滾珠絲杠副精度保持性試驗裝置及加載方案研究

朱宇霖，歐屹，韓軍

(南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

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滾珠絲杠副精度保持性試驗裝置及加載方案研究

朱宇霖，歐屹，韓軍

(南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

摘要：滾珠絲杠副的精度保持性對數(shù)控機床的加工精度穩(wěn)定性與高精度加工持久性有重大影響。采用電渦流制動器加載螺母的方案，設計了一套滾珠絲杠副精度保持性測量裝置，解決在大載荷運動過程中對滾珠絲杠副實際工況的模擬及傳感器數(shù)據(jù)實時采集等難題。在此基礎上，對滾珠絲杠副精度保持性的試驗方法進行了研究。結果表明該試驗裝置具有加載載荷大，實際工況仿真度高，被測件易拆卸裝配，測量精度高，適用范圍廣的優(yōu)點；該試驗方法能夠較好地完成精度保持性的測量及驗證，對同類產(chǎn)品試驗方法的研究也具有指導意義。

關鍵詞：滾珠絲杠副；精度保持性；電渦流制動器加載；試驗方案

0引言

由于滾珠絲杠副具有傳動效率高、靈敏度高、傳動平穩(wěn)，磨損小、壽命長；可消除軸向間隙，提高軸向剛度等優(yōu)點，被廣泛用作中小型數(shù)控機床的進給傳動系統(tǒng)[1，2]。因而其精度保持性指標對數(shù)控機床的加工性能有很大影響。保證數(shù)控機床安全可靠的運行，盡量減少因滾珠絲杠副精度喪失導致的產(chǎn)品品質下降影響生產(chǎn)，以及預測和延長其維修周期等是當前比較熱門的課題[3]。

目前，國外滾動功能部件廠商如THK等，其滾珠絲杠副產(chǎn)品系列已有詳細嚴格的出廠參數(shù)可供查閱，諸如基本額動靜載荷，額定工作扭矩等技術指標，以供使用者參考[4]。反觀國內(nèi)，關于滾珠絲杠副精度保持性的理論研究相對較少，專門針對滾珠絲杠副精度保持性測試試驗臺的研究就更少[5,6]。目前國內(nèi)還沒有具有模擬實際工況加載能力的滾珠絲杠副精度保持性測定的實驗裝置。因此，在滾珠絲杠副精度保持性測定方面，還有待開發(fā)出具有模擬實際工況加載能力的高精度、高載荷、高通用性的自動測量裝置和方法，不僅擁有很好的應用前景，對國產(chǎn)滾珠絲杠副品質的提高也會有很好的推動作用。正是基于上述思想，從數(shù)控機床的結構特點與動力學角度，分析影響滾珠絲杠副精度保持性的因素，自主研究開發(fā)針對滾珠絲杠副的精度保持性檢測的試驗裝置，進行可行性論證以及產(chǎn)品結構設計。

1試驗方案分析(見圖1)

圖1　滾珠絲杠副精度保持性測量方案原理

國標中對滾珠絲杠副的精度保持性還沒有明確定義，一般認為，在規(guī)定的工作期間內(nèi)，保持機床所要求的精度，稱之為精度保持性[7]。因此表征絲杠精度保持性的變量即，滾珠絲杠副在規(guī)定情況下連續(xù)使用喪失規(guī)定的精度所耗用的時間；絲杠的精度喪失可用規(guī)定直線位移行程內(nèi)轉動行程變動量ΔVθp或規(guī)定的轉動行程內(nèi)直線位移行程變動量ΔVlp來表示。因此，使用如下關系式中的參數(shù)來表征滾珠絲杠副精度保持性的性能指標Y(t)：

Y(t)=f(ΔVθp,ΔVlp,L，F(xiàn))

(1)

式中，ΔVθp—直線位移行程內(nèi)轉動行程變動量；

ΔVlp—轉動行程內(nèi)直線位移行程變動量；

L—精度保持性測定的規(guī)定行程距離；

F—絲杠副所承受的軸向加載負荷；

t—ΔVθp或ΔVlp達到規(guī)定極限變動量所耗用的時間。

根據(jù)此定義，在一定載荷下對被測絲杠副進行可靠性分析，在一定使用時間前后，多次測量記錄在一定行程內(nèi)絲杠的旋轉行程量ΔVθp以及對應的絲杠螺母位移行程量ΔVlp，提出一種滾珠絲杠副精度保持性試驗臺的設計方案。電渦流制動器為阻力源，通過卷筒鋼絲繩對固連絲杠螺母的工作臺施加阻力，工作時，由電渦流制動器提供負載，通過調(diào)節(jié)電渦流制動器的電流值可實現(xiàn)對滾珠絲杠副工況的模擬。

