高速精密滾珠絲杠綜合性能試驗臺設(shè)計

沈凱，祖莉

(南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

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高速精密滾珠絲杠綜合性能試驗臺設(shè)計

沈凱，祖莉

(南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

摘要：隨著伺服技術(shù)的快速發(fā)展，加之電機技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，高速驅(qū)動已經(jīng)可以達到很高的水平。基于這個原因，在機床行業(yè)提出了快速進給這個要求。一般來說，高速進給的速度要達到60 m/min，加速度要達到1 g。作為傳動鏈的重要一環(huán)，對滾珠絲杠高速化的研究顯得越來越重要。在以往，試驗環(huán)節(jié)被國內(nèi)的絲杠生產(chǎn)廠家與研究機構(gòu)嚴(yán)重忽視了，對絲杠的各種改進措施只有大概的、定性的了解，沒有具體試驗的支撐。近年來，基礎(chǔ)參數(shù)的獲取逐漸被國內(nèi)重視。因此，高速滾珠絲杠副綜合性能試驗臺的設(shè)計與開發(fā)顯得越來越重要。研發(fā)了一種高速精密滾珠絲杠綜合性能試驗臺，可以測量滾珠絲杠的眾多參數(shù)。介紹了其通用性的機械結(jié)構(gòu)，并簡述了其測試系統(tǒng)的搭建。

關(guān)鍵詞：精密滾珠絲杠；綜合性能；試驗

0引言

隨著機械技術(shù)的不斷發(fā)展，機床行業(yè)、工業(yè)機器人等領(lǐng)域?qū)焖龠M給提出越來越高的要求。其要求可以總結(jié)為兩點：1) 定位精度滿足要求。2) 進給速度進一步提高。通過電機帶動滾珠絲杠作為傳動部件已成為這類場合的主要驅(qū)動方式。其中滾珠絲杠作為重要的傳動部件，其性能直接影響傳動系統(tǒng)工作的優(yōu)劣。國內(nèi)外對滾珠絲杠綜合性能的提升已經(jīng)作了大量的理論研究[1-2]，但對于一些設(shè)計參數(shù)、工藝參數(shù)的調(diào)整是否可以實際提升滾珠絲杠的綜合性能，需要使用試驗的方法來得以驗證。為此，有必要設(shè)計高速精密滾珠絲杠綜合性能試驗臺。對高速絲杠的諸多性能進行測試，其結(jié)果既可以作為絲杠訂購者的選用依據(jù)；也可以作為絲杠生產(chǎn)廠家的參考數(shù)據(jù)，用以提高絲杠的品質(zhì)。

1待測項目的確定

在試驗臺設(shè)計之初必須確定需要測量的參數(shù)。高速滾珠絲杠在使用過程中的性能可以從兩個方面進行評價：

1) 滾珠絲杠的功能是否優(yōu)秀。按照國標(biāo)[3]對滾珠絲杠副的定義，滾珠絲杠副分為定位滾珠絲杠副(P型)和傳動滾珠絲杠副(T型)。高速精密滾珠絲杠屬于定位型，因此，對其定位功能是否滿足要求需要進行測試。

2) 滾珠絲杠使用過程中是否流暢、穩(wěn)定。在絲杠的功能滿足條件的同時，滾珠絲杠的訂購者也希望滾珠絲杠的實際工作表現(xiàn)更加優(yōu)秀，比如滾珠絲杠的發(fā)熱量與噪聲，這些參數(shù)在絲杠高速運行后變得尤為重要。

借鑒現(xiàn)有的機械標(biāo)準(zhǔn)[4]并添加幾個測試項目，確定本試驗臺測量滾珠絲杠以下幾個參數(shù)：定位精度、溫升、噪聲、溫位移、加速度、振動、摩擦扭矩、效率。

2試驗臺總體設(shè)計

試驗臺圖1可以測量的絲杠的尺寸為：公稱直徑20~63mm，螺紋的有效長度小于2m。工作臺運行的最大速度為1m/s，加速度最大為1g。為了模擬絲杠的實際使用工況：試驗臺采用伺服電機與絲杠直聯(lián)的驅(qū)動方式，絲杠使用支撐單元兩端固定，并對絲杠進行預(yù)拉伸。絲杠螺母與工作臺固定成為一個整體。當(dāng)電機帶動絲杠轉(zhuǎn)動后，絲杠螺母即可以拖動工作臺往復(fù)運動。在試驗臺運行過程中對確定的測試項目進行實時地測量。傳感器的信號接入數(shù)據(jù)采集卡，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。通過Visual Basic6.0編輯的軟件將測試數(shù)據(jù)錄入工控機，并可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理與打印。

1—伺服電機；2—圓磁柵及讀數(shù)頭；3—動態(tài)扭矩傳感；4—絲杠支撐單元；5—噪音傳感器; 6—被測絲杠; 7—被測絲杠螺母; 8—滑座; 9—靜態(tài)扭矩傳感器；10—傳力環(huán)；11—激光位移傳感器；12—直線光柵讀數(shù)；13—限位裝置；14—加速度傳感器；15、16—振動傳感器；17—工控機圖1　試驗臺原理圖

