雙驅(qū)動滾珠絲杠副動態(tài)性能試驗平臺設(shè)計

尚彤

摘 ?要：為了研究雙驅(qū)滾珠絲杠副溫度差異對同步性的影響，設(shè)計了一種用來檢測雙驅(qū)動滾珠絲杠的動態(tài)性能試驗平臺。在此試驗平臺上安裝了溫度傳感器、光柵位移傳感器、加速度傳感器。可以同時測得雙驅(qū)動滾珠絲杠的同步性、速度、加速度、熱位移等絲杠性能參數(shù)，為研究雙驅(qū)動滾珠絲杠提供有效的實驗數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：熱特性;雙絲杠;同步誤差;試驗平臺

中圖分類號：TH132 ?文獻標(biāo)識碼：A

0 ?引言

雙絲杠驅(qū)動進給系統(tǒng)是數(shù)控機床的重要組成部分之一，由于雙絲杠進給系統(tǒng)的動態(tài)特性較好，可承受較大負載，且響應(yīng)速度較快的給優(yōu)點，越來越多的應(yīng)用到高速、高精度的加工中心中。

然而，由于兩個滾珠絲杠上負載不同和所受外部干擾不同，絲杠兩邊的力是不對稱的，所以導(dǎo)致兩個絲杠不能保持理想狀態(tài)下的同步驅(qū)動。產(chǎn)生的慣性力將會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性能[1-3]。通過構(gòu)建測試平臺，對該系統(tǒng)進行動態(tài)性能測試，分析影響系統(tǒng)性能的主要原因，從而針對不同的問題提出相應(yīng)的解決方案。

1 ?試驗平臺總體方案

根據(jù)檢測試驗條件的指標(biāo)要求和系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)組成要求及整體系統(tǒng)檢測需要，整個雙驅(qū)滾珠絲杠動態(tài)性能檢測系統(tǒng)可分為機械系統(tǒng)和測試系統(tǒng)兩大部分。機械系統(tǒng)通過計算和選型，確定滾珠絲杠副、軸承、相應(yīng)的附件以及伺服電機的型號。測試系統(tǒng)采用PXI數(shù)據(jù)采集箱，進行數(shù)字信號處理。最終在計算機中實時顯示來分析其動態(tài)特性。

2 ?機械系統(tǒng)設(shè)計

2.1 ?設(shè)計參數(shù)

雙滾珠絲杠伺服驅(qū)動系統(tǒng)由床身、兩套伺服電機、兩套滾珠絲杠副、滾珠絲杠上的滑塊、滾動導(dǎo)軌、對雙軸進行耦合的工作臺和相應(yīng)的支撐附件和密封附件等組成。確定檢測系統(tǒng)的總體設(shè)計參數(shù)，表1為雙驅(qū)滾珠絲杠進給系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)。

2.2 ?關(guān)鍵零件參數(shù)的計算及選型

（1）滾珠絲杠副的校核

參照NSK滾珠絲杠的樣本.在雙驅(qū)滾珠絲杠移動誤差允許值的范圍內(nèi)，選取精度等級為C3，可計算出導(dǎo)程I[4]：

其中： 為交流電機的最高轉(zhuǎn)速，r/min; 為工作臺的最高傳送速度，mm/min。

（2）電機的選定

通過計算，最終確定的滾珠絲杠驅(qū)動伺服電機選用FANUCai系列Ⅲ型 交流伺服電機，輸出功率為4kW。

2.3 ?試驗平臺整體結(jié)構(gòu)

本試驗平臺為雙驅(qū)滾珠絲杠運行試驗平臺，試驗平臺在安裝時，應(yīng)嚴(yán)格保證兩滾珠絲杠和兩直線導(dǎo)軌在兩方向的平行度。

3 檢測系統(tǒng)設(shè)計

由于該系統(tǒng)屬于軸類系統(tǒng)，安裝上傳感器和測試系統(tǒng)后，便可實現(xiàn)系統(tǒng)的相關(guān)動態(tài)性能參數(shù)的檢測。

3.1 ?檢測系統(tǒng)總體方案

檢測系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和機械系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括A/D轉(zhuǎn)換器、單片機、輸 入/輸出接口/信號采集傳感器、電路和計算機[5]。

