CN103018104B - 滚珠丝杠副轴向静刚度卧式测量装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种滚珠丝杠副轴向静刚度卧式测量装置及其方法，包括加载组件、防转组件、测量组件、锁紧组件、支撑组件以及数据处理模块，所述的加载组件包括伺服电机、减速机、带轮传动部分、一对加载丝杠、一对加载螺母和移动梁；防转组件包括螺母工装、转接板和套筒；测量组件包括位移传感器和压力传感器；锁紧组件包括锁紧丝杠、锁紧手轮、双螺母；支撑组件包括床身、头架、尾架、位移传感器夹具；数据处理模块即为数据处理所需的计算机。本发明可实现滚珠丝杠副轴向静刚度的自动测量，具有加载载荷大，测量精度高，适用范围广，测量位置多并且做到轴向加载时拉压兼顾的优点。

Description

滚珠丝杠副轴向静刚度卧式测量装置及其方法

技术领域

本发明属于测量技术领域，特别是一种滚珠丝杠副轴向静刚度卧式测量装置及其方法。

背景技术

滚珠丝杠副是由滚珠丝杠、滚珠和滚珠螺母组成的机械元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将转矩转换成轴向反复作用力。它可以实现非常高的传动和定位精度，被广泛应用于各类精密机床的进给传动系统中，是机械工业使用广泛、要求严格的配套件和基础件。

滚珠丝杠副的轴向静刚度反映了滚珠丝杠副抵抗轴向变形的能力，其定义为在轴向力的作用下，在轴向产生1                                                变形量时所需的轴向力（N）。滚珠丝杠副作为数控机床进给系统的关键部件，其各项性能，尤其是轴向静刚度将直接影响到数控机床的定位精度和重复定位精度。而滚珠丝杠副轴向静刚度是整个数控机床进给系统中刚度最为薄弱的环节，其性能好坏对数控机床的加工精度有重大影响。目前，国外滚珠丝杠副厂商如THK、NSK等，其产品出厂时均经过严格检验，样本手册上也都标注有准确的轴向静刚度值等技术指标，以供使用者参考。而反观国内，尽管在滚珠丝杠副的发展与研究方面已经经历了几十年的时间，但对此项技术的研究仍不成熟，并且与国际先进水平有较大差距，主要体现在：理论研究不够深入，产品的技术指标与实际使用性能较低，缺乏有效的检测装置等。因此开发出高精度、高载荷、高通用性的测量装置与测量方法，不仅拥有很好的应用前景，对国产滚珠丝杠副质量的提高也会有很好的推动作用。