2試驗方案設計

根據(jù)對加載方案的分析以及基于一種創(chuàng)新的卷筒鋼絲繩加載系統(tǒng)的應用，采用該加載方式設計出一套滾珠絲杠副精度保持性試驗裝置，其具有加載載荷大，實際工況仿真度高，被測件易拆卸裝配，測量精度高，適用范圍廣的優(yōu)點。裝置待測參數(shù)有5個，分別為絲杠的旋轉角度，螺母的軸向位移，絲杠的軸向工作載荷，絲杠副的工作扭矩，絲杠副的預緊扭矩。對應測量傳感器分別為圓磁柵，直線光柵尺，拉壓力傳感器，動態(tài)扭矩傳感器，以及靜態(tài)扭矩傳感器。

2.1試驗裝置設計

圖2　滾珠絲杠副精度保持性試驗裝置部件圖

如圖2所示，設計的滾珠絲杠副精度保持性試驗裝置主要有五個機械部件構成，分別為加載部件、頭架部件、工作臺面部件、尾架支撐部件、床身。采用伺服電機提供動力，以電渦流制動器通過卷筒鋼絲繩系統(tǒng)對絲杠螺母進行加載，拉力傳感器設置在鋼絲繩與螺母工作臺之間，得到加載力的實際值，圓磁柵設置在電機減速器的輸出軸上得到絲杠的實際轉動位移量，長光柵通過螺紋連接安裝在床身上，測量被測螺母的位移。通過對采樣數(shù)據(jù)進行處理，可分別繪制不同加載力狀態(tài)下滾珠絲杠副經(jīng)過跑合一段時間后精度喪失前，轉動行程變動量ΔVθp的變化曲線和位移行程變動量ΔVlp曲線的變化曲線，從而建立特定型號滾珠絲杠副精度喪失曲線，為進行滾珠絲杠副精度保持性的深入研究提供可靠參數(shù)。其三維模型爆炸圖如圖3所示。

圖3　滾珠絲杠副精度保持性試驗裝置部件爆炸圖

實驗裝置包括機械系統(tǒng)和測量系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)處理模塊，如圖2及圖4，機械部分包括加載部件1、頭架拖動部件2、工作臺面部件3、尾架支撐部件4和床身5，其中頭架拖動部件2和尾架支撐部件4均位于床身5上，工作臺面部件3位于頭架拖動部件2和尾架支撐部件4之間，加載部件1位于床身5中部的凹槽內(nèi)；測量系統(tǒng)包括圓磁柵3，拉力傳感器2，動態(tài)扭矩傳感器9，靜態(tài)扭矩傳感器11，長光柵12；加載部件包括電渦流制動器13、 卷筒5、定滑輪6、鋼絲繩4；加載部件包括電機7、減速器8。

1—待測絲杠；2—拉力傳感器；3—圓磁柵；4—鋼絲繩；5—卷筒；6—定滑輪；7—電機；8—減速器；9—扭矩傳感器；10—直線導軌；11—扭矩傳感器；12—長光柵；13—電渦流制動器 圖4　滾珠絲杠副精度保持性試驗裝置的結構組成及連接組裝示意圖

試驗裝置主要解決了如下關鍵問題：

1) 被測絲杠的規(guī)格普適性。試驗裝置的動力輸入端利用三檔齒輪變速箱調(diào)節(jié)絲杠轉速，增加了可測量程，設計變速比分別為1∶3,1∶9,3∶1。參照THK樣品手冊并驗算，實驗裝置可滿足導程5mm~65mm以內(nèi)大部分試驗絲杠的額定輸入載荷要求。

2) 被測絲杠的頻繁拆裝與替換。如圖5所示，試驗裝置利用頭尾架內(nèi)的內(nèi)外錐套及軸承套件夾持絲杠兩端，以適應不同規(guī)格的絲杠，且更換方便，保證絲杠安裝的兼容性與穩(wěn)定性。

圖5　頭尾架絲杠夾持組件剖視示意圖

3) 加載工況的模擬。如圖4所示，試驗裝置選用一款電渦流制動器作為阻力源，通過齒輪傳動將阻尼傳遞到電渦流制動器左右兩側的卷筒上，卷筒上纏繞有規(guī)定圈數(shù)的鋼絲繩，鋼絲繩繞過床體兩端的定滑輪與被測絲杠螺母所連接的工作臺底部相固連。本裝置加載系統(tǒng)加載力通過鋼纜傳動實現(xiàn)，可實現(xiàn)阻尼的連續(xù)變化，有效地模擬了實際工況，且成本低廉。

4) 試驗裝置的扭矩傳感器及鋼絲繩與工作臺連接處的拉力傳感器可實現(xiàn)實時監(jiān)測被測絲杠上加載力的大小，為模擬實際工況及數(shù)據(jù)的實時處理提供依據(jù)。

