CN103411773A - 一种高速精密滚珠丝杠副可靠性试验装置及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于检测技术领域，具体涉及一种高速精密滚珠丝杠副可靠性试验装置及其试验方法。本发明包括底座，其所述的底座两侧设置两个轴承座，伺服电机和液压缸通过支撑板固定在其中一个轴承座外侧的底座上，液压缸伸出杆穿过支撑板与两个轴承座之间的丝母座相连，丝母座底部固定两个万向球轴承，丝母座侧面固定光栅尺读数头，底座的另一侧边缘设置光栅尺。本发明采用无导轨的设计思想，最大限度地减小了导轨误差对滚珠丝杠副精度试验所带来的影响。

Description

一种高速精密滚珠丝杠副可靠性试验装置及其试验方法

技术领域

    本发明属于检测技术领域，具体涉及一种高速精密滚珠丝杠副可靠性试验装置及其试验方法。

背景技术

滚珠丝杠副主要由滚珠丝杠、丝母和滚珠组成，用于把回转运动转化成直线运动。滚动功能部件由轴承演变而来，除了具有与轴承类似的强度高、寿命长的特点以外，还具有有运动精度高，摩擦力小，效率高等优点，被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。滚珠丝杠精度可靠性是指滚珠丝杠副在工作过程中保持各项精度指标在规定公差范围之内的能力。精度可靠性主要取决于工作接触面耐磨性、预紧力和尺寸稳定性，与丝杠副材料匹配、工作载荷、加工精度、润滑方式及安装定位精度等因素有关。滚珠丝杠的精度可靠性直接影响到工作机的定位精度和加工产品的质量。

目前，国内滚珠丝杠副生产企业及高校已开发出不同系列的滚珠丝杠副精度、寿命及综合性能测试试验装置及方法，但是这些试验装备及方法均不能排除由设备自身导轨的精度所带来的误差，且没有提出完整的可靠性试验方案及可靠性建模方法。为了提高国产滚动功能部件的可靠性水平，对试制产品进行试验、分析和改进是一种有效的途径，而在所有的试验中，可靠性试验则是研究内容较广、研究深度较深的一类试验,其对应的分析与评估方法能全面、深入的反映出滚动功能部件的精度、性能、疲劳寿命等重要特性，因此，研究滚动功能部件可靠性试验、分析与评估方法，将是滚动功能部件产品改进与提高的基础。

发明内容

本发明的目的是提供一种性能可靠的高速精密滚珠丝杠副可靠性试验装置及其试验方法。

为了解决上述技术问题，本发明采取的技术方案如下：

一种高速精密滚珠丝杠副可靠性试验装置，包括底座，其所述的底座两侧设置两个轴承座，伺服电机和液压缸通过支撑板固定在其中一个轴承座外侧的底座上，液压缸伸出杆穿过支撑板与两个轴承座之间的丝母座相连，丝母座底部固定两个万向球轴承，丝母座侧面固定光栅尺读数头，底座的另一侧边缘设置光栅尺。

上述的高速精密滚珠丝杠副可靠性试验装置，其还包括弹性联轴器，所述的弹性联轴器与伺服电机相连。

上述的高速精密滚珠丝杠副可靠性试验装置，其还包括试验丝母，所述的试验丝母通过螺栓与丝母座固定。

上述的高速精密滚珠丝杠副可靠性试验装置，其所述的光栅尺是高精度光栅尺。

上述的高速精密滚珠丝杠副可靠性试验装置，其所述的光栅尺读数头设在光栅尺上方。

上述的高速精密滚珠丝杠副可靠性试验装置，其所述的底座两端分别固定两个光电接触开关。

上述的高速精密滚珠丝杠副可靠性试验装置，其所述的丝母座通过固定于其上的虎克铰与液压缸伸出杆联接。

一种高速精密滚珠丝杠副可靠性试验装置控制系统，其包括PC终端、运动控制卡、数据采集卡、伺服驱动器、电液控制阀、伺服电机、液压缸、光栅尺读数头、光电接触开关，PC终端包含试验数据处理程序，运动控制卡向伺服驱动器发出数字脉冲信号，伺服驱动器控制伺服电机根据控制信号作出相应动作，同时运动控制卡向电液控制阀发出开关量信号，以控制液压缸输出推力或拉力作为轴向载荷作用于滚珠丝杠副，光电接触开关发出到位信号和光栅尺读数头读取的位移信号经过数据采集卡传输至PC终端，PC终端内部设有计数器，计数器发出采样指令，数据采集卡接到指令后触发采样过程。

一种高速精密滚珠丝杠副可靠性试验的方法，其包括如下步骤：

1）实验环境温度恒定为24摄氏度，根据试验条件，设定伺服电机转速及液压缸加载力，根据滚珠丝杠副的精度等级，设置精度指标的允许公差；

2）随机抽取同一批次的滚珠丝杠副试件，分别加载在高速精密滚珠丝杠副可靠性试验装置上，确认完成试验准备工作后，高速精密滚珠丝杠副可靠性试验装置通电并开始计时；

3）滚珠丝杠副在步骤1）设定的条件下，往复循环运行于有效行程之间，通过光栅尺记录滚珠丝杠副行程增量并实时传输至PC终端；

4）PC终端计算第i次的精度指标观测值，所述的精度指标观测值包括有效行程内行程偏差、2π弧度内允许的行程变动量、300mm行程内允许的行程变动量和有效行程内允许的行程变动量；

