CN101769805B - 双杠滚珠丝杠摩擦力矩特性测试试验台 - Google Patents
双杠滚珠丝杠摩擦力矩特性测试试验台 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种双杠滚珠丝杠摩擦力矩特性测试试验台,包括基座以及安装在基座上由控制系统控制的第一、第二伺服电机,所述第一伺服电机用于带动待测试滚珠丝杠,第二伺服电机带动有基准滚珠丝杠,基准滚珠丝杠的两侧分别安装有直线导轨,两直线导轨上部安装有工作台,该工作台与基准滚珠丝杠上的基准螺母相固定,工作台上安装有测力传感器,有用于安装在待测试滚珠丝杠的螺母上的螺母套,螺母套上设置有与测力传感器的检测端相接触的悬臂,将待测试滚珠丝杠与第一伺服电机接合后,利用测力传感器采集得到待测试滚珠丝杠的摩擦力矩的对应信号,实现有效测量滚珠丝杠副摩擦力矩的大小,以助于提高滚珠丝杠副产品质量和提升数控机床的动态性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种双杠滚珠丝杠摩擦力矩特性测试试验台。
背景技术
滚珠丝杠副是在丝杠与螺母旋合螺旋槽之间放置适量滚珠作为中间传动体,借助滚珠返回通道,构成滚珠在闭合回路中循环的螺旋传动机构。在数控机床的进给传动系统中,经常采用滚珠丝杠作为传动元件,其作用是将伺服电机的旋转运动转变为运动执行件(刀架或工作台)的直线运动,用较小的转矩可获得很大的推力。
由于滚珠丝杠副具有摩擦阻力小,传动效率高(92 %~98 %)的优点,因此在机电一体化系统中得到广泛应用。滚珠丝杠副的轴向刚度、预紧力和运行转速对丝杆的工作效果有较大的影响,而对激励源分析则是这一研究工作的重要内容之一。
滚珠丝杠副的摩擦力矩是反映滚珠丝杠副加工质量、设计参数及性能的一项综合机械工作性能指标,它直接影响滚珠丝杠副的流畅性和平稳性。滚珠丝杠副运转是否平稳,主要取决于滚珠丝杠副预紧转矩的变动量,不同转速下滚珠丝杠副中滚珠链运动的流畅性不同。这些都直接影响到能量的损耗、温度的变化以及噪声、振动的变化。因此,了解滚珠丝杠副摩擦力矩的产生机理,测量摩擦力矩的大小,分析找出摩擦力矩波动的原因,对提高滚珠丝杠副产品质量和提升数控机床的动态性能具有非常现实的意义。然而,目前还没有出现用于测量滚珠丝杠副摩擦力矩大小的测试装置。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种双杠滚珠丝杠摩擦力矩特性测试试验台,可以有效测量滚珠丝杠副摩擦力矩的大小,以助于提高滚珠丝杠副产品质量和提升数控机床的动态性能。
为了解决上述技术问题,本发明的双杠滚珠丝杠摩擦力矩特性测试试验台,包括基座以及安装在基座上由控制系统控制的第一、第二伺服电机,所述第一伺服电机用于带动待测试滚珠丝杠,第二伺服电机带动有基准滚珠丝杠,基准滚珠丝杠的两侧分别安装有直线导轨,两直线导轨上部安装有工作台,该工作台与基准滚珠丝杠上的基准螺母相固定,工作台上安装有测力传感器,有用于安装在待测试滚珠丝杠的螺母上的螺母套,螺母套上设置有与测力传感器的检测端相接触的悬臂,所述基座上安装有滑轨,滑轨上配合安装有可沿其移动的滑动座,该滑动座的端部设置有可伸缩的顶针,滑动座的另一端设置有用于控制顶针伸缩的手轮。
作为上述技术方案的改进,所述第一伺服电机的转轴端部安装有转盘,转盘上设置有用于夹持待测试滚珠丝杠端部的锁紧机构,该锁紧机构包括与转盘相固定的定位圈,定位圈上设置有紧锁螺钉。