3.2 ?傳感器的選型

在雙驅(qū)滾珠絲杠同步控制的機床中，由于雙驅(qū)滾珠絲杠系統(tǒng)的兩個驅(qū)動軸的同步性很難控制。為了實時地觀察雙驅(qū)滾珠絲杠的動態(tài)性能指標(biāo).在試驗臺上安裝了光柵尺、加速度傳感器、接觸式溫度傳感器、非接觸式溫度傳感器等[6-7]。

（1）光柵尺位移傳感器

為了檢測雙驅(qū)滾珠絲杠副兩軸的位移情況，分別在兩軸測安裝光柵位移傳感器進行檢測。通過對比兩個光柵測得得數(shù)據(jù)差值并進行分析，就可以的出滾珠絲杠和工作臺兩側(cè)的位置偏差。

（2）加速度傳感器

加速度傳感器選用的是美國PCB公司生產(chǎn)的壓電式加速度傳感器，此傳感器安裝有微型的放大器，可以將所測量的電荷放大，相比于傳統(tǒng)的壓電式加速度傳感器其測量精度更準(zhǔn)確。在工作臺和床身上分別安裝加速度傳感器用來測量進給系統(tǒng)的加速度和振動情況。

（3）接觸式溫度傳感器

本測試系統(tǒng)采用的是pt100接觸式溫度傳感器。可檢測兩根滾珠絲桿進出口冷卻液溫度的變化。

3.3 ?數(shù)據(jù)采集器

（1）PXI數(shù)據(jù)采集箱

本文所選用的凌華科技PXIS-2508型號的機箱有1個系統(tǒng)槽和7個外設(shè)插槽。該處理器專為基于PXI的混合測試系統(tǒng)而設(shè)計，為各種測試應(yīng)用提供穩(wěn)定可靠的平臺。

（2）PXI數(shù)據(jù)采集卡

數(shù)據(jù)采集卡是信號采集系統(tǒng)的重要部分，對數(shù)據(jù)采集卡的選型既要滿足采集要求，也要根據(jù)實際情況來確定。數(shù)據(jù)采集卡集成了不同的功能模塊，包括模擬輸入、輸出，數(shù)字I/O口，計數(shù)器/計時器操作等。在選擇數(shù)據(jù)采集卡時考慮的參數(shù)通常為采集卡通道數(shù)、總線接口類型以及輸入輸出指標(biāo)。

（3）數(shù)據(jù)采集卡的連接方式

通常數(shù)據(jù)采集卡的輸入端為電壓信號，而根據(jù)被測信號是否接地，又可以將信號分為兩類：接地信號和浮動信號。

3.4 ?數(shù)據(jù)處理方法

計算機中安裝采集和數(shù)據(jù)處理軟件，先利用高速數(shù)據(jù)采集板進行數(shù)據(jù)采集。并將采集的數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)緩存中;在采集完成后，再將緩存中的數(shù)據(jù)逐一讀取，通過各種接口和加采集卡。將傳感器輸出的信號輸入到計算機上，然后用軟件進行數(shù)據(jù)處理，并完成曲線的繪制。

3.5 ?測試系統(tǒng)搭建

在4個軸承座上分別安裝接觸式溫度傳感器。用來測量滾珠絲杠運行過程中軸承的摩擦發(fā)熱情況。非接觸式溫度傳感器用來測量滾珠絲杠的整體溫升變化。床身和工作臺上安裝有三相加速度傳感器。用來測量系統(tǒng)的加速度和振動情況。光柵尺用來測量滾珠絲杠副的定位精度和重復(fù)定位精度[8]。是利用光柵的光學(xué)原理來檢測兩軸直線位移誤差和熱位移，進而檢測雙驅(qū)滾珠絲杠的同步性。

4 ?結(jié)束語

設(shè)計了雙驅(qū)滾動絲杠進給系統(tǒng)動態(tài)性能檢測系統(tǒng)，在此試驗平臺上，可以對雙驅(qū)動滾珠絲杠的加速度、溫度、速度、定位精度、同步性的性能參數(shù)進行同時測試，能夠為雙驅(qū)動滾珠絲杠的進一步改進提供有效、可靠的實驗數(shù)據(jù)。

參考文獻

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