基于磁粉制動(dòng)器加載的滾珠絲杠試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

賴建林，范元?jiǎng)?/p>

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

0 引言

滾珠絲杠副作為一種高精度、高效率的直線定位傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，一直廣泛應(yīng)用于各種機(jī)床、科學(xué)儀器、數(shù)控裝備和軍事裝備等領(lǐng)域，更由于滾珠絲杠副有較高的軸向剛度和較大推力的特點(diǎn)，精密滾珠絲杠副在航空、航天飛行器等伺服傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用也越來越廣泛[1-3]。而航天伺服傳動(dòng)機(jī)構(gòu)用滾珠絲杠副有著其特殊的工作條件和工作要求，因此設(shè)計(jì)出一種能夠?qū)教焖欧C(jī)構(gòu)用滾珠絲杠副進(jìn)行綜合性能測(cè)試的試驗(yàn)臺(tái)對(duì)滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)研究、制造生產(chǎn)有著極其重大作用。

在滾珠絲杠副試驗(yàn)臺(tái)研究方面，日本信州大學(xué)的學(xué)者Fukada S等[4]研制了精密滾珠絲杠副微觀狀態(tài)檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)，此試驗(yàn)臺(tái)可以檢測(cè)滾珠絲杠副的非線性微觀狀態(tài)。德國漢諾威大學(xué)的學(xué)者M(jìn)?hring H C等[5]提出并設(shè)計(jì)了一種新型的監(jiān)測(cè)滾珠絲杠副系統(tǒng)的試驗(yàn)裝置。山東大學(xué)程鑫[6]研制并開發(fā)了高速滾珠絲杠副試驗(yàn)臺(tái)。燕山大學(xué)朱川川[7]研究了重載滾珠絲杠壽命試驗(yàn)臺(tái)。南京理工大學(xué)沈凱[8]設(shè)計(jì)了滾珠絲杠副綜合性能測(cè)試系統(tǒng)。

上述內(nèi)容針對(duì)滾珠絲杠副加載試驗(yàn)臺(tái)的研究還不太完善，且國內(nèi)外針對(duì)滾珠絲杠副加載裝置試驗(yàn)臺(tái)及測(cè)試技術(shù)方面的研究還比較單一；針對(duì)這種情況，設(shè)計(jì)出了一種利用磁粉制動(dòng)器對(duì)滾珠絲杠副進(jìn)行加載的試驗(yàn)臺(tái)，此試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、成本較低。

1 試驗(yàn)臺(tái)總體方案設(shè)計(jì)

滾珠絲杠試驗(yàn)臺(tái)原理如圖1所示，此試驗(yàn)臺(tái)主要有機(jī)械結(jié)構(gòu)部分、控制系統(tǒng)、加載系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。機(jī)械結(jié)構(gòu)部分主要是滾珠絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及其一些機(jī)械連接結(jié)構(gòu)；控制系統(tǒng)通過單片機(jī)連接變頻器對(duì)三相異步交流電機(jī)進(jìn)行控制；加載系統(tǒng)可以通過磁粉制動(dòng)器控制器控制磁粉制動(dòng)器輸出轉(zhuǎn)矩的大小，進(jìn)而通過連接在磁粉制動(dòng)器上的擺桿將轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化為直線方向的力；采集系統(tǒng)主要對(duì)滾珠絲杠副在運(yùn)動(dòng)過程中各類數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析和處理。

