滾珠絲杠副直驅(qū)加載位置精度測試研究*

彭寶營，楊慶東，王紅軍，童 亮

(北京信息科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100192)

0 引言

數(shù)控機(jī)床滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)壽命周期一般為10年左右，由于切削載荷及應(yīng)用環(huán)境的不同，其實(shí)際使用壽命變化幅度較大。隨著滾珠絲杠副在使用過程中不斷的摩擦磨損，其性能的不斷退化，機(jī)床的靜態(tài)幾何精度和動(dòng)態(tài)加工精度隨之下降，進(jìn)而影響工件的加工精度和表面光潔度[1]。因此，美國、歐洲和日本等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)都建立了滾珠絲杠副從原材料供應(yīng)、加工方法到測試設(shè)備這樣一條完整的生產(chǎn)體系，國外許多滾珠絲杠副的頂級(jí)制造商，如日本NSK、德國PACO等除了改進(jìn)加工工藝以外，都把配套的檢測技術(shù)放在最重要的地位，并在上個(gè)世紀(jì)90年代就紛紛開發(fā)滾珠絲杠性能檢測綜合測量機(jī)[2-3]。滾珠絲杠副性能測試主要集中在導(dǎo)程精度、預(yù)緊力矩、動(dòng)態(tài)摩擦力矩、接觸剛度、振動(dòng)、噪聲、溫升、熱變形等方面[4-6]，在數(shù)控機(jī)床及大多數(shù)工業(yè)設(shè)備中，滾珠絲杠副的位置精度是其最重要精度指標(biāo)。

目前，滾珠絲杠副進(jìn)給工作臺(tái)的位置精度普遍是在沒有承受推力負(fù)載狀態(tài)下，由激光干涉儀測量得出。而在數(shù)控機(jī)床加工過程中，存在較大的切削力，會(huì)導(dǎo)致空載定位精度測量方式無法反映絲杠螺母副的真實(shí)精度。相較于傳統(tǒng)的電渦流制動(dòng)器、液壓缸、磁粉制動(dòng)器等[7-8]滾珠絲杠副加載測試方式，直線電機(jī)具有動(dòng)態(tài)性能好、加載力大、體積小、冷卻方便等優(yōu)勢。與其它測量方法相比，利用直線電機(jī)輸出力快速模擬切削載荷，可以大大縮短測試時(shí)間，并可進(jìn)行帶載工況下滾珠絲杠副的壽命測量，為進(jìn)行絲杠的精度的退化過程及補(bǔ)償方法研究提供基礎(chǔ)。

1 絲杠副直驅(qū)加載測試方案設(shè)計(jì)

滾珠絲杠副直驅(qū)加載結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。試驗(yàn)機(jī)主機(jī)采用鑄造床身，床身用地腳螺栓固定在地基上。試驗(yàn)機(jī)采用“伺服電機(jī)+聯(lián)軸器+滾珠絲杠副”作為主驅(qū)動(dòng)；直線電機(jī)定子與工作臺(tái)剛性連接，提供推力負(fù)載，與絲杠螺母副一起作高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)；被測滾珠絲杠副兩端分別用軸承座固定。直線光柵固定在直線導(dǎo)軌上，用于絲杠定位精度與重復(fù)定位精度的測量。

圖1 滾珠絲杠副直驅(qū)加載結(jié)構(gòu)原理

螺母副與直線電機(jī)動(dòng)子還可通過蓋板之間連接力傳感器，用于直線電機(jī)出力標(biāo)定及動(dòng)態(tài)摩擦轉(zhuǎn)矩的測量，其控制原理圖如圖2所示。

圖2 滾珠絲杠副直驅(qū)加載控制原理圖

2 滾珠絲杠副直驅(qū)加載控制系統(tǒng)開發(fā)

2.1 滾珠絲杠副測量原理

參照文獻(xiàn)[9]，可確定在承受負(fù)載情況下，滾珠絲杠副的定位精度和重復(fù)定位精度的計(jì)算方法。由于滾珠絲杠副的正向進(jìn)給和負(fù)向進(jìn)給的摩擦阻力不同，因此，需要分別進(jìn)行正向測量和逆向測量。假定絲杠副受到的軸線載荷為Fa，則滾珠絲杠副需要提供扭矩為T，可按式(1)進(jìn)行計(jì)算。其中，L為絲杠導(dǎo)程，η為傳遞效率系數(shù)。

(1)

