滾珠絲桿副的振動(dòng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)及適配性評(píng)價(jià)*

溫振強(qiáng)，王天雷，陳惠添，趙 挺，王 柱

0 引言

數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的功能是控制刀具運(yùn)動(dòng)到設(shè)定位置，確保加工工件尺寸、位置和表面精度。滾珠絲杠副作為數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的關(guān)鍵功能部件，其性能的高低很大程度上決定了數(shù)控機(jī)床的精度水平[1-2]。評(píng)價(jià)絲杠性能的主要指標(biāo)有振動(dòng)、噪音、摩擦力矩溫升、剛度、壽命等，都要受到進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)精度、靈敏度和穩(wěn)定性的直接影響。其中絲杠的振動(dòng)除與制造和安裝水平的直接相關(guān)以外，文獻(xiàn)[3-6]表明，滾珠對(duì)返向器的沖擊是產(chǎn)生軸向振動(dòng)重要因素，將直接影響機(jī)床進(jìn)給精度，導(dǎo)致工作臺(tái)產(chǎn)生軸向位移，影響工作臺(tái)的定位精度。而絲杠的徑向振動(dòng)也可能作為一個(gè)激勵(lì)源，使機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)甚至整機(jī)在某一頻域內(nèi)產(chǎn)生共振，加劇刀具的磨損，增大表面粗糙度，產(chǎn)生波紋和無(wú)法保證尺寸精度等，影響零件的加工質(zhì)量。

隨著數(shù)控機(jī)床向高速、高精方向發(fā)展，對(duì)滾珠絲杠副的性能提出了越來(lái)越高的要求，作為功能部件之一，滾珠絲杠副在機(jī)床整機(jī)中起到關(guān)鍵作用，在保證機(jī)床實(shí)現(xiàn)客戶要求的前提下，盡可能使?jié)L珠絲桿與整機(jī)功能及性能指標(biāo)相匹配，避免精度冗余或不足，提高產(chǎn)品性價(jià)比。

根據(jù)上述要求，本文設(shè)計(jì)了一種適合企業(yè)進(jìn)行滾珠絲桿振動(dòng)測(cè)試的系統(tǒng)，該系統(tǒng)由運(yùn)動(dòng)控制器、多通道數(shù)據(jù)測(cè)量分析儀、加速度傳感器和負(fù)載等組成，并針對(duì)公司面向不同產(chǎn)品加工的數(shù)控機(jī)床對(duì)滾珠絲桿的差異性要求，對(duì)三個(gè)不同品牌滾珠絲桿副運(yùn)行的振動(dòng)性能進(jìn)行了測(cè)試、分析和適配性評(píng)價(jià)，為設(shè)計(jì)不同用途的數(shù)控機(jī)床/裝備選配滾珠絲桿副提供依據(jù)。

1 測(cè)試裝置

1.1 測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

滾珠絲桿振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)見(jiàn)圖1，主要由伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、加速度傳感器和控制系統(tǒng)等組成。其中運(yùn)動(dòng)控制選用固高公司GTS-800-PV/PG-PCI型運(yùn)動(dòng)控制器，信號(hào)采集與分析采用美國(guó)Benstone公司四通道動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)量?jī)x、傳感器采用美國(guó)PCB公司LW185401/02/03三軸加速度傳感器，數(shù)控系統(tǒng)采用公司自主研發(fā)的佳鐵系統(tǒng)（JT803），此外，設(shè)計(jì)了進(jìn)給系統(tǒng)負(fù)載，可模擬數(shù)控機(jī)床實(shí)際加工狀況進(jìn)行加載運(yùn)行。測(cè)試系統(tǒng)基本構(gòu)成見(jiàn)圖2。

圖1 滾珠絲桿副振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

圖2 滾珠絲桿副振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)基本構(gòu)成

1.2 軟件設(shè)計(jì)

滾珠絲桿振動(dòng)性能測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3，主要由驅(qū)動(dòng)模塊，控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集分析模塊等組成。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)程序總體設(shè)計(jì)框圖

2 測(cè)試試驗(yàn)

本文僅針對(duì)公司生產(chǎn)的500C/E高光數(shù)控機(jī)床的配套的X軸滾珠絲桿，選擇不同品牌滾珠絲桿進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，分析與評(píng)價(jià)其對(duì)高光數(shù)控機(jī)床的適配性。本文僅對(duì)滾珠絲桿在不同轉(zhuǎn)速時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試，并不考慮產(chǎn)生振動(dòng)的原因，即激勵(lì)因素，或進(jìn)行故障診斷分析。因此測(cè)試時(shí)，采集時(shí)域中加速度幅值信號(hào)進(jìn)行分析，對(duì)振動(dòng)不做頻域分析。

