給系統(tǒng)的基本要求是高速度、高加速度、高剛度、高精度、輕量化［1］。目前，高速滾珠絲杠副傳動系統(tǒng)仍然是高速機床進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)的主要形式，一般認(rèn)為:驅(qū)動速度達(dá)到60 m/min以上，加減速度在1g左右，精度達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T18587.1.3中的p3級以上，性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計要求者，可稱之為精密高速滾珠絲杠副［2］。隨著數(shù)控機床向高速化發(fā)展，滾珠絲杠副出現(xiàn)了溫度上升，噪聲增大，定位精度下降等現(xiàn)象［3］。為了解滾珠絲杠副在不同使用條件下的性能情況，只有通過模擬性實驗，對系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)性能檢測，得到影響系統(tǒng)性能的主要原因，從而針對相關(guān)問題，提出切實可行的解決方案［4］。

目前，國內(nèi)高速滾珠絲杠副的發(fā)展水平和國外存在不小的差距，除原材料和加工設(shè)備的精度因素外，缺乏完善的試驗檢測手段是制約其發(fā)展的一個重要因素［5］。肖正義［2］、宋現(xiàn)春［6］、張震宇［7］等通過試驗研究了滾珠絲杠副在高速運行狀態(tài)下的各種性能情況，然而，在高速運行狀態(tài)下，為了有效控制絲杠副的發(fā)熱，滾珠絲杠通常采用空心結(jié)構(gòu)，因此，為了檢測空心滾珠絲杠副在高速運轉(zhuǎn)下的各種性能參數(shù)，筆者搭建了一套高速滾珠絲杠副動態(tài)性能檢測平臺。

1 實驗平臺總體方案

1.1 機械系統(tǒng)

本實驗平臺為單軸運行平臺，最大進(jìn)給速度為60 m/min，進(jìn)給加速度為1g。選用長度為800 mm的空心滾珠絲杠作為被測元件，滾動導(dǎo)軌、軸承、相應(yīng)的支撐附件和密封附件、以及伺服電動機等依據(jù)滾珠絲杠和實驗平臺設(shè)計的技術(shù)要求通過計算進(jìn)行選型，床身采用灰鑄鐵澆注而成?？赏瓿韶?fù)載狀態(tài)下滾珠絲杠副溫度、螺母表面溫度、絲杠變形、絲杠副振動、絲杠預(yù)緊力、絲杠驅(qū)動速度和加速度以及空心絲杠冷卻過程進(jìn)出口油溫和壓力等的在線實時測量。數(shù)控系統(tǒng)采用日本FANUC數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集采用比利時LMS公司的LMS Test.Lab實驗測試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。圖1所示為本實驗平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成圖。

如圖2所示，試驗臺安裝時嚴(yán)格保證兩直線導(dǎo)軌和滾珠絲杠在兩方向的平行度，前后軸承采用NSK推力角接觸球軸承，聯(lián)軸器采用德國KTR梅花型彈性聯(lián)軸器，絲杠螺母選用NSK高速機床專用螺母，絲杠選用NSK高速機床專用空心絲杠，支撐單元選用WBK30FD－31，軸端用密封單元采用 WSK25A－01，軸外周用密封單元采用WSK40B－01，選用FANUC交流伺服電動機αi系列電動機，Ⅲ型α22/3000i，額定功率為4 kW。圖3所示為實驗平臺機械系統(tǒng)三維模型。

1.2 控制系統(tǒng)

數(shù)控系統(tǒng)驅(qū)動伺服電動機順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)，滾珠絲杠副將電動機的順、逆旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為配重塊的往復(fù)直線運動。配重塊的重量可以根據(jù)絲杠副的實際負(fù)重加以調(diào)整。計算機中安裝采集和數(shù)據(jù)處理軟件，通過各種接口和A/D采集卡將傳感器輸出的信號采集到計算機中，然后用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲、曲線繪制和檢測報告的打印等。圖4所示為本實驗臺控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖。

2 高速滾珠絲杠副動態(tài)性能參數(shù)測試

2.1 試驗臺性能參數(shù)測試原理

前端傳感器將需要檢測的溫度、加速度、位移、壓力、流量等信號傳遞給數(shù)據(jù)采集和控制部分;數(shù)據(jù)采集和控制部分完成對傳感器的數(shù)據(jù)同步采集，并同時控制伺服電動機按照設(shè)定的各種參數(shù)運行;采集到的數(shù)據(jù)通過各種接口實時記錄，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。圖5為本實驗平臺動態(tài)性能參數(shù)測試系統(tǒng)布線圖。