被測絲杠使用絲杠支撐單元兩端支撐，并由伺服電機驅(qū)動正、反轉(zhuǎn)動。圓磁柵與伺服電機輸出軸周向緊固，用來測量電機轉(zhuǎn)過的角度。動態(tài)扭矩傳感器測量輸入扭矩。噪聲傳感器測量絲杠運行過程中的噪聲。被測絲杠螺母與傳力環(huán)相連，傳力環(huán)通過限位裝置拖動滑座來回移動。與傳力環(huán)相連的靜態(tài)扭矩傳感器可以將讀取的扭矩信號換算為絲杠運行過程中的摩擦扭矩。激光位移傳感器測量絲杠運行后因為溫度上升造成的伸長量。直線光柵讀數(shù)頭與滑座固連，測量絲杠運行過程中的實際位置。加速度傳感器測量滑座運行過程中的沿絲杠軸線方向的加速度；振動傳感器與分別測量垂直于絲杠軸線方向的水平與豎直方向上的振動。動態(tài)扭矩傳感器、噪聲傳感器、靜態(tài)扭矩傳感器、激光位移傳感器、加速度傳感器、振動傳感器及的信號進入工控機。

3試驗臺機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

試驗臺需要測量不同規(guī)格的滾珠絲杠，具體來說即需要在試驗臺上安裝軸端、長度及絲杠螺母尺寸不同的各類絲杠。為此，需要針對以上3個絲杠參數(shù)設(shè)計通用的、方便反復(fù)拆裝的工裝結(jié)構(gòu)，以達到高效測試的目的。

3.1支撐單元的設(shè)計

當(dāng)測量不同軸端尺寸的滾珠絲杠時，需要一種通用的支撐單元。如圖2 所示為試驗臺支撐單元剖視圖。裝配時，先安裝內(nèi)錐套及螺紋套。內(nèi)錐套放置在支撐座內(nèi)孔中，并通過支撐座的定位面限制軸向移動，待壓緊螺母壓緊彈簧錐套后將力傳遞給內(nèi)錐套實現(xiàn)定位夾緊。螺紋套通過螺釘固定在支撐座上(圖中未畫出)，螺紋套內(nèi)孔中加工有內(nèi)螺紋。若內(nèi)螺紋出現(xiàn)磨損，則可以更換一個新零件從而避免整個支撐座報廢。 彈簧錐套內(nèi)部安裝有軸承。為了使軸承軸向定位，在靠近彈簧錐套與內(nèi)錐套配合的錐面小端處有一定位面；同時，在彈簧錐套另一側(cè)有一彈性擋圈，彈性擋圈通過螺釘與彈簧錐套固定，彈性擋圈的端面即可夾緊軸承，實現(xiàn)軸承的軸向定位、夾緊。將按照上述方式安裝好的彈簧錐套、軸承及彈性擋圈這幾個零件整體安裝到支撐座內(nèi)部，彈簧錐套與內(nèi)錐套通過錐面配合，實現(xiàn)準(zhǔn)確定心。壓緊螺母即可通過螺紋副與螺紋套擰緊，壓緊螺母的錐面即可與彈簧錐套配合，實現(xiàn)彈簧錐套的定位、夾緊。鎖緊螺母通過和絲杠軸端的螺紋部分旋合即可將絲杠軸向固定鎖緊。為了避免轉(zhuǎn)動部件與鎖緊螺母和固定部件、彈簧錐套直接接觸，在鎖緊螺母和彈簧錐套之間安裝一個隔套。隔套一端與鎖緊螺母接觸，另一端與軸承的內(nèi)圈接觸，這樣就保證了只有轉(zhuǎn)動部件之間接觸。

在更換不同軸端尺寸的滾珠絲杠時，擰松壓緊螺母并將其拆下，將內(nèi)部的彈簧錐套及彈簧擋圈與內(nèi)部的軸承一起拿出，并拆下鎖緊螺母及隔套。換上與新絲杠軸端尺寸相配合的新彈簧錐套、彈簧錐套和軸承以及新鎖緊螺母和隔套。

1—支撐座；2—內(nèi)錐套；3—彈簧錐套；4鎖緊螺母；5—隔套；6—軸承；7—壓緊螺母；8—彈性擋圈；9—螺紋套圖2　支撐單元結(jié)構(gòu)

3.2尾座設(shè)計

當(dāng)測量不同長度的絲杠時，如果采用通常的兩端固定式支座，不能滿足通用性要求。為此，必須讓絲杠的兩個支撐座中至少有一個可以移動。考慮到驅(qū)動電機安裝后不宜再反復(fù)移動位置，所以絲杠與電機的連接處采用固定的支座，而尾座設(shè)計為可移式。因為尾座在移動到位后需要鎖緊，為了保證絲杠的安裝剛度，往往需要較大的正向壓力來保證尾座緊固在試驗臺上，如果將尾座架設(shè)在供滑座使用的直線導(dǎo)軌上，其較長時間的壓力可能會對直線導(dǎo)軌的精度產(chǎn)生影響。為此，在床身上加工了“平—V”導(dǎo)軌和T型槽，在安裝不同長度的絲杠時，可以將尾座在“平—V” 導(dǎo)軌上移動到位，然后使用T行槽螺釘將尾座固定。尾座實物見圖3。