经对现有技术的文献检索发现，山东建筑大学的宋现春等人于2008年开始设计采用液压系统进行滚珠丝杠副的轴向加载，通过采集和处理压力传感器和微位移传感器的信号，进行轴向静刚度的测试；该装置需要借助额外的T型导轨来限制丝杠转动，并且采用液压系统对丝杠施加压力，最大轴向负荷为100kN，不能做到拉压兼顾，加载方式单一，载荷较小，加载系统复杂，成本较高，技术手段亦不成熟。中国发明专利公布号CN102116717 A，名称为：基于材料试验机的滚珠丝杠副轴向静刚度测试夹具，该专利介绍了一种基于材料试验机而设计的专用夹具，具体测试方法以材料试验机为本体，通过专用夹具可进行滚珠丝杠副轴向的拉压测试，最大加载能力为500kN，并利用材料试验机自带的上位机软、硬件系统实现力和位移的同步采集，完成轴向静刚度曲线的绘制；该方案由于受到材料试验机夹紧装置以及专用夹具尺寸的限制，被测丝杠总长需小于600mm，被测螺母需特制外径大于82mm的法兰并在法兰上打孔才能满足装夹要求，因此带来被测滚珠丝杠副长度受限，可测量直径系列少，尤其较大直径系列无法测量，通用性较低，加载时只能拉伸不能施压，形式单一，技术手段亦不成熟等缺点。中国发明专利申请号201210457121.X，名称为：滚珠丝杠副轴向静刚度测量装置及其方法，该专利采用双丝杠立式加载，固定被测螺母，施压被测丝杠，并通过一次掉装完成被测滚珠丝杠副拉压方向轴向静刚度的测量，最大加载力为600kN，且设计有专用防转结构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高精度、高载荷、高通用性、多测量位置、拉压兼顾的滚珠丝杠副轴向静刚度卧式测量装置及其测量方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种滚珠丝杠副轴向静刚度卧式测量装置，包括加载组件、防转组件、测量组件、锁紧组件、支撑组件以及数据处理模块，所述的加载组件包括伺服电机、减速机、带轮传动部分、一对加载丝杠、一对加载螺母和移动梁；防转组件包括螺母工装、转接板和套筒；测量组件包括位移传感器和压力传感器；锁紧组件包括锁紧丝杠、锁紧手轮、双螺母；支撑组件包括床身、头架、尾架、位移传感器夹具；数据处理模块即为数据处理所需的计算机；带轮传动部分由同步带将一个主动轮和两个被动轮连接组成，伺服电机与减速机连接，减速机与主动轮连接，两个被动轮分别与各自加载丝杠连接，一对加载螺母分别与各自加载丝杠组成一对加载滚珠丝杠副并沿床身对称面对称布置，一对加载丝杠通过轴承安装在床身上，计算机分别与伺服电机、压力传感器和位移传感器连接；头架、尾架、被测丝杠、被测螺母、锁紧丝杠均设置在床身的对称面上；头架固定在床身上，套筒与头架连接，被测丝杠一端插入套筒中并通过轴肩靠死套筒，尾架通过T型槽安装在床身上，可沿床身对称面水平移动，并可通过拧紧T型槽内螺栓上的螺母固定尾架的位置，测量时尾架靠死被测丝杠另一端轴肩；移动梁与一对加载螺母连接，转接板与移动梁连接，压力传感器与转接板连接，螺母工装与压力传感器连接，被测螺母与螺母工装连接，被测螺母和被测丝杠构成一个被测滚珠丝杠副，转接板、压力传感器、螺母工装均空套在被测丝杠上；锁紧丝杠安装在床身上，一端通过双螺母将锁紧手轮与锁紧丝杠固定，另一端顶在尾架上，通过转动锁紧手轮锁紧或放松尾架与被测丝杠接触；位移传感器夹具安装于床身，位移传感器安装在位移传感器夹具上，位移测量表面选择为被测螺母靠近头架方向的端面。

本发明与现有技术相比，其显著优点：（1）本装置最大试验力远大于目前已有试验台最大试验力，并且采用高精度压力传感器与位移传感器，因此具有超高载荷、高精度的优点，并且具备做破坏性试验的加载能力；（2）采用本发明设计的装置，不仅可对常用直径系列的普通滚珠丝杠副进行轴向静刚度测量，更可测量重载滚珠丝杠副，并且对被测丝杠的长度无过高限制，具有适用范围广的优点；（3）为防止加载时被测滚珠丝杠副，尤其是大导程角滚珠丝杠副的转动，本装置设计有一套防转结构，对于不同直径系列滚珠丝杠副均适用，结构简单，可靠性高；（4）本装置采用固定被测丝杠，施力于被测螺母的加载方式，结构简单，加载稳定可靠，并且随被测螺母位置的变化可实现多个测量位置的加载试验；（5）采用本发明设计的装置，通过控制电机正反转可实现被测滚珠丝杠副拉压状态下轴向静刚度的测量，成本低廉，检测的数据值精确可靠，具有很好的市场前景。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明滚珠丝杠副轴向静刚度卧式测量装置的结构组成及连接组装示意图。

图2为本发明装置中套筒结构示意图：（a）主视图，（b）左视图。

图3为本发明装置中移动梁结构示意图。

图4为本发明测量方法流程图。

具体实施方式

本发明采用固定被测丝杠，对被测螺母施力的加载方式，使用压力传感器和位移传感器分别对被测螺母的轴向载荷和轴向微位移进行采样，其中压力传感器与被测螺母固连，位移传感器通过位移传感器夹具安装在床身上，测量被测螺母右端面的垂直位移。通过对采样数据进行处理可分别绘制拉压状态下滚珠丝杠副轴向静刚度曲线并最终计算出其值的大小，从而实现滚珠丝杠副轴向静刚度的测量，具体内容如下。