如圖5所示:①、②接電渦流位移傳感器，用于檢測絲杠左右兩側(cè)軸承座位移;③、④分別接三向加速度傳感器，用于檢測工作臺X、Y、Z三個方向加速度和床身X、Y、Z三個方向加速度;⑤接流量傳感器，用于檢測空心絲杠進(jìn)口冷卻油流量;⑥接數(shù)據(jù)采集計算機網(wǎng)線接口;⑦、⑧分別接絲杠左右兩側(cè)溫度傳感器，用于檢測空心絲杠進(jìn)出口冷卻油溫度;⑨、⑩分別接絲杠左右兩側(cè)貼片式溫度傳感器，用于檢測左右兩側(cè)軸承座上表面溫度。

圖6所示為本試驗臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件界面。

2.2 加速度測量

采用美國PCB公司的加速度傳感器，用來測量檢測點位置X、Y和Z三個方向的加速度，軟件中加速度的方向設(shè)置應(yīng)該由加速度傳感器上顯示的方向與試驗平臺本身的方向共同確定。加速度傳感器的測量分辨率為0.000 1 g。圖7、8所示，分別為進(jìn)給速度為50 m/min時，床身加速度頻域圖譜和加速度時域圖譜。

2.3 溫升測量

通過在絲杠螺母，空心絲杠進(jìn)出口和前后軸承座等處設(shè)置多路高精度溫度傳感器，實現(xiàn)了滾珠絲杠副在工作狀態(tài)下的溫升實時測量。進(jìn)出口油溫采用接觸式溫度傳感器，分辨率為0.1℃;左右軸承座溫升測量采用PT100貼片式高精度溫度傳感器，分辨率為0.1℃，通過RS232串口，將各路溫度采樣點數(shù)據(jù)依次讀入上位機中，并且顯示實時的溫度變化。圖9、10分別為進(jìn)給速度為50 m/min時，空心絲杠進(jìn)出口油溫曲線和左右軸承座溫升曲線。

2.4 熱位移測量

采用非接觸式的電渦流位移傳感器，測量滾珠絲杠在運動過程中的熱變形，其分辨率為0.1 μm。電渦流位移傳感器分別安裝在空心滾珠絲杠兩個端面，安裝時需保證被測端面光滑，并且傳感器與被測端面垂直，傳感器探頭距被測端面的距離為0.1～1 mm。

2.5 定位精度測量

采用光柵尺和激光干涉儀，實現(xiàn)了高速滾珠絲杠副工作狀態(tài)下定位精度和重復(fù)定位精度的測量。圖12所示為通過測試系統(tǒng)獲得的定位精度測試軟件顯示界面。

由于系統(tǒng)的溫升引起的變形量，與絲杠拉升或壓縮引起的變形量、絲杠扭轉(zhuǎn)變形引起的軸向變形量、絲杠受自重彎曲引起的軸向變形量、支撐滾珠絲杠軸承軸向變形量和絲杠任意行程內(nèi)變形量，共同構(gòu)成了滾珠絲杠的軸向變形量，引起滾珠絲杠系統(tǒng)精度的變化。

通過理論計算得到的精度變化結(jié)果，與采用系統(tǒng)測試獲得的結(jié)果對比，后者不大于前者，則說明設(shè)計滿足要求，否則應(yīng)該查找原因予以解決。

3 結(jié)語

利用本試驗平臺，可以實現(xiàn)對高速運轉(zhuǎn)下的空心滾珠絲杠副的加速度、速度、溫升、熱定位、定位精度等動態(tài)性能參數(shù)進(jìn)行測試，為空心滾珠絲杠副產(chǎn)品的改進(jìn)提供可靠的試驗數(shù)據(jù)參考。由于研究還剛剛開始，大量實驗有待進(jìn)一步深入分析，希望通過進(jìn)一步的試驗研究、理論研究和經(jīng)驗積累，不斷探索滾珠絲杠副動態(tài)性能改進(jìn)的方法，為我國高速滾珠絲杠的產(chǎn)品質(zhì)量提升有所幫助。

［1］宋現(xiàn)春，劉劍，王兆坦，等.高速滾珠絲杠副綜合性能試驗臺的研制開發(fā)［J］.工具技術(shù)，2005，39（3）.

［2］肖正義，焦?jié)?高速滾珠絲杠副的研發(fā)和測試技術(shù)［J］.制造技術(shù)與機床，2004（4）:95－98.

［3］袁帥.高速精密滾珠絲杠副綜合檢測技術(shù)研究［D］.大連:大連理工大學(xué)，2004.

［4］夏軍勇.熱彈性效應(yīng)和數(shù)控機床進(jìn)給系統(tǒng)熱動態(tài)特性的研究［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2008.

［5］張伯霖，黃曉明，范夢吾，等.高速機床進(jìn)給系統(tǒng)的發(fā)展趨勢［J］.組合機床與自動化加工技術(shù)，2002（10）:7－11.

［6］宋現(xiàn)春，林明星，艾興，等.誤差輸入前饋補償控制及其在滾珠絲杠磨削中的應(yīng)用［J］.機械工程學(xué)報，2002（4）:100－102.

［7］張震宇.高速滾珠絲杠副綜合性能檢測系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用［D］.南京:南京理工大學(xué)，2008.