試驗(yàn)臺(tái)采用三相異步交流電機(jī)作為主驅(qū)動(dòng)，電機(jī)輸出端通過聯(lián)軸器1連接轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器的輸入端，轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器的輸出端通過聯(lián)軸器2連接絲杠的輸入端，絲杠通過與一對(duì)角接觸球軸承的配合安裝在軸承座上，軸承座通過軸承座支架支撐，絲杠上的螺母與套筒的一端連接；當(dāng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，絲杠上的螺母連同套筒一起作直線運(yùn)動(dòng)；套筒通過連接板安裝在導(dǎo)軌滑塊上，套筒的另一端通過第二連接頭與拉壓力傳感器連接，拉壓力傳感器的另一端通過連接頭與滑槽相連；拉壓力傳感器可以實(shí)時(shí)顯示所加載荷的大小；滑槽通過銷軸、圓柱滾子軸承與擺桿連接安裝，擺桿的孔通過平鍵與磁粉制動(dòng)器的輸出軸配合連接；磁粉制動(dòng)器所加載荷的大小可以通過磁粉制動(dòng)器控制器調(diào)節(jié)。

該方案的提出有利地解決了現(xiàn)有滾珠絲杠副試驗(yàn)臺(tái)加載的不穩(wěn)定性及多干擾性問題。該試驗(yàn)臺(tái)利用磁粉制動(dòng)器可以實(shí)現(xiàn)滾珠絲杠副高速運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定加載，并保證了滾珠絲杠副各項(xiàng)性能的測(cè)試質(zhì)量。

圖1 滾珠絲杠副試驗(yàn)臺(tái)

2 試驗(yàn)臺(tái)加載系統(tǒng)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺(tái)的加載裝置對(duì)滾珠絲杠副系統(tǒng)的綜合性能測(cè)試有著重大作用[9]。目前常用的滾珠絲杠副加載裝置有電液伺服加載裝置、電動(dòng)耦合伺服加載裝置及直線電機(jī)加載裝置等。其中，電液伺服加載裝置需要耗費(fèi)大量成本構(gòu)建液壓站，并且加載時(shí)振動(dòng)比較大，這對(duì)滾珠絲杠副的綜合性能測(cè)試和分析具有一定影響[10-11]。電動(dòng)耦合伺服加載裝置需要兩個(gè)伺服電機(jī)和兩根絲杠(一根用于被測(cè)，一根用于加載)，這種加載方式會(huì)對(duì)被測(cè)絲杠產(chǎn)生一個(gè)力矩，這也會(huì)影響滾珠絲杠副綜合性能的測(cè)試和分析[12-13]。目前關(guān)于直線電機(jī)的相關(guān)研究技術(shù)不是非常成熟，而且使用直線電機(jī)加載成本較高[14-16]。

從方便性、操作性、成本等方面考慮，本試驗(yàn)臺(tái)采用磁粉制動(dòng)器通過擺桿將轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)變?yōu)樗街本€方向的拉壓力的被動(dòng)加載方式；當(dāng)滾珠絲杠副在運(yùn)動(dòng)并加載時(shí)，擺桿會(huì)在一定角度的范圍內(nèi)左右往復(fù)擺動(dòng)，使擺桿的有效長度發(fā)生改變，根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式M=F×L可知磁粉制動(dòng)器輸出的穩(wěn)定轉(zhuǎn)矩會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)樵谒街本€方向一定范圍內(nèi)變化的力；但是由于被測(cè)絲杠是較短絲杠，行程較小，擺桿擺角較小，因此水平方向上的加載力變化范圍也較小，對(duì)滾珠絲杠副性能的測(cè)試影響不大。

根據(jù)被測(cè)絲杠所需加載的要求及擺桿的長度，試驗(yàn)臺(tái)所選用于加載的磁粉制動(dòng)器型號(hào)為CZ-30，其額定轉(zhuǎn)矩為300N·m，激磁電流0～2A，允許滑差功率12kW[17]。

3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)要求，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制電機(jī)并帶動(dòng)絲杠作正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)絲杠上加有負(fù)載的螺母作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊主要是由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、單片機(jī)、變頻器和一些電氣元件組成。在滾珠絲杠副試驗(yàn)臺(tái)中，采用三相異步電機(jī)作為滾珠絲杠副的驅(qū)動(dòng)源，通過軟件編寫相應(yīng)的程序下載到單片機(jī)來控制電機(jī)作正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并且可以通過變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速；單片機(jī)程序的主要部分是時(shí)間控制的中斷程序部分，因此單片機(jī)便可以根據(jù)滾珠絲杠行程的大小和所需的轉(zhuǎn)速來控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)運(yùn)行及停止的時(shí)間，從而控制滾珠絲杠螺母的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的時(shí)間、速度及行程。