圖3　尾座

3.3滑座設(shè)計

當(dāng)測量不同尺寸的絲杠螺母時，需要一種通用的滑座結(jié)構(gòu)。為此，試驗臺采用一種特殊的絲杠螺母安裝結(jié)構(gòu)，如圖4所示。絲杠螺母采用通常的外圓定位方式安裝進入螺母套筒，同時在端面將絲杠螺母與螺母套筒固定。然后使用上、下V塊將螺母套筒壓緊，以實現(xiàn)絲杠螺母與工作臺固連成為一個整體。采用V型塊定位安裝時定心精度可以得到保證，同時拆卸方便。在上、下V塊之間有調(diào)整墊片，其作用是通過刮磨其厚度以保證上、下V塊的接觸，使得螺母套筒的安裝可靠。

1—絲杠螺母；2—螺母套筒；3—上V塊；4—調(diào)整墊片；5—下V塊支座圖4　滑座結(jié)構(gòu)

4滾珠絲杠綜合性能的測試

試驗臺使用動態(tài)扭矩傳感器測量絲杠的輸入扭矩；圓磁柵測量電機的輸入轉(zhuǎn)角；直線光柵測量工作臺的實際位置；加速度傳感器測量工作臺的實際加速度(X軸方向)；振動傳感器測量運行過程中的振動(垂直于絲杠軸線的豎直Y軸與水平Z軸)；靜態(tài)扭矩傳感器測量絲杠的摩擦扭矩；溫度傳感器測量絲杠的溫升；激光位移傳感器測量絲杠發(fā)熱后的伸長量。其中圓磁柵測得的絲杠轉(zhuǎn)角，通過換算可以得到工作臺的理論位置；直線光柵可以測量工作臺的實際位置，這兩個量進行對比即可以計算出絲杠在不同位置的偏差[5]，基于這些偏差就可以計算出絲杠的定位精度[6]。這些傳感器輸出都為模擬量，所以需要使用數(shù)據(jù)采集卡進行A/D轉(zhuǎn)換，將數(shù)字量計入工控機。

為了確保數(shù)據(jù)的完整性，各傳感器在絲杠運轉(zhuǎn)前應(yīng)該已經(jīng)開啟并進入待機狀態(tài)，而其采集的數(shù)據(jù)從何時開始有效，即傳感器采集的數(shù)據(jù)何時為工作臺開始運動，需要給工控機一個激勵信號。試驗臺使用西門子828D數(shù)控系統(tǒng)，系統(tǒng)有快速輸出接口，在控制工作臺運動的數(shù)控代碼的最開始階段，即通過此快速輸出接口給數(shù)據(jù)采集卡一個高電平信號，工控機從此時開始將采集的數(shù)據(jù)計入數(shù)據(jù)庫。測試系統(tǒng)的原理如圖5所示。

圖5　測試系統(tǒng)原理圖

5結(jié)語

試驗臺采用更換工裝的方式，可以方便地測量各種型號的絲杠，其創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)使得通用性大大增強?？梢詼y量的絲杠參數(shù)豐富，功能強大。試驗臺機械結(jié)構(gòu)及傳感器選用都遵循國標(biāo)，其測試結(jié)果具有很強的參考價值。此高速精密滾珠絲杠綜合性能試驗臺將為絲杠的制造商與訂購商提供重要的性能參數(shù)，從而為絲杠的制造與選型提供有力的試驗基礎(chǔ)。

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[1] 安虎平, 芮執(zhí)元, 馮瑞成, 等.高速機床滾珠絲杠副及其熱特性分析[J]. 機械制造, 2012, 1: 006.

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Design of Iest Instrument for Comprehensive Performance of

High-Speed and Precision Ball Screw

SHEN Kai，ZU Li

(School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094,China)

Abstract:As the servo technology develops rapidly, and motor technology becomes more mature, the high speed driving reaches a very high level. For this reason, a new concept-High Speed Feed is introduced into machine tool industry. In general, high speed feed means that the speed reaches 60 m/min and the acceleration reaches 1 g. With it as an important part of transmission chains, it is more and more important to study the high speed ball screw(HSBS), but the importance of its tests is ignored ly the factories in our country. they just know the parameters which may have influence on the performance. New more and more attention is paid to the basic data. So it is important to develop the test: Instrument (HSBSPTI) for the high speed ball screw performance. This paper introduces its test instrument which can be used to test many parameters of the ball screw, its main common mechanical structure. and the development of the test system.

Keywords:high-speed precession ball screw; comprehensive performance; test

收稿日期：2014-12-22

中圖分類號：TH131

文獻標(biāo)志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)03-0030-03

作者簡介：沈凱(1988-)，男，江蘇南京人，碩士研究生，主要研究方向為滾珠絲杠副檢測試驗，精密機電測控技術(shù)。