5）若步骤4）所述的精度指标观测值中有一项超出精度指标的允许公差，则判定该滚珠丝杠副试件精度失效，记录此次连续无故障工作时间，停止高速精密滚珠丝杠副可靠性试验装置，更换步骤2）所述的滚珠丝杠副试件继续试验；

6）到达定时截尾试验时间后，停止所有试验装置，若有精度未失效的丝杠，记录其不完全故障数据；

7）统计连续无故障工作时间，根据二参数威布尔分布拟合寿命分布函数概率密度函数，运用最大似然函数法进行形状参数及尺度参数的点估计，运用似然比检验法进行形状参数及尺度参数的区间估计并计算置信区间，计算可靠度函数，失效率函数和平均无故障工作时间；

8）设定不同的伺服电机转速及液压缸加载力，重复所述的1）-7）步骤；

9）建立滚珠丝杠副在不同的伺服电机转速及液压缸加载力下的概率密度分布函数谱，可靠度函数谱，失效率函数谱和平均无故障工作时间谱。

有益效果：

本发明提供的高速精密滚珠丝杠副可靠性试验装置及其试验方法，试验装置采用无导轨的设计思想，最大限度地减小了导轨误差对滚珠丝杠副精度试验所带来的影响。试验丝杠两端由轴承座固定，并由伺服电机直接驱动，丝母通过螺栓紧固在丝母座上，其下方的万向球轴承约束了丝母的转动，使其可以沿丝杆轴线移动，底座上固定的光栅尺记录丝母的位移量，试验的加载过程由液压缸通过虎克铰作用在丝母座上来完成。

附图说明

图1是本发明的高速精密滚珠丝杠副可靠性试验装置三维结构图。

图2是本发明的高速精密滚珠丝杠副可靠性试验装置控制系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图对发明内容作详细的解释。

参照图1，本发明的高速精密滚珠丝杠副可靠性试验装置，包括底座1，试验丝杠4被两个轴承座2固定在底座1上，试验丝杠4通过弹性联轴器12与伺服电机14相联接，伺服电机14通过支撑板13固定在底座1上，两个轴承座2及支撑板13的安装要求轴线重合。试验丝母5通过螺栓与丝母座6固定，丝母座6下方固定了两个万向球轴承7。试验丝杠4通过伺服电机14带动转动，同时螺栓限制了试验丝母5的转动，丝母座6沿试验丝杠4轴线移动。丝母座6侧方固定了一个光栅尺读数头8，光栅尺读数头8下方是高精度光栅尺9，光栅尺9的安装应保证其轴线与试验丝杠4轴线平行，光栅尺9记录了试验丝杠副的行程增量。底座1两端分别固定两个光电接触开关3，当丝母座6移动至行程终点时光电接触开关3向控制系统发出到位信号。丝母座6通过其上方固定的虎克铰10与液压缸伸出杆11联接，液压缸15通过支撑板13固定在底座1上，所述液压缸伸出杆11将平行于试验丝杠4轴线的拉力或推力加载到丝母座6和试验丝母5上。

参照图1和图2，本发明的高速精密滚珠丝杠副可靠性试验装置控制系统由PC终端、运动控制卡、数据采集卡、伺服驱动器、电液控制阀、伺服电机、液压缸、光栅尺读数头、光电接触开关3组成。PC终端包含试验数据处理程序，用户向其操作界面输入电机转速、轴向负载及各项精度指标允许公差后，程序根据数据采集卡接收到的试验数据自动计算滚珠丝杠副各项精度指标值，并判断滚珠丝杠副精度是否达标，若精度已失效则自动停止当前试验。试验过程中，运动控制卡向伺服驱动器发出数字脉冲信号，伺服驱动器控制伺服电机根据控制信号作出相应动作，同时运动控制卡向电液控制阀发出开关量信号，以控制液压缸输出推力或拉力作为轴向载荷作用于丝杠副。丝母座每到达一次行程终点触发一次光电接触开关3发出到位信号，此信号经过数据采集卡传输至PC终端，PC终端内部计数器每记录12次到位信号发出一个采样指令，数据采集卡接到指令后触发一个采样过程，采样周期应保证丝杠每转内采样9次，此采样过程一直持续到PC终端接收到下一个丝母座到位信号。

本发明的高速精密滚珠丝杠副可靠性试验的方法，其包括如下步骤：

1）在实验环境温度恒定为24摄氏度下，根据试验条件，设定伺服电机转速n及液压缸加载力F_a，根据滚珠丝杠副的精度等级，设置精度指标的允许公差；

2）随机抽取同一批次的滚珠丝杠副试件N件，分别加载在N套高速精密滚珠丝杠副可靠性试验装置上，确认完成试验准备工作后，高速精密滚珠丝杠副可靠性试验装置通电并开始计时；