结合图1，本发明滚珠丝杠副轴向静刚度卧式测量装置，包括加载组件、防转组件、测量组件、锁紧组件、支撑组件以及数据处理模块，所述的加载组件包括伺服电机18、减速机19、带轮传动部分20、一对加载丝杠14、一对加载螺母13和移动梁8；防转组件包括螺母工装5、转接板7和套筒15；测量组件包括位移传感器3和压力传感器6；锁紧组件包括锁紧丝杠9、锁紧手轮10、双螺母11；支撑组件包括床身17、头架16、尾架12、位移传感器夹具2；数据处理模块即为数据处理所需的计算机21；带轮传动部分20由同步带将一个主动轮和两个被动轮连接组成，伺服电机18与减速机19连接，减速机19与主动轮连接，两个被动轮分别与各自加载丝杠14连接，一对加载螺母13分别与各自加载丝杠14组成一对加载滚珠丝杠副并沿床身17对称面对称布置，一对加载丝杠14通过轴承安装在床身上，计算机21分别与伺服电机18、压力传感器6和位移传感器3连接；头架16、尾架12、被测丝杠1、被测螺母4、锁紧丝杠9均设置在床身17的对称面上；头架16固定在床身17上，加工有内花键通孔的套筒15通过螺钉与头架16连接，被测丝杠1右端加工出外花键，插入套筒15中并通过轴肩靠死套筒15，限制了被测丝杠1的转动与右向移动，尾架12通过T型槽安装在床身17上，可沿床身17对称面水平移动，并可通过拧紧T型槽内螺栓上的螺母固定尾架12的位置，测量时尾架12靠死被测丝杠1左端轴肩，限制了被测丝杠1左向移动；移动梁8与一对加载螺母13连接，转接板7与移动梁8连接，压力传感器6与转接板7连接，螺母工装5与压力传感器6连接，被测螺母4与螺母工装5连接，被测螺母4和被测丝杠1构成一个被测滚珠丝杠副（被测螺母4与被测丝杠1连接），转接板7、压力传感器6、螺母工装5均空套在被测丝杠1上，当一对加载丝杠14转动时，一对加载螺母13左右移动，分别加载于移动梁8、转接板7、压力传感器6、螺母工装5，最终加载于被测螺母4；锁紧丝杠9安装在床身17上，左端通过双螺母11将锁紧手轮10与锁紧丝杠9固定，右端顶在尾架12上，通过转动锁紧手轮10可以锁紧或放松尾架12与被测丝杠1左端的接触；位移传感器夹具2安装于床身17，位移传感器3安装在位移传感器夹具2上，位移测量表面选择为被测螺母4右端面（测量面）。上述左右方向是：以头架16方向为右，以尾架12方向为左，左右端亦可用一端、另一端表述。

结合图2，本发明滚珠丝杠副轴向静刚度卧式测量装置中，所述套筒15为一盘类零件，在零件中心加工出内花键通孔，被测丝杠1一端加工出外花键，加工出外花键的被测丝杠1一端与内花键通孔配合实现被测丝杠1的防转功能，套筒15的法兰面上加工有通孔，通过螺钉与头架16连接。

结合图3，本发明滚珠丝杠副轴向静刚度卧式测量装置中，所述移动梁8为一盘类零件，形状类似键，所有加工孔均为通孔，移动梁8的两侧大孔用于空套在一对加载丝杠14上，大孔周围均布的小孔（可以是4-10个）用于与加载螺母13连接，移动梁8中间位置的U型槽空套在被测丝杠1上并便于被测丝杠1的安装，U型槽两侧的孔用于与转接板7螺钉连接。

