朱宇霖，歐屹，韓軍

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

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滾珠絲杠副精度保持性試驗(yàn)裝置及加載方案研究

朱宇霖，歐屹，韓軍

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

摘要：滾珠絲杠副的精度保持性對(duì)數(shù)控機(jī)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(dòng)器加載螺母的方案，設(shè)計(jì)了一套滾珠絲杠副精度保持性測(cè)量裝置，解決在大載荷運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)滾珠絲杠副實(shí)際工況的模擬及傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集等難題。在此基礎(chǔ)上，對(duì)滾珠絲杠副精度保持性的試驗(yàn)方法進(jìn)行了研究。結(jié)果表明該試驗(yàn)裝置具有加載載荷大，實(shí)際工況仿真度高，被測(cè)件易拆卸裝配，測(cè)量精度高，適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)；該試驗(yàn)方法能夠較好地完成精度保持性的測(cè)量及驗(yàn)證，對(duì)同類產(chǎn)品試驗(yàn)方法的研究也具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：滾珠絲杠副；精度保持性；電渦流制動(dòng)器加載；試驗(yàn)方案

0引言

由于滾珠絲杠副具有傳動(dòng)效率高、靈敏度高、傳動(dòng)平穩(wěn)，磨損小、壽命長(zhǎng)；可消除軸向間隙，提高軸向剛度等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用作中小型數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)[1，2]。因而其精度保持性指標(biāo)對(duì)數(shù)控機(jī)床的加工性能有很大影響。保證數(shù)控機(jī)床安全可靠的運(yùn)行，盡量減少因滾珠絲杠副精度喪失導(dǎo)致的產(chǎn)品品質(zhì)下降影響生產(chǎn)，以及預(yù)測(cè)和延長(zhǎng)其維修周期等是當(dāng)前比較熱門的課題[3]。

目前，國(guó)外滾動(dòng)功能部件廠商如THK等，其滾珠絲杠副產(chǎn)品系列已有詳細(xì)嚴(yán)格的出廠參數(shù)可供查閱，諸如基本額動(dòng)靜載荷，額定工作扭矩等技術(shù)指標(biāo)，以供使用者參考[4]。反觀國(guó)內(nèi)，關(guān)于滾珠絲杠副精度保持性的理論研究相對(duì)較少，專門針對(duì)滾珠絲杠副精度保持性測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)的研究就更少[5,6]。目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有具有模擬實(shí)際工況加載能力的滾珠絲杠副精度保持性測(cè)定的實(shí)驗(yàn)裝置。因此，在滾珠絲杠副精度保持性測(cè)定方面，還有待開(kāi)發(fā)出具有模擬實(shí)際工況加載能力的高精度、高載荷、高通用性的自動(dòng)測(cè)量裝置和方法，不僅擁有很好的應(yīng)用前景，對(duì)國(guó)產(chǎn)滾珠絲杠副品質(zhì)的提高也會(huì)有很好的推動(dòng)作用。正是基于上述思想，從數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與動(dòng)力學(xué)角度，分析影響滾珠絲杠副精度保持性的因素，自主研究開(kāi)發(fā)針對(duì)滾珠絲杠副的精度保持性檢測(cè)的試驗(yàn)裝置，進(jìn)行可行性論證以及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1試驗(yàn)方案分析(見(jiàn)圖1)

圖1　滾珠絲杠副精度保持性測(cè)量方案原理

國(guó)標(biāo)中對(duì)滾珠絲杠副的精度保持性還沒(méi)有明確定義，一般認(rèn)為，在規(guī)定的工作期間內(nèi)，保持機(jī)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(shí)間；絲杠的精度喪失可用規(guī)定直線位移行程內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)行程變動(dòng)量ΔVθp或規(guī)定的轉(zhuǎn)動(dòng)行程內(nèi)直線位移行程變動(dòng)量ΔVlp來(lái)表示。因此，使用如下關(guān)系式中的參數(shù)來(lái)表征滾珠絲杠副精度保持性的性能指標(biāo)Y(t)：

Y(t)=f(ΔVθp,ΔVlp,L，F(xiàn))

(1)

式中，ΔVθp—直線位移行程內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)行程變動(dòng)量；

ΔVlp—轉(zhuǎn)動(dòng)行程內(nèi)直線位移行程變動(dòng)量；

L—精度保持性測(cè)定的規(guī)定行程距離；

F—絲杠副所承受的軸向加載負(fù)荷；

t—ΔVθp或ΔVlp達(dá)到規(guī)定極限變動(dòng)量所耗用的時(shí)間。

根據(jù)此定義，在一定載荷下對(duì)被測(cè)絲杠副進(jìn)行可靠性分析，在一定使用時(shí)間前后，多次測(cè)量記錄在一定行程內(nèi)絲杠的旋轉(zhuǎn)行程量ΔVθp以及對(duì)應(yīng)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(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)方案。電渦流制動(dòng)器為阻力源，通過(guò)卷筒鋼絲繩對(duì)固連絲杠螺母的工作臺(tái)施加阻力，工作時(shí)，由電渦流制動(dòng)器提供負(fù)載，通過(guò)調(diào)節(jié)電渦流制動(dòng)器的電流值可實(shí)現(xiàn)對(duì)滾珠絲杠副工況的模擬。