本发明的有益效果是:这种双杠滚珠丝杠摩擦力矩特性测试试验台由于采用了上述结构,将待测试滚珠丝杠与第一伺服电机接合后,通过控制系统调节第一、第二伺服电机的工作参数,使得基准滚珠丝杠与待测试滚珠丝杠的螺母以相同的轴向速度运动,利用测力传感器采集得到待测试滚珠丝杠的摩擦力矩的对应信号,实现有效测量滚珠丝杠副摩擦力矩的大小,以助于提高滚珠丝杠副产品质量和提升数控机床的动态性能。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明的结构示意图;
图2是本发明另一个角度的结构示意图。
具体实施方式
参照图1、图2,本发明的双杠滚珠丝杠摩擦力矩特性测试试验台,包括基座1以及安装在基座1上由控制系统控制的第一、第二伺服电机2、3,所述第一伺服电机2用于带动待测试滚珠丝杠,第二伺服电机3带动有基准滚珠丝杠4,基准滚珠丝杠4的两侧分别安装有直线导轨5,两直线导轨5上部安装有工作台6,该工作台6与基准滚珠丝杠4上的基准螺母7相固定,工作台6上安装有测力传感器8,有用于安装在待测试滚珠丝杠的螺母上的螺母套9,螺母套9上设置有与测力传感器8的检测端81相接触的悬臂10。这种双杠滚珠丝杠摩擦力矩特性测试试验台由于采用了上述结构,将待测试滚珠丝杠与第一伺服电机2接合后,通过控制系统调节第一、第二伺服电机2、3的工作参数,使得基准滚珠丝杠与待测试滚珠丝杠的螺母以相同的轴向速度运动,利用测力传感器8采集得到待测试滚珠丝杠的摩擦力矩的对应信号,实现有效测量滚珠丝杠副摩擦力矩的大小,以助于提高滚珠丝杠副产品质量和提升数控机床的动态性能。
在本实施例中,所述第一伺服电机2的转轴端部安装有转盘11,转盘11上设置有用于夹持待测试滚珠丝杠端部的锁紧机构,该锁紧机构包括与转盘11相固定的定位圈12,定位圈12上设置有紧锁螺钉13。所述基座1上安装有滑轨14,滑轨14上配合安装有可沿其移动的滑动座15,该滑动座15的端部设置有可伸缩的顶针16,滑动座15的另一端设置有用于控制顶针16伸缩的手轮17。在安装待测试滚珠丝杠的时候,先将待测试滚珠丝杠的一端放进定位圈12中,旋转紧锁螺钉13将待测试滚珠丝杠的端部顶紧并使之与转盘11同一旋转轴心,然后移动滑动座15,将顶针16与待测试滚珠丝杠的另一端对应,转动手轮17使顶针16伸出顶住待测试滚珠丝杠的端部,实现对待测试滚珠丝杠的支撑。
在测试的时候,第一伺服电机带动待测试滚珠丝杠在不同的进给速度下运转,采集摩擦力矩与振动加速度信号。进给速度定为以下几种:0.25、0.5、1、1.5、2、2 .5、3、3.5 m/min。摩擦力矩为相应转速下的测试力与力臂的乘积,测试前先对测力传感器标定,测试开始后的初始状态与稳定运行后的力差为丝杠摩擦力矩,取稳定运行的力矩信号分析摩擦力矩的波动。
滚珠丝杠副摩擦力矩产生机理分析
1)差动滑动摩擦
滚珠在滚道中滚动时,由于外加载荷及预紧力的作用,接触点处将发生弹性接触变形,其接触处为椭圆面,从而产生滚动差动滑动和自转差动滑动所带来的差动滑动摩擦。若外加载荷或预紧力越大,接触面就越大,滚珠与滚道面间在接触面上的差动滑动越大,从而增大了滑动摩擦。
2)滚珠与丝杠和螺母滚道间的滑动摩擦
在滚珠轴承摩擦中占有很大比重的自旋、差动滑动等因素通常在滚珠丝杠全部摩擦中所占的比例较小,与此相比,滚珠丝杠副摩擦的主要因素是由于滚道呈螺旋状而产生的滚珠和滚道之间的滑动摩擦。滚珠丝杠运动时,滚珠同丝杠螺纹滚道,以及螺母螺纹滚道的各接触点以及滚珠中心都围绕着丝杠轴心线螺旋运动,但是由于各点的半径不同,其螺旋线轨迹相互也不平行。滚珠滚动时,各接触点顺着螺旋方向有微小的滑移,而且滚珠一边转动,一边向滚道侧面楔入,当达到某一恒定状态,滚珠就伴随着滑动继续滚动。滑动量相对于滚动量的比,即滑移率,可以根据滚珠丝杠本身结构来计算,其数值一般约为0.005~0.05,虽然该数值很小,但由于和滚动摩擦系数相比,滑动摩擦系数较大,所以滑动摩擦是滚珠丝杠摩擦的主要因素。