结合图4，本发明使用上述的滚珠丝杠副轴向静刚度卧式测量装置进行滚珠丝杠副轴向静刚度测量方法，步骤如下：

（1）在测量前对被测滚珠丝杠副进行加工：被测螺母4法兰上的螺栓连接孔加工为通孔，被测丝杠1两端加工出用于轴向定位的轴肩，一端加工出外花键，用于防止被测丝杠1转动；

（2）进行采样前的准备工作：根据被测滚珠丝杠副型号选择对应的套筒15与螺母工装5，将转接板7、压力传感器6、螺母工装5三者从左到右依次连接，三者连接好后从左端套入被测丝杠1，在被测丝杠1上旋转被测螺母4至某一测量位置并连接螺母工装5与被测螺母4，然后将套筒15固定于头架16上，将被测丝杠1右端插入套筒15并用轴肩靠死，连接移动梁8与转接板7，接着推动尾架12靠紧被测丝杠1左端轴肩，转动锁紧手轮10带动锁紧丝杠9顶住尾架12使尾架12与被测丝杠1靠死，拧紧T型槽内螺栓上的螺母，固定尾架12，上述一系列操作防止了被测丝杠1的左右移动和转动以及被测螺母4的转动，最后安装位移传感器3，使位移传感器3测量被测螺母4靠近头架16方向的端面水平位移，清零压力传感器6和位移传感器3。所述测量位置是：测量前根据需要在被测丝杠1上选定多个测量位置，并保证在每一测量位置安装时被测螺母4右端面在位移传感器3测量范围内，移动梁8与尾架12保证一定距离（≥20mm）。所述一系列操作防止了被测丝杠1的左右移动和转动以及被测螺母4的转动是：套筒15与头架16固连，头架16与床身17固连，被测丝杠1左右两端轴肩分别与尾架12和套筒15靠死，限制了被测丝杠1的左右移动，被测丝杠1右端外花键与套筒15的内花键通孔配合，限制了被测丝杠1的转动；移动梁8与一对加载螺母13连接，限制了移动梁8的转动，而移动梁8又依次与转接板7、压力传感器6、螺母工装5、被测螺母4固连，故限制了被测螺母4的转动。所述安装位移传感器3是：实际测量时为保证测量的准确性，沿被测螺母4轴线周向对称布置m（m≥3）个位移传感器3，共同测量被测螺母4右端面（测量面）的水平位移。

（3）启动伺服电机18，对被测螺母4进行轴向压力加载，并在0-100%最大试验载荷内，按一定间隔依次加载并保持恒压30-60秒，同时采集各恒压阶段的加载力和位移变形量。所述在0-100%最大试验载荷内，按一定间隔依次加载并保持恒压30-60秒是：根据被测滚珠丝杠副型号确定最大试验载荷；一定间隔依次加载决定了最终采集的恒压点数，间隔越小，采集点数越多，测量越准确，一般至少需20个恒压点，故一定间隔取≤5%最大试验载荷；加载亦可选择连续加载同步测量的方式，两种加载方式相比恒压方式较为准确，连续加载方式较为快捷。

（4）加载结束后，以加载的反顺序开始进行卸载工况，同时采集各恒压阶段或连续卸载过程的加载力和位移变形量，直到卸载至零为止，结束数据采集工作，得到一组滚珠丝杠副轴向力-位移对应关系的采样数据；

（5）控制伺服电机18反转，对被测螺母4进行轴向拉力加载，重复步骤（3）、（4），得到另一组滚珠丝杠副轴向力-位移对应关系的采样数据；

（6）通过计算机21对上述两组采样数据进行处理，剔除异常点，分别绘制压力状态与拉伸状态下滚珠丝杠副轴向静刚度测量曲线（以为横坐标单位，N为纵坐标单位绘制滚珠丝杠副轴向静刚度测量曲线），曲线斜率的倒数即为滚珠丝杠副轴向静刚度值。所述通过计算机21对采样数据进行处理，剔除异常点是：滚珠丝杠副轴向静刚度值基本为一定值，故力-位移数据关系为线性关系，采用最小二乘法对每一组所有数据点进行线性拟合，对于拟合线以外相对误差超过10%的点定义为异常点，将其剔除，对剩余点重复以上步骤直至无异常点。