2試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)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(yīng)用，采用該加載方式設(shè)計(jì)出一套滾珠絲杠副精度保持性試驗(yàn)裝置，其具有加載載荷大，實(shí)際工況仿真度高，被測(cè)件易拆卸裝配，測(cè)量精度高，適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。裝置待測(cè)參數(shù)有5個(gè)，分別為絲杠的旋轉(zhuǎn)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(yù)緊扭矩。對(duì)應(yīng)測(cè)量傳感器分別為圓磁柵，直線光柵尺，拉壓力傳感器，動(dòng)態(tài)扭矩傳感器，以及靜態(tài)扭矩傳感器。

2.1試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

圖2　滾珠絲杠副精度保持性試驗(yàn)裝置部件圖

如圖2所示，設(shè)計(jì)的滾珠絲杠副精度保持性試驗(yàn)裝置主要有五個(gè)機(jī)械部件構(gòu)成，分別為加載部件、頭架部件、工作臺(tái)面部件、尾架支撐部件、床身。采用伺服電機(jī)提供動(dòng)力，以電渦流制動(dòng)器通過(guò)卷筒鋼絲繩系統(tǒng)對(duì)絲杠螺母進(jìn)行加載，拉力傳感器設(shè)置在鋼絲繩與螺母工作臺(tái)之間，得到加載力的實(shí)際值，圓磁柵設(shè)置在電機(jī)減速器的輸出軸上得到絲杠的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)位移量，長(zhǎng)光柵通過(guò)螺紋連接安裝在床身上，測(cè)量被測(cè)螺母的位移。通過(guò)對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)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(guò)跑合一段時(shí)間后精度喪失前，轉(zhuǎn)動(dòng)行程變動(dòng)量ΔVθp的變化曲線和位移行程變動(dòng)量ΔVlp曲線的變化曲線，從而建立特定型號(hào)滾珠絲杠副精度喪失曲線，為進(jìn)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(yàn)裝置部件爆炸圖

實(shí)驗(yàn)裝置包括機(jī)械系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)處理模塊，如圖2及圖4，機(jī)械部分包括加載部件1、頭架拖動(dòng)部件2、工作臺(tái)面部件3、尾架支撐部件4和床身5，其中頭架拖動(dòng)部件2和尾架支撐部件4均位于床身5上，工作臺(tái)面部件3位于頭架拖動(dòng)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(cè)量系統(tǒng)包括圓磁柵3，拉力傳感器2，動(dòng)態(tài)扭矩傳感器9，靜態(tài)扭矩傳感器11，長(zhǎng)光柵12；加載部件包括電渦流制動(dòng)器13、 卷筒5、定滑輪6、鋼絲繩4；加載部件包括電機(jī)7、減速器8。

1—待測(cè)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(jī)；8—減速器；9—扭矩傳感器；10—直線導(dǎo)軌；11—扭矩傳感器；12—長(zhǎng)光柵；13—電渦流制動(dòng)器 圖4　滾珠絲杠副精度保持性試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)組成及連接組裝示意圖

試驗(yàn)裝置主要解決了如下關(guān)鍵問(wèn)題：

1) 被測(cè)絲杠的規(guī)格普適性。試驗(yàn)裝置的動(dòng)力輸入端利用三檔齒輪變速箱調(diào)節(jié)絲杠轉(zhuǎn)速，增加了可測(cè)量程，設(shè)計(jì)變速比分別為1∶3,1∶9,3∶1。參照THK樣品手冊(cè)并驗(yàn)算，實(shí)驗(yàn)裝置可滿足導(dǎo)程5mm~65mm以內(nèi)大部分試驗(yàn)絲杠的額定輸入載荷要求。

2) 被測(cè)絲杠的頻繁拆裝與替換。如圖5所示，試驗(yàn)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(yīng)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(yàn)裝置選用一款電渦流制動(dòng)器作為阻力源，通過(guò)齒輪傳動(dòng)將阻尼傳遞到電渦流制動(dòng)器左右兩側(cè)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(guò)床體兩端的定滑輪與被測(cè)絲杠螺母所連接的工作臺(tái)底部相固連。本裝置加載系統(tǒng)加載力通過(guò)鋼纜傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)，可實(shí)現(xiàn)阻尼的連續(xù)變化，有效地模擬了實(shí)際工況，且成本低廉。

4) 試驗(yàn)裝置的扭矩傳感器及鋼絲繩與工作臺(tái)連接處的拉力傳感器可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)被測(cè)絲杠上加載力的大小，為模擬實(shí)際工況及數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理提供依據(jù)。