當(dāng)絲杠承受負(fù)載轉(zhuǎn)矩T時(shí)，在給定的進(jìn)給運(yùn)行軌跡中，進(jìn)行了n次測量，每次測量m個(gè)點(diǎn)，目標(biāo)位置點(diǎn)為Pi(i=1,2,…,n), 實(shí)際位置點(diǎn)為Pij(i=1,2,…,m；j=1,2,…,n), 位置偏差為Xij，如式(2)所示。

Xij=Pi j-Pi

(2)

(3)

由于隨機(jī)誤差的存在，滾珠絲杠副位置誤差需要多次反復(fù)測量，進(jìn)行不確定度計(jì)算。不確定度值越小，所述結(jié)果與被測量的真值愈接近，測量可靠度越高。在某一位置的單向定位標(biāo)準(zhǔn)不確定度的估算值Si計(jì)算公式如式(4)所示。

(4)

考慮到測量的不確定度，將系統(tǒng)偏差和單向定位不確定度估算值的2倍組合，軸線單向定位最大定位精度即定位誤差A(yù)的計(jì)算公式如式(5)所示。

(5)

在某一位置的軸線雙向定位精度Ri，可用4倍不確定來表示，如式(6)所示。

Ri=4Si

(6)

整個(gè)軸線重復(fù)定位精度R為雙向定位精度的最大值，如式(7)所示。

R=max[Ri]

(7)

2.2 滾珠絲杠副測試控制系統(tǒng)開發(fā)

滾珠絲杠副跑和試驗(yàn)機(jī)在長時(shí)間以一定的位置、速度跑和測試的同時(shí)，還涉及到在線加載及測量，為避免測量與控制分離而導(dǎo)致時(shí)基不一致，測控系統(tǒng)采用美國Delta Tau公司的PMAC(Programmable Multi Axes Controller)控制器。PMAC內(nèi)含了邏輯功能強(qiáng)大的可編程控制器(PLC)，可以和運(yùn)動(dòng)控制程序密切配合實(shí)現(xiàn)外部設(shè)備的開關(guān)量(I/O)、模擬量 (AD/DA)控制[10]。通過#1軸通道驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠進(jìn)給，#2開環(huán)模擬量力矩指令直線電機(jī)施加載荷，#1編碼器反饋通道用于接入旋轉(zhuǎn)電機(jī)編碼器通道，#3編碼器反饋通道接入直線光柵信號(hào)，AD1通道用于接入力傳感器模擬量信號(hào)。整個(gè)測控系統(tǒng)基于IPC(Industrial Computer)+PMAC的開放式測控一體的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)測量與控制的嚴(yán)格同步控制。

該測試裝置軟件就是基于以上硬件系統(tǒng)開發(fā)，測控系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)是系統(tǒng)開發(fā)的核心部分。由于系統(tǒng)支持各種高級(jí)語言，可以使用多種高級(jí)編程語言，如Visual C++、VB、Delphi等流行的編程軟件在Windows平臺(tái)或Linux平臺(tái)進(jìn)行控制系統(tǒng)軟件開發(fā)[11]。因此，可以根據(jù)滾珠絲杠副測試試驗(yàn)機(jī)的具體工藝要求，使用高級(jí)語言靈活的開發(fā)上位控制軟件。

控制器與上位機(jī)接口體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。作為上層軟件的可執(zhí)行32位Windows應(yīng)用程序即控制系統(tǒng)界面通過PMAC自帶的通訊模塊PCOMM32與PMAC的內(nèi)核程序進(jìn)行通訊，讀取指令信息；再由PMAC內(nèi)核程序驅(qū)動(dòng)PLC程序或者運(yùn)動(dòng)程序，發(fā)送各種指令。測量計(jì)算PLC程序主要用于進(jìn)給位置、偏差的計(jì)算與儲(chǔ)存，運(yùn)動(dòng)程序主要用于絲杠直線進(jìn)給位置、速度、加載的控制，AD采集程序采用每個(gè)伺服周期執(zhí)行一次的高速PLC測量計(jì)算S型力傳感器信號(hào)。上位應(yīng)用程序與PLC及運(yùn)動(dòng)控制程序緊密配合，實(shí)現(xiàn)裝置實(shí)時(shí)同步的全部運(yùn)動(dòng)控制與測量計(jì)算。