2.2試驗方法

a) 試驗臺準備

實驗裝置試驗準備主要包括準備工序，系統(tǒng)加載，系統(tǒng)測控，信息記錄四個部分。準備工序主要包括確定測試工件，并參照試驗規(guī)范選擇測試總樣本量，根據(jù)絲杠支撐單元及螺母軸徑，選擇合適的安裝工裝。根據(jù)絲杠安裝規(guī)范，在試驗臺工作臺上安裝被測滾珠絲杠副，并根據(jù)安裝型式調(diào)節(jié)尾架支撐；如果采用兩端固定型式，需要將尾架鎖死在床身上；如果需要預拉伸，根據(jù)預拉伸規(guī)范，使用測力扳手進行預拉伸；根據(jù)加載力大小，參照使用手冊選取正確的拖動減速速箱檔位及加載增速箱檔位；

依次開啟試驗臺電源、冷卻系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、測試系統(tǒng)；關閉防護擋板；系統(tǒng)加載即對被測絲杠加載至額定動載荷或規(guī)定載荷，視所測的目的而定。試驗臺加載由測控系統(tǒng)自動控制，需事先在測控系統(tǒng)界面設定加載力要求。

b) 關于精度保持性驗證的試驗方法

精度保持性試驗，樣本量盡量>10件，在20%額定動載荷加載條件下連續(xù)轉動標稱的精度保持性時間，其中只有10%以內(nèi)產(chǎn)品行程誤差劣化在30%以內(nèi)，則該產(chǎn)品標定精度保持性時間可信。每批次樣件精度保持性驗證工序如圖6所示。

圖6　每批次樣件精度保持性驗證工序流程原理示意圖

c) 關于精度保持性測定的試驗方法

精度保持性測定為批量試驗，樣本量盡量>10件，在標稱精度保持性不可信，或不明確實際精度保持性指標下，通過本工序完成精度保持性測定試驗，結合精度保持性試驗規(guī)范得到產(chǎn)品的實際精度保持性指標。每批樣件疲勞精度保持性測定工序如圖7所示。

圖7　每批樣件疲勞精度保持性測定工序流程原理示意圖

3結語

1) 試驗裝置最大試驗力可達20kN，并且采用高精度拉壓傳感器、位移傳感器與扭矩傳感器，因此具有高載荷、高精度的優(yōu)點，并且具備做滿載荷壽命試驗的加載能力。

2) 試驗裝置不僅可對常用直徑系列的滾珠絲杠副進行精度保持性驗證，更可直接測定滾珠絲杠副樣品的精度保持性，并且對被測絲杠的長度無過高限制，具有適用范圍廣的優(yōu)點。

3) 為避免拆裝樣件過于繁瑣，試驗裝置設計了內(nèi)外錐套及軸承套件用于夾持絲杠兩端，針對不同規(guī)格的絲杠定做配套的夾持套件，更換方便，保證絲杠安裝的兼容性與穩(wěn)定性，結構簡單，可靠性高。

4) 實驗裝置的尾架與床身之間的平—V導軌設計，可適應不同長度被測絲杠的尾端支撐要求；對于需要施加預緊力的試驗，可以通過測力扳手對設置在尾架上的預緊螺母施加預緊力。

5) 試驗裝置通過控制電機正反轉可實現(xiàn)被測滾珠絲杠副在電渦流制動器的可控連續(xù)加載下的持續(xù)往復跑合，成本低廉，檢測的數(shù)據(jù)值精確可靠，具有很好的市場前景。

6) 針對試驗裝置研究的試驗方法能夠較好地實現(xiàn)滾珠絲杠副精度保持性的測量與驗證，精確而可靠，并且對將來其他同類產(chǎn)品試驗方法的研究具有指導意義。

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Study of Horizontal Testing Program for Accuracy Retention of Ball Screw

ZHU Yu-lin，OU Yi，HAN Jun

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

Abstract:The accuracy retention of ball screw has important influence on stability and persistence of processing accuracy of CNC. The loading program of Eddy current damper is used to design a testing device for precision preservation of the ball screw to solve the problem existing in simulating the actual working conditions of the screw with large load, sensor data real-time acquisition and so on. On this base, this paper studies the testing method for accuracy retention of the ball screw. The result shows that the testing device has the advantages of largely applied load, high degree of simulation, DUT easy disassembly and assembly, high accuracy, wide application and the testing method can be used to complete the accuracy retention test preferably, and it is of the guiding significance for the study of similar products’ testing method.

Keywords:ball screw; accuracy retention; loading program of Eddy current damper; testing program

收稿日期：2014-11-29

中圖分類號：TH131

文獻標志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)03-0009-04

作者簡介：朱宇霖(1989- )，男，江蘇大豐人，碩士研究生，主要研究方向為結構設計。