張麗， 陸天煒， 蘇超

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，成都 610031）

0 引言

螺旋傳動(dòng)是通過(guò)螺桿和螺母的旋合來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)和力的傳遞，它一般是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)。螺旋傳動(dòng)按摩擦性質(zhì)可分為滑動(dòng)螺旋、滾動(dòng)螺旋和靜壓螺旋，按用途可分為傳力螺旋、傳動(dòng)螺旋和調(diào)整螺旋[1]。相較于其他傳動(dòng)方式，螺旋傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易加工、能自鎖、傳動(dòng)平穩(wěn)等特點(diǎn)，在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，占有重要的地位，如機(jī)床的進(jìn)給螺旋、起重器的傳力螺旋、螺旋壓力機(jī)構(gòu)、起重機(jī)構(gòu)等。但螺旋傳動(dòng)也存在很多問(wèn)題，比如摩擦阻力大、易磨損、有側(cè)向間隙、定位精度差、軸向剛度較差等，這些都會(huì)影響螺旋傳動(dòng)的傳動(dòng)精度和效率。因此，不僅要比較不同螺旋副之間傳動(dòng)效率的差別，以便在實(shí)際應(yīng)用中選擇適合的螺旋傳動(dòng)以及合適的材料，而且還要研究在實(shí)際使用條件下各個(gè)因素對(duì)螺旋傳動(dòng)的性能的影響情況。所以設(shè)計(jì)一臺(tái)能夠測(cè)試各項(xiàng)參數(shù)下螺旋傳動(dòng)的傳動(dòng)效率，并且搭配一套專(zhuān)門(mén)的測(cè)試系統(tǒng)是十分必要的。

1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 效率測(cè)試原理

在實(shí)際測(cè)試中，機(jī)械傳動(dòng)效率一般被定義為輸入功率與輸出功率之比，因此在不考慮聯(lián)軸器和軸承造成的功率損失，將負(fù)載與螺母運(yùn)動(dòng)方向相反和相同的螺旋傳動(dòng)效率分別計(jì)算，其計(jì)算式如下：

式中：F為加載負(fù)荷；n為螺紋線數(shù)；P為螺紋螺距；M為輸入轉(zhuǎn)矩。

1.2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要用于測(cè)試在不同負(fù)載下，不同滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)的效率。實(shí)驗(yàn)臺(tái)包括機(jī)械、測(cè)試和控制三個(gè)系統(tǒng)，如圖1所示為實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)構(gòu)成框圖。其中動(dòng)力裝置向螺桿提供動(dòng)力使其運(yùn)轉(zhuǎn)，利用螺桿帶動(dòng)螺母沿軸向運(yùn)動(dòng)；通過(guò)調(diào)速裝置控制轉(zhuǎn)速；加載機(jī)構(gòu)向螺母施加負(fù)荷，并通過(guò)傳感器得到輸入轉(zhuǎn)矩；傳感器將測(cè)得的數(shù)據(jù)通過(guò)系統(tǒng)硬件傳入軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并在用戶(hù)界面上顯示相應(yīng)圖形。

圖1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)構(gòu)成框圖

在對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的使用條件反復(fù)論證后，最終確定了圖2所示的實(shí)驗(yàn)臺(tái)總體設(shè)計(jì)方案。電動(dòng)機(jī)1提供動(dòng)力帶動(dòng)螺桿8轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母9通過(guò)行程開(kāi)關(guān)6、11沿著直線導(dǎo)軌做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，直線位移傳感器4與螺母9相連，用于測(cè)試螺母9的實(shí)時(shí)位置。在電動(dòng)機(jī)1與螺桿8之間串聯(lián)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器3實(shí)現(xiàn)螺桿轉(zhuǎn)速和輸入轉(zhuǎn)矩的信號(hào)輸出。加載裝置通過(guò)滑輪12、13添加砝碼實(shí)現(xiàn)負(fù)載的穩(wěn)定變化。圖3為安裝好的實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖。

圖2 螺旋傳動(dòng)總體方案

圖3 實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖

2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

本實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)硬件關(guān)鍵部分主要是由兩種傳感器、數(shù)據(jù)采集卡以及計(jì)算機(jī)組成。其中轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器和采集卡是本實(shí)驗(yàn)臺(tái)的核心部件，關(guān)系著整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的性能。本實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用的YT－302轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器是北京天宇恒創(chuàng)傳感器技術(shù)有限公司提供的，其參數(shù)如表1所示。轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器配有調(diào)理電路，輸出時(shí)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速即為頻率信號(hào)，此信號(hào)被采集卡接收，經(jīng)過(guò)處理將其轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)，然后傳入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算。本實(shí)驗(yàn)臺(tái)使用的是川星科技有限公司提供的基于FPGA開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)采集卡，其性能、可靠性較好且具有較高性?xún)r(jià)比。