圖3 控制器與上位機(jī)的接口

滾珠絲杠副測量程序流程圖如圖4所示，上位控制程序采用Visual C++開發(fā)，可設(shè)置螺距、測量位移、運(yùn)動(dòng)速度、停頓時(shí)間、測量次數(shù)、測量負(fù)載力等參數(shù)，通過變量傳遞給底層運(yùn)動(dòng)程序及PLC程序。測量過程中PLC程序?qū)崟r(shí)計(jì)算旋轉(zhuǎn)電機(jī)編碼器折算的位置與光柵檢測位置之間的偏差，上位軟件實(shí)時(shí)采集繪圖。在測量過程完成后，按照式(2)～式(7)計(jì)算絲杠在負(fù)載力作用情況下，系統(tǒng)的定位誤差與重復(fù)定位誤差。

圖4 滾珠絲杠副測量程序流程圖

3 跑和測試與分析

3.1 滾珠絲杠副測量試驗(yàn)

滾珠絲杠副試驗(yàn)機(jī)如圖5所示，選取外循環(huán)斜插管式滾珠絲杠副進(jìn)行絲杠跑和測試，型號(hào)為：XCDM4016，直徑為40mm，導(dǎo)程為16mm，螺紋長度為1.5m。

圖5 滾珠絲杠副測試驗(yàn)機(jī)整體照

在滾珠絲杠副試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行往復(fù)跑和，進(jìn)給速度300mm/s，跑和期間施加1000N的載荷，載荷方向始終與運(yùn)動(dòng)方向相反，其中部分載荷如圖6所示。

圖6 直線電機(jī)加載力

每跑和100h，保持直線電機(jī)負(fù)載1000N不變，帶載測量定位誤差和重復(fù)定位誤差。測量過程中運(yùn)行速度為100mm/s,測量點(diǎn)數(shù)為10，每個(gè)測量點(diǎn)停頓時(shí)間為2s，其中一次的測量數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 定位誤差和重復(fù)定位誤差測量數(shù)據(jù)

跑和測量運(yùn)行600h后，進(jìn)行了6次位置精度測量，結(jié)果如圖8所示，可以看出測試過程中內(nèi)均未出現(xiàn)故障情況，在運(yùn)行初始階段300h內(nèi)位置精度變化明顯(處于磨合期)，之后逐漸趨于平穩(wěn)(完成磨合)，隨著運(yùn)行時(shí)間增長，定位精度和重復(fù)定位精度都呈總體下降趨勢。

圖8 滾珠絲杠副600h位置誤差變化趨勢

3.2 滾珠絲杠副位置精度擬合預(yù)測

目前，滾珠絲杠副發(fā)生故障前的可靠性壽命預(yù)測方面研究較多，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色模型、遺傳算法預(yù)測[12-15]等方面進(jìn)行了有益的探索。一方面絲杠的可靠性壽命與位置精度保持性并不能等同，再者復(fù)雜的方法也難以實(shí)用。因此根據(jù)600h的精度測量數(shù)據(jù)，通過觀察趨勢，采用偏移指數(shù)對滾珠絲杠副的定位精度A和重復(fù)定位精度R進(jìn)行擬合, 并預(yù)測600h～1000h的位置精度。根據(jù)前600h實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用Matlab cftool工具箱，得到該絲杠在1000N負(fù)載情況下的位置精度擬合預(yù)測公式如式(8)所示。

(8)

按照上述條件繼續(xù)進(jìn)行跑和測量實(shí)驗(yàn)，得到該絲杠的定位誤差和重復(fù)定位誤差擬合測試與實(shí)測結(jié)果對比分別如圖9、圖10所示。

圖9 滾珠絲杠副定位誤差擬合預(yù)測

圖10 滾珠絲杠副重復(fù)定位誤差擬合預(yù)測

由圖9、圖10可以看出，雖然在磨合階段(前300h)，擬合值與測量值誤差稍大，在±1.5μm以內(nèi)，但整體預(yù)測趨勢是正確的；在600h～1000h，定位誤差預(yù)測值與測量值差距在0.3μm以內(nèi)，重復(fù)定位差預(yù)測值與測量值差距在0.2μm以內(nèi)，說明采用偏移指數(shù)可以在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對滾珠絲杠副位置精度的預(yù)測。

4 結(jié)論

采用直線電機(jī)加載的方式進(jìn)行滾珠絲杠副的性能測試，可以快速、穩(wěn)定的模擬切削載荷，實(shí)現(xiàn)加速衰退測量。本文所研究的方法，可計(jì)算出滾珠絲杠副帶載工況下的位置精度，與常規(guī)的空載測量相比，更能夠反映加工狀況下的誤差；滾珠絲杠副的定位誤差、重復(fù)定位誤差基本符合偏移指數(shù)規(guī)律。滾珠絲杠副位置精度衰退對于數(shù)控機(jī)床輪廓加工精度的影響及動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法，有待進(jìn)一步研究。