通过以上实施过程，采用本发明中的装置及其方法实现了对滚珠丝杠副轴向静刚度的自动测量，具有加载载荷大，测量精度高，适用范围广，测量位置多并且做到轴向加载时拉压兼顾的优点。

Claims (8)

1.一种滚珠丝杠副轴向静刚度卧式测量装置，其特征在于包括加载组件、防转组件、测量组件、锁紧组件、支撑组件以及数据处理模块，所述的加载组件包括伺服电机（18）、减速机（19）、带轮传动部分（20）、一对加载丝杠（14）、一对加载螺母（13）和移动梁（8）；防转组件包括螺母工装（5）、转接板（7）和套筒（15）；测量组件包括位移传感器（3）和压力传感器（6）；锁紧组件包括锁紧丝杠（9）、锁紧手轮（10）、双螺母（11）；支撑组件包括床身（17）、头架（16）、尾架（12）、位移传感器夹具（2）；数据处理模块即为数据处理所需的计算机（21）；带轮传动部分（20）由同步带将一个主动轮和两个被动轮连接组成，伺服电机（18）与减速机（19）连接，减速机（19）与主动轮连接，两个被动轮分别与各自加载丝杠（14）连接，一对加载螺母（13）分别与各自加载丝杠（14）组成一对加载滚珠丝杠副并沿床身（17）对称面对称布置，一对加载丝杠（14）通过轴承安装在床身（17）上，计算机（21）分别与伺服电机（18）、压力传感器（6）和位移传感器（3）连接；头架（16）、尾架（12）、被测丝杠（1）、被测螺母（4）、锁紧丝杠（9）均设置在床身（17）的对称面上；头架（16）固定在床身（17）上，套筒（15）与头架（16）连接，被测丝杠（1）一端插入套筒（15）中并通过轴肩靠死套筒（15），尾架（12）通过T型槽安装在床身（17）上，可沿床身（17）对称面水平移动，并可通过拧紧T型槽内螺栓上的螺母固定尾架（12）的位置，测量时尾架（12）靠死被测丝杠（1）另一端轴肩；移动梁（8）与一对加载螺母（13）连接，转接板（7）与移动梁（8）连接，压力传感器（6）与转接板（7）连接，螺母工装（5）与压力传感器（6）连接，被测螺母（4）与螺母工装（5）连接，被测螺母（4）和被测丝杠（1）构成一个被测滚珠丝杠副，转接板（7）、压力传感器（6）、螺母工装（5）均空套在被测丝杠（1）上；锁紧丝杠（9）安装在床身（17）上，一端通过双螺母（11）将锁紧手轮（10）与锁紧丝杠（9）固定，另一端顶在尾架（12）上，通过转动锁紧手轮（10）锁紧或放松尾架（12）与被测丝杠（1）接触；位移传感器夹具（2）安装于床身（17），位移传感器（3）安装在位移传感器夹具（2）上，位移测量表面选择为被测螺母（4）靠近头架（16）方向的端面。

2.根据权利要求1所述的滚珠丝杠副轴向静刚度卧式测量装置，其特征在于所述套筒（15）为一盘类零件，在零件中心加工出内花键通孔，被测丝杠（1）一端加工出外花键，加工出外花键的被测丝杠（1）一端与内花键通孔配合实现被测丝杠（1）的防转功能，套筒（15）的法兰面上加工有通孔，通过螺钉与头架（16）连接。

3.根据权利要求2所述的滚珠丝杠副轴向静刚度卧式测量装置，其特征在于所述移动梁（8）为一盘类零件，移动梁（8）的两侧大孔用于空套在一对加载丝杠（14）上，大孔周围均布的小孔用于与加载螺母（13）连接，移动梁（8）中间位置的U型槽空套在被测丝杠（1）上并便于被测丝杠（1）的安装，U型槽两侧的孔用于与转接板（7）通过螺钉连接，所有加工孔均为通孔。