測(cè)試安排如下。

（1）測(cè)試裝置

測(cè)試采用公司研發(fā)的滾珠絲桿副振動(dòng)性能測(cè)試系統(tǒng)，見(jiàn)圖1。滾珠絲杠兩端支撐方式為雙推—支承方式，即絲杠一端固定，另一端支承。固定端軸承同時(shí)承受軸向力和徑向力，支承端軸承只承受徑向力，而且能作微量的軸向浮動(dòng)，可以避免或減少絲杠因自重而出現(xiàn)的彎曲。同時(shí)絲熱變形可以自由地向一端伸長(zhǎng)。在被測(cè)絲杠螺母上安放了LW185401三軸加速度傳感器測(cè)量絲杠振動(dòng)，運(yùn)行時(shí)分別采集徑向水平、垂直和軸向的振動(dòng)信號(hào)，如圖4所示。

圖4 滾珠絲桿副振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

（2）測(cè)試對(duì)象

針對(duì)500C/E高光數(shù)控機(jī)床的X軸滾珠絲桿，選取市場(chǎng)三個(gè)使用較廣的品牌，分別編號(hào)為：1#絲杠、2#絲杠和3#進(jìn)行測(cè)試，被測(cè)滾珠絲桿主要參數(shù)均為：公稱直徑d0=28 mm，滾珠直徑db=3.5 mm，導(dǎo)程I=5 mm，絲杠最大行程Lmax=800 mm，返向器為內(nèi)循環(huán)式，滾珠直徑為3.175 mm。

（3）測(cè)試方案

根據(jù)公司產(chǎn)品500C/E高光數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)要求，切削加工時(shí)進(jìn)給速度范圍為：0.25～10 m/min；快速進(jìn)給時(shí)為：10～40 m/min。此外，另選高速狀態(tài)，即進(jìn)給速度為100 m/min（2 000 r/min）進(jìn)行測(cè)試，分別選定三種速度為滾珠絲杠的測(cè)試轉(zhuǎn)速，見(jiàn)表1。測(cè)試時(shí)，將有預(yù)加載荷的滾珠絲桿安裝在絲桿性能平臺(tái)上，通過(guò)驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)絲桿，往返跑合絲桿，在穩(wěn)定運(yùn)行后進(jìn)行曲線錄取與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)采集模塊采集絲桿3次往返加速度幅值。

表1 測(cè)試轉(zhuǎn)速的選取r/min

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

在轉(zhuǎn)速為200、800與2 000 r/min進(jìn)行測(cè)試，對(duì)不同滾珠絲桿進(jìn)行3次往返運(yùn)行，將測(cè)試的加速度幅值取均值和最大峰值列入表2。圖5、圖6與圖7是在轉(zhuǎn)速為200 r/min滾珠絲桿在時(shí)域里的軸向振動(dòng)、徑向水平振動(dòng)和徑向垂直振動(dòng)波形，分析表2與圖5～7可知。

表2 三種品牌測(cè)試結(jié)果

（1）對(duì)比表2中三個(gè)不同轉(zhuǎn)速測(cè)試數(shù)據(jù)，1#滾珠絲桿副的軸向振動(dòng)、徑向水平振動(dòng)與徑向垂直振動(dòng)的振幅均值、峰值都小于2#絲桿副和3#絲桿副。

（2）對(duì)不同轉(zhuǎn)速絲桿副的測(cè)試表明，軸向振幅＜徑向水平振幅＜徑向垂直振幅。即，滾珠絲桿軸向振幅小于徑向振幅。

（3） 圖 5～7 為 轉(zhuǎn) 速 在200 r/min（對(duì)應(yīng)的進(jìn)給速度為10 m/min）時(shí)，在時(shí)域里采集不同絲桿的三個(gè)方向振幅變化曲線，可看出：2#滾珠絲桿振幅均大于1#和3#絲杠。

（4）表2與圖5、圖6和圖7表明，三種絲杠都有顯示出峰值，有沖擊，不存在明顯規(guī)律。絲杠1#三個(gè)方向的最大峰值均小于1，絲杠2#的最大峰值比絲杠3#最大峰值大。

（5）隨著轉(zhuǎn)速的提高，滾珠絲杠副三個(gè)方向振動(dòng)幅值均增大。

（6）整體評(píng)價(jià)滾珠絲杠副振動(dòng)性能，并按優(yōu)劣排序?yàn)椋?#絲杠＞3#絲杠＞2#絲杠。

3.2 絲桿性能分析及適配性評(píng)價(jià)

滾珠絲杠的軸向振動(dòng)是影響定位精度和噪聲的重要因素[4]，數(shù)控機(jī)床的X、Y軸的絲杠振動(dòng)會(huì)影響加工零件的水平投影輪廓的尺寸精度誤差和表面精度，Z軸絲杠振動(dòng)可能導(dǎo)致工件表面粗糙度值增大或產(chǎn)生波紋[5-7]。