滾珠絲杠的驅(qū)動(dòng)扭矩與軸向所加載荷之間的公式為：

(1)

式中，T為滾珠絲杠所需驅(qū)動(dòng)扭矩；Fa為滾珠絲杠所加軸向載荷，其大小可以由加載系統(tǒng)部分求得；Ph為絲桿導(dǎo)程；η為滾珠絲杠傳動(dòng)效率。

由此可以計(jì)算出滾珠絲杠所需的驅(qū)動(dòng)扭矩，從而選擇滿足要求的電機(jī)和變頻器。本試驗(yàn)臺(tái)所選電機(jī)為南京銅馬電機(jī)有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為Y160M1-2的三相異步交流電動(dòng)機(jī)，其額定功率為11kW，額定轉(zhuǎn)速為2930r/min[18]；單片機(jī)為STC51單片機(jī)；變頻器型號(hào)為日本松下AVF200-0754。

4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集儀、傳感器和顯示儀等組成。圖2所示為測(cè)試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)原理圖；此試驗(yàn)臺(tái)所選擇的采集儀為DH5922動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)，此系統(tǒng)將加速度傳感器和力傳感器所采集的信號(hào)進(jìn)行顯示分析；根據(jù)滾珠絲杠所需加載軸向力的大小，且為了對(duì)滾珠絲杠所加軸向載荷的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及考慮試驗(yàn)臺(tái)的方便安裝，試驗(yàn)臺(tái)選擇型號(hào)為PPM225-LS1-1-A的S型拉壓力傳感器，量程為0～5000kG，為保證拉壓力傳感器采集信號(hào)的穩(wěn)定性， 選擇PPM-KL22-1型精密信號(hào)變送器，顯示儀表為PPM-TC1CB數(shù)顯控制儀表，拉壓力傳感器采集到的信號(hào)通過變送器在數(shù)顯控制儀表中實(shí)時(shí)顯示；根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)所需轉(zhuǎn)速及扭矩的大小，且為了對(duì)試驗(yàn)臺(tái)輸入端的轉(zhuǎn)速和扭矩進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，試驗(yàn)臺(tái)選擇interface公司的T15型號(hào)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器，轉(zhuǎn)矩量程為0～20Nm，轉(zhuǎn)速量程0～4000r/min；轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器顯示儀表也是interface公司的9850型號(hào)，可以實(shí)時(shí)顯示轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器所采集的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)原理圖

根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)采集的要求，可以設(shè)計(jì)出如圖3所示的數(shù)據(jù)采集流程。主要包括如下模塊：

(1)參數(shù)設(shè)置：設(shè)置滾珠絲杠的被測(cè)性能參數(shù)及其它條件參數(shù)。

(2)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：對(duì)所測(cè)參數(shù)動(dòng)態(tài)連續(xù)顯示、實(shí)時(shí)更新。

(3)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)以文件的形式進(jìn)行存儲(chǔ)，并將所測(cè)曲線以位圖形式進(jìn)行保存。

(4)數(shù)據(jù)分析：對(duì)已存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示分析與處理。

圖3 數(shù)據(jù)采集流程

5 結(jié)束語

本試驗(yàn)臺(tái)已經(jīng)成功設(shè)計(jì)完畢并經(jīng)過調(diào)試運(yùn)行，結(jié)果表明試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行狀況良好，可以對(duì)航天工況下的滾珠絲杠副進(jìn)行振動(dòng)、溫升、效率等綜合性能進(jìn)行測(cè)試分析，因此對(duì)航天伺服機(jī)構(gòu)用精密滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)研究和制造生產(chǎn)等方面具有重大指導(dǎo)作用，并且此試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)簡單合理、操作方便、成本較低。

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