3)滚珠与滚珠间的滑动摩擦
滚珠在滚道槽中滚动时,接触点处滚珠间的相对滑动速度为滚珠滚动线速度的两倍。当相对滑动速度达到某一定值后,滑动摩擦系数明显增加,使摩擦力矩也明显增大。
4)滚珠在循环返回装置中的摩擦
滚珠丝杠中除了承受轴向工作载荷的工作滚珠外,还有在循环返回装置中作循环返回运动的滚珠。在运动过程中,这些滚珠与循环返回装置间也存在摩擦力。
5)润滑剂的粘性摩擦
滚珠丝杠副振动特性分析
滚珠丝杠可以看作滚动轴承在丝杠上的嫁接,因此具有许多和球轴承类似的特性。有文献认为任何引起钢球与滚道之间接触载荷变化的因素都可能激励丝杠的振动,例如,滚珠与滚道面的波纹度、滚道面的表面粗糙度、滚珠在滚道中的摩擦力和滚道中的杂质颗粒等。但是在上述激励中,表面粗度、摩擦力和杂质颗粒所产生的激励一般是随机性的,不具有周期性特征,只有波纹度产生的激励是周期性的。不难理解,由于结构的相似性,上述结论对滚珠丝杠也同样适用,同时,滚珠丝杠与球轴承相比,多了一个返向机构。有文献认为滚珠在进出返向机构时会对丝杠系统产生较大的冲击,是滚珠丝杠副振动的一个重要激励源。
影响滚珠丝杠副摩擦力矩波动的因素
1)反向器内滚珠滑动摩擦对摩擦力矩的影响
在外循环形式的反向器中,滚珠是依靠后面推动前面而向前运动的,大多数情况下因滚珠不受滚动力偶作用,只作滑动运动,滚珠的运动阻力均反映到丝杠摩擦力矩的变化上。本文中,反向器在下端成水平状态,所以反向器内滚珠的滑动摩擦力Ff1为:
由反向器内滑动的滚珠所产生的摩擦力对丝杠的附加摩擦力矩为:
2)滚道进出口处滚珠摩擦力对摩擦力矩的影响
在反向器出口(滚道的入口),由于丝杠的预紧效果,滚珠必须达到丝杠摩擦阻力产生的扭矩使得滚珠能进入滚道,即需要作用力FR在入口滚珠上,滚道入口的滚珠在受到后面滚珠的作用力下,为满足不打滑的条件,与螺母接触点必然产生向下的作用力Ff0,在相同的润滑条件及摩擦系数前提下,丝杠滚道与滚珠的接触点将先产生滑动,从而使得该点摩擦阻力达到最大。而作用力FR是由丝杠滚道出口处的滚珠所提供的,在滚道出口处,滚珠所受的力将产生极大的摩擦阻力,该阻力转化为丝杠的摩擦力矩,从而使丝杆摩擦力矩产生波动。
(5-8)
总的反向器附加摩擦力矩为:
丝杠所需的总摩擦力矩为:
Claims (2)
1.双杠滚珠丝杠摩擦力矩特性测试试验台,包括基座(1)以及安装在基座(1)上由控制系统控制的第一、第二伺服电机(2、3),其特征在于所述第一伺服电机(2)用于带动待测试滚珠丝杠,第二伺服电机(3)带动基准滚珠丝杠(4),基准滚珠丝杠(4)的两侧分别安装有直线导轨(5),两直线导轨(5)上部安装有工作台(6),该工作台(6)与基准滚珠丝杠(4)上的基准螺母(7)相固定,工作台(6)上安装有测力传感器(8),有用于安装在待测试滚珠丝杠的螺母上的螺母套(9),螺母套(9)上设置有与测力传感器(8)的检测端(81)相接触的悬臂(10),所述基座(1)上安装有滑轨(14),滑轨(14)上配合安装有可沿其移动的滑动座(15),该滑动座(15)的端部设置有可伸缩的顶针(16),滑动座(15)的另一端设置有用于控制顶针(16)伸缩的手轮(17)。
2.根据权利要求1所述的双杠滚珠丝杠摩擦力矩特性测试试验台,其特征在于所述第一伺服电机(2)的转轴端部安装有转盘(11),转盘(11)上设置有用于夹持待测试滚珠丝杠端部的锁紧机构,该锁紧机构包括与转盘(11)相固定的定位圈(12),定位圈(12)上设置有紧锁螺钉(13)。
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