表1 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器參數(shù)

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

比較多種虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)，其中LabVIEW軟件編程較為簡(jiǎn)單，很多程序可以直接調(diào)用，能縮短開(kāi)發(fā)周期，用戶(hù)操作起來(lái)也更加便捷、輕松，因此本實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用LabVIEW軟件來(lái)開(kāi)發(fā)測(cè)試系統(tǒng)。基于LabVIEW軟件的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為用戶(hù)操作界面設(shè)計(jì)和程序框圖設(shè)計(jì)，前面板作為操作界面，主要包括參數(shù)輸入、數(shù)據(jù)圖表顯示和功能按鈕等控件。如圖4所示，本實(shí)驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)采集的主要包括串口參數(shù)設(shè)置、實(shí)驗(yàn)員信息、螺旋傳動(dòng)參數(shù)設(shè)置、圖形顯示、模塊選擇和控制等區(qū)域。串口參數(shù)設(shè)置區(qū)主要包含四個(gè)參數(shù)：串口號(hào)、波特率、數(shù)據(jù)比特和奇偶校驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)員信息包含姓名、班級(jí)、學(xué)號(hào)和指導(dǎo)老師，這些信息最后將顯示在最后生成實(shí)驗(yàn)報(bào)表中。螺旋傳動(dòng)參數(shù)設(shè)置區(qū)可選擇螺旋副類(lèi)型、輸入負(fù)載、控制轉(zhuǎn)速。模塊選擇區(qū)通過(guò)選項(xiàng)卡實(shí)現(xiàn)不同模塊的切換，實(shí)時(shí)查看效率、轉(zhuǎn)矩、速度、位移等曲線圖,以及對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)?？刂茀^(qū)主要有開(kāi)始/停止采集、保存數(shù)據(jù)、清空數(shù)據(jù)、生成報(bào)表和停止等五個(gè)按鈕。

圖4 數(shù)據(jù)采集前面板

本軟件的數(shù)據(jù)采集程序以VISA函數(shù)作為軟件的通信接口函數(shù)，采集到的十六進(jìn)制數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊變?yōu)槭M(jìn)制，再通過(guò)數(shù)據(jù)計(jì)算并經(jīng)濾波處理后得到平滑的曲線圖。圖5所示為實(shí)現(xiàn)用戶(hù)操作界面功能所編制的程序框圖。

3 實(shí)驗(yàn)臺(tái)應(yīng)用情況

圖5 程序框圖

圖6 螺旋傳動(dòng)正反轉(zhuǎn)效率曲線圖

為測(cè)本實(shí)驗(yàn)臺(tái)的實(shí)際應(yīng)用，以梯形螺旋傳動(dòng)在摩擦狀態(tài)下為例進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)驗(yàn)時(shí)所使用的梯形螺紋參數(shù)為：螺距P=12 cm，直徑d=48 mm，線數(shù)L=1，摩擦因數(shù)f=0.1。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到螺旋傳動(dòng)正反轉(zhuǎn)效率曲線如圖6所示。

由實(shí)驗(yàn)圖形可以看出，實(shí)際效率曲線隨著轉(zhuǎn)矩的變化波動(dòng)符合實(shí)際情況，而且無(wú)潤(rùn)滑狀態(tài)下實(shí)測(cè)效率與理論效率曲線相差接近，說(shuō)明該實(shí)驗(yàn)臺(tái)具有一定的傳動(dòng)精度。

5 結(jié)語(yǔ)

螺旋傳動(dòng)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)與測(cè)試系統(tǒng)于一體，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，能夠更加便捷地更換螺旋副，對(duì)多種螺旋副在不同負(fù)載、不同轉(zhuǎn)速、摩擦/潤(rùn)滑狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)試，可以通過(guò)測(cè)試軟件快速、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、生動(dòng)地反映螺旋傳動(dòng)效率，并在保存數(shù)據(jù)后進(jìn)行比較、分析各種狀態(tài)對(duì)螺旋傳動(dòng)效率的影響，這對(duì)研究螺旋傳動(dòng)性能具有重要的作用。