4.一种利用权利要求3所述的滚珠丝杠副轴向静刚度卧式测量装置进行测量的方法，其特征在于步骤如下：

（1）在测量前对被测滚珠丝杠副进行加工：被测螺母（4）法兰上的螺栓连接孔加工为通孔，被测丝杠（1）两端加工出用于轴向定位的轴肩，一端加工出外花键，用于防止被测丝杠（1）转动；

（2）进行采样前的准备工作：根据被测滚珠丝杠副型号选择对应的套筒（15）与螺母工装（5），将转接板（7）、压力传感器（6）、螺母工装（5）三者从左到右依次连接，三者连接好后从左端套入被测丝杠（1），在被测丝杠（1）上旋转被测螺母（4）至某一测量位置并连接螺母工装（5）与被测螺母（4），然后将套筒（15）固定于头架（16）上，将被测丝杠（1）右端插入套筒（15）并用轴肩靠死，连接移动梁（8）与转接板（7），接着推动尾架（12）靠紧被测丝杠（1）左端轴肩，转动锁紧手轮（10）带动锁紧丝杠（9）顶住尾架（12）使尾架（12）与被测丝杠（1）靠死，拧紧T型槽内螺栓上的螺母，固定尾架（12），上述采样前准备工作的一系列操作防止了被测丝杠（1）的左右移动和转动以及被测螺母（4）的转动，最后安装位移传感器（3），使位移传感器（3）测量被测螺母（4）靠近头架（16）方向的端面水平位移，清零压力传感器（6）和位移传感器（3）；

（3）启动伺服电机（18），对被测螺母（4）进行轴向压力加载，并在0-100%最大试验载荷内，按间隔依次加载并保持恒压，同时采集各恒压阶段的加载力和位移变形量，或者选择连续加载同步测量的方式；

（4）加载结束后，以加载的反顺序开始进行卸载工况，同时采集各恒压阶段或者连续卸载过程的加载力和位移变形量，直到卸载至零为止，结束数据采集工作，得到一组滚珠丝杠副轴向力-位移对应关系的采样数据；

（5）控制伺服电机（18）反转，对被测螺母（4）进行轴向拉力加载，重复步骤（3）、（4），得到另一组滚珠丝杠副轴向力-位移对应关系的采样数据；

（6）通过计算机（21）对上述两组采样数据进行处理，剔除异常点，分别绘制压力状态与拉伸状态下滚珠丝杠副轴向静刚度测量曲线，曲线斜率的倒数即为滚珠丝杠副轴向静刚度值。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于步骤（2）中，所述某一测量位置是：测量前根据需要在被测丝杠（1）上选定多个测量位置，并保证在每一测量位置安装时被测螺母（4）的测量端面在位移传感器（3）测量范围内，移动梁（8）与尾架（12）的距离≥20mm。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于步骤（2）中，所述一系列操作防止了被测丝杠（1）的左右移动和转动以及被测螺母（4）的转动是：套筒（15）与头架（16）固连，头架（16）与床身（17）固连，被测丝杠（1）左右两端轴肩分别与尾架（12）和套筒（15）靠死，限制了被测丝杠（1）的左右移动，被测丝杠（1）右端外花键与套筒（15）的内花键通孔配合，限制了被测丝杠（1）的转动；移动梁（8）与一对加载螺母（13）连接，限制了移动梁（8）的转动，而移动梁（8）又依次与转接板（7）、压力传感器（6）、螺母工装（5）、被测螺母（4）固连，故限制了被测螺母（4）的转动。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于步骤（2）中，所述安装位移传感器（3）是：实际测量时，沿被测螺母（4）轴线周向对称布置m个位移传感器（3），共同测量被测螺母（4）测量端面的水平位移，m≥3。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于步骤（6）中，所述通过计算机（21）对采样数据进行处理，剔除异常点是：滚珠丝杠副轴向静刚度值基本为一定值，故力-位移数据关系为线性关系，采用最小二乘法对每一组所有数据点进行线性拟合，对于拟合线以外相对误差超过10%的点定义为异常点，将其剔除，对剩余点重复以上步骤直至无异常点。