2.2試驗(yàn)方法

a) 試驗(yàn)臺(tái)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)裝置試驗(yàn)準(zhǔn)備主要包括準(zhǔn)備工序，系統(tǒng)加載，系統(tǒng)測(cè)控，信息記錄四個(gè)部分。準(zhǔn)備工序主要包括確定測(cè)試工件，并參照試驗(yàn)規(guī)范選擇測(cè)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(yàn)臺(tái)工作臺(tái)上安裝被測(cè)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(yù)拉伸，根據(jù)預(yù)拉伸規(guī)范，使用測(cè)力扳手進(jìn)行預(yù)拉伸；根據(jù)加載力大小，參照使用手冊(cè)選取正確的拖動(dòng)減速速箱檔位及加載增速箱檔位；

依次開(kāi)啟試驗(yàn)臺(tái)電源、冷卻系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)；關(guān)閉防護(hù)擋板；系統(tǒng)加載即對(duì)被測(cè)絲杠加載至額定動(dòng)載荷或規(guī)定載荷，視所測(cè)的目的而定。試驗(yàn)臺(tái)加載由測(cè)控系統(tǒng)自動(dòng)控制，需事先在測(cè)控系統(tǒng)界面設(shè)定加載力要求。

b) 關(guān)于精度保持性驗(yàn)證的試驗(yàn)方法

精度保持性試驗(yàn)，樣本量盡量>10件，在20%額定動(dòng)載荷加載條件下連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)標(biāo)稱的精度保持性時(shí)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(biāo)定精度保持性時(shí)間可信。每批次樣件精度保持性驗(yàn)證工序如圖6所示。

圖6　每批次樣件精度保持性驗(yàn)證工序流程原理示意圖

c) 關(guān)于精度保持性測(cè)定的試驗(yàn)方法

精度保持性測(cè)定為批量試驗(yàn)，樣本量盡量>10件，在標(biāo)稱精度保持性不可信，或不明確實(shí)際精度保持性指標(biāo)下，通過(guò)本工序完成精度保持性測(cè)定試驗(yàn)，結(jié)合精度保持性試驗(yàn)規(guī)范得到產(chǎn)品的實(shí)際精度保持性指標(biāo)。每批樣件疲勞精度保持性測(cè)定工序如圖7所示。

圖7　每批樣件疲勞精度保持性測(cè)定工序流程原理示意圖

3結(jié)語(yǔ)

1) 試驗(yàn)裝置最大試驗(yàn)力可達(dá)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(diǎn)，并且具備做滿載荷壽命試驗(yàn)的加載能力。

2) 試驗(yàn)裝置不僅可對(duì)常用直徑系列的滾珠絲杠副進(jìn)行精度保持性驗(yàn)證，更可直接測(cè)定滾珠絲杠副樣品的精度保持性，并且對(duì)被測(cè)絲杠的長(zhǎng)度無(wú)過(guò)高限制，具有適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。

3) 為避免拆裝樣件過(guò)于繁瑣，試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)了內(nèi)外錐套及軸承套件用于夾持絲杠兩端，針對(duì)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高。

4) 實(shí)驗(yàn)裝置的尾架與床身之間的平—V導(dǎo)軌設(shè)計(jì)，可適應(yīng)不同長(zhǎng)度被測(cè)絲杠的尾端支撐要求；對(duì)于需要施加預(yù)緊力的試驗(yàn)，可以通過(guò)測(cè)力扳手對(duì)設(shè)置在尾架上的預(yù)緊螺母施加預(yù)緊力。

5) 試驗(yàn)裝置通過(guò)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)可實(shí)現(xiàn)被測(cè)滾珠絲杠副在電渦流制動(dòng)器的可控連續(xù)加載下的持續(xù)往復(fù)跑合，成本低廉，檢測(cè)的數(shù)據(jù)值精確可靠，具有很好的市場(chǎng)前景。

6) 針對(duì)試驗(yàn)裝置研究的試驗(yàn)方法能夠較好地實(shí)現(xiàn)滾珠絲杠副精度保持性的測(cè)量與驗(yàn)證，精確而可靠，并且對(duì)將來(lái)其他同類產(chǎn)品試驗(yàn)方法的研究具有指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn):

[1] 王兆坦，朱繼生, 張瑞, 等. 滾珠絲杠副性能指標(biāo)的測(cè)試與研究[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床, 2009(6):128-134.

[2] 許向榮，宋現(xiàn)春, 姜洪奎, 等. 提高數(shù)控機(jī)床滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械剛度的措施[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù), 2008(8):1-4.

[3] 黃祖堯. 精密高速滾珠絲杠副的發(fā)展及其應(yīng)用[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床, 2002( 5) : 8-11.

[4] THK CO.,LTD. THK直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)A產(chǎn)品解說(shuō)[J]. 深圳蒂業(yè)技凱投資有限公司.

[5] 俞忠志. 我國(guó)滾動(dòng)功能部件產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀分析[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床, 2004(4):92-94.

[6] 屠國(guó)俊，陶衛(wèi)軍，馮虎田，等. 高速滾珠絲杠副性能試驗(yàn)與分析方法研究[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2012(1) : 8-11.

[7] 鄭金興. 機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)[M]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社, 2008.

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(hào)：TH131

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1671-5276(2015)03-0009-04

作者簡(jiǎn)介：朱宇霖(1989- )，男，江蘇大豐人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。