為較客觀地評(píng)價(jià)滾珠絲杠振動(dòng)特性，應(yīng)考慮在不同轉(zhuǎn)速和不同的方向振動(dòng)對(duì)整機(jī)加工精度與工作穩(wěn)定性的影響程度不一樣，因此，本文采用加權(quán)平均的綜合評(píng)價(jià)法對(duì)三種絲杠振動(dòng)性能進(jìn)行優(yōu)劣排序。權(quán)重的確定如下。

（1）振幅方向權(quán)重的確定。用加權(quán)平均值來(lái)評(píng)價(jià)絲杠振動(dòng)特性的優(yōu)劣，考慮軸向振動(dòng)對(duì)加工質(zhì)量影響最大，取加權(quán)系數(shù)為0.4，徑向垂直和水平均取0.3。

（2）不同轉(zhuǎn)速所測(cè)振幅的權(quán)重的確定?？紤]轉(zhuǎn)速200 r/min時(shí)，對(duì)應(yīng)的進(jìn)給速度為10 m/min，為高速加工一個(gè)重要指標(biāo)，因此取加權(quán)系數(shù)為0.5；800 r/min為空行程快速定位，取加權(quán)系數(shù)取0.3；，2000 r/min為特別設(shè)定高速，僅作評(píng)價(jià)參考，取加權(quán)系數(shù)為0.2。

圖5 滾珠絲杠副軸向振動(dòng)波形(n=200 r/min)

圖6 滾珠絲杠副徑向水平振動(dòng)波形(n=200 r/min)

圖7 滾珠絲杠副徑向垂直振動(dòng)波形(n=200 r/min)

綜合評(píng)價(jià)計(jì)算公式：

其中：Aˉi分別為各絲杠振幅加權(quán)平均值，當(dāng)i=1時(shí)為1#絲杠振幅加權(quán)平均值，其他以此類推；aijk為i絲桿在j方向，對(duì)應(yīng)的k轉(zhuǎn)速時(shí)滾珠絲桿測(cè)得振幅；j為滾珠絲桿測(cè)得的軸向、徑向水平和徑向垂直三個(gè)方向振幅測(cè)試；k為對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速在200 r/min、800 r/min和2000 r/min時(shí)滾珠絲桿測(cè)試；wj為軸向振幅、徑向水平振幅和徑向垂直振幅的加權(quán)系數(shù)，分別為：0.3、0.3和0.4。

最大峰值取各個(gè)絲杠在不同測(cè)試狀態(tài)所采集的振幅最大峰值，進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)平均，公式為：

A?i分別為各絲杠最大峰值的平均值；a?ijk為i絲桿在j方向，對(duì)應(yīng)的k轉(zhuǎn)速時(shí)滾珠絲桿測(cè)得最大峰值。

根據(jù)表2數(shù)據(jù)分別計(jì)算 Aˉi、 A?i，結(jié)果列入表3，由表3可明顯看出優(yōu)劣排序?yàn)椋?#絲杠＞3#絲杠＞2#絲杠。

表3 絲桿振動(dòng)性能綜合評(píng)價(jià)及適配性評(píng)價(jià)

4 結(jié)語(yǔ)

（1）針對(duì)各種數(shù)控機(jī)床對(duì)滾珠絲桿的不同要求，設(shè)計(jì)了一種適合企業(yè)進(jìn)行滾珠絲桿振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)，該平臺(tái)配置其他測(cè)試附件，還可用于測(cè)試絲杠的噪音、摩擦力矩、溫升、剛度、壽命等。

（2）對(duì)三個(gè)不同品牌滾珠絲桿副進(jìn)行了測(cè)試，并采用加權(quán)平均的綜合評(píng)價(jià)法對(duì)三種絲杠振動(dòng)性能進(jìn)行優(yōu)劣排序。較客觀地區(qū)分不同品牌絲桿振動(dòng)性能差異。

（3）分析了不同絲杠與面向不同加工對(duì)象的數(shù)控機(jī)床的適配性，為設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床/裝備選配滾珠絲桿副提供了依據(jù)。

對(duì)不同品牌的電機(jī)進(jìn)行測(cè)試，分析與客觀評(píng)價(jià)了伺服電機(jī)的整體性能，為企業(yè)生產(chǎn)的不同數(shù)控機(jī)床/裝備選擇適配滾珠絲桿副提供了可靠客觀依據(jù)，有效提高了數(shù)控機(jī)床/裝備的性價(jià)比，為企業(yè)創(chuàng)造了較大的經(jīng)濟(jì)效益。

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