3）滚珠丝杠副在步骤1）设定的条件下，往复循环运行于有效行程之间，通过光栅尺记录滚珠丝杠副行程增量并实时传输至PC终端；

4）PC终端根据采样信号计算第i次的精度指标观测值，即有效行程内行程偏差e_sa（i）、2π弧度内允许的行程变动量V_2π（i）、300mm行程内允许的行程变动量                                               （i）和有效行程内允许的行程变动量（i）；

5）若步骤4）所述的精度指标观测值中有一项超出精度指标的允许公差，则判定该滚珠丝杠副试件精度失效，记录此次连续无故障工作时间T(i)，停止高速精密滚珠丝杠副可靠性试验装置，更换步骤2）所述的滚珠丝杠副试件继续试验；

6）到达定时截尾试验时间后，停止所有试验装置并统计寿命T(i)值，若有精度未失效的丝杠，记录其不完全故障数据T_r(i)；

7）统计连续无故障工作时间T(i)，根据二参数威布尔分布拟合寿命分布函数概率密度函数f(t)，运用最大似然函数法进行形状参数及尺度参数的点估计，运用似然比检验法进行形状参数及尺度参数的区间估计并计算置信区间，计算可靠度函数R(t)，失效率函数λ(t)和平均无故障工作时间MTBF；

8）设定不同的伺服电机转速n及液压缸加载力F_a，重复所述的1）-7）步骤；

9）在大量试验基础之上，最终建立滚珠丝杠副在不同的伺服电机转速n及液压缸加载力F_a下的概率密度分布函数谱，可靠度函数谱，失效率函数谱和平均无故障工作时间谱。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种高速精密滚珠丝杠副可靠性试验装置，包括底座，其特征在于：所述的底座两侧设置两个轴承座，伺服电机和液压缸通过支撑板固定在其中一个轴承座外侧的底座上，液压缸伸出杆穿过支撑板与两个轴承座之间的丝母座相连，丝母座底部固定两个万向球轴承，丝母座侧面固定光栅尺读数头，底座的另一侧边缘设置光栅尺。

2.根据权利要求1所述的高速精密滚珠丝杠副可靠性试验装置，其特征在于：还包括弹性联轴器，所述的弹性联轴器与伺服电机相连。

3.根据权利要求1所述的高速精密滚珠丝杠副可靠性试验装置，其特征在于：还包括试验丝母，所述的试验丝母通过螺栓与丝母座固定。

4.根据权利要求1所述的高速精密滚珠丝杠副可靠性试验装置，其特征在于：所述的光栅尺是高精度光栅尺。

5.根据权利要求1所述的高速精密滚珠丝杠副可靠性试验装置，其特征在于：所述的光栅尺读数头设在光栅尺上方。

6.根据权利要求1所述的高速精密滚珠丝杠副可靠性试验装置，其特征在于：所述的底座两端分别固定两个光电接触开关。

7.根据权利要求1所述的高速精密滚珠丝杠副可靠性试验装置，其特征在于：所述的丝母座通过固定于其上的虎克铰与液压缸伸出杆联接。

8.一种高速精密滚珠丝杠副可靠性试验装置控制系统，其特征在于：包括PC终端、运动控制卡、数据采集卡、伺服驱动器、电液控制阀、伺服电机、液压缸、光栅尺读数头、光电接触开关，PC终端包含试验数据处理程序，运动控制卡向伺服驱动器发出数字脉冲信号，伺服驱动器控制伺服电机根据控制信号作出相应动作，同时运动控制卡向电液控制阀发出开关量信号，以控制液压缸输出推力或拉力作为轴向载荷作用于滚珠丝杠副，光电接触开关发出到位信号和光栅尺读数头读取的位移信号经过数据采集卡传输至PC终端，PC终端内部设有计数器，计数器发出采样指令，数据采集卡接到指令后触发采样过程。

9.一种高速精密滚珠丝杠副可靠性试验的方法，其特征在于：包括如下步骤：

1）实验环境温度恒定为24摄氏度，根据试验条件，设定伺服电机转速及液压缸加载力，根据滚珠丝杠副的精度等级，设置精度指标的允许公差；

2）随机抽取同一批次的滚珠丝杠副试件，分别加载在高速精密滚珠丝杠副可靠性试验装置上，确认完成试验准备工作后，高速精密滚珠丝杠副可靠性试验装置通电并开始计时；

3）滚珠丝杠副在步骤1）设定的条件下，往复循环运行于有效行程之间，通过光栅尺记录滚珠丝杠副行程增量并实时传输至PC终端；

4）PC终端计算第i次的精度指标观测值，所述的精度指标观测值包括有效行程内行程偏差、2π弧度内允许的行程变动量、300mm行程内允许的行程变动量和有效行程内允许的行程变动量；

5）若步骤4）所述的精度指标观测值中有一项超出精度指标的允许公差，则判定该滚珠丝杠副试件精度失效，记录此次连续无故障工作时间，停止高速精密滚珠丝杠副可靠性试验装置，更换步骤2）所述的滚珠丝杠副试件继续试验；

6）到达定时截尾试验时间后，停止所有试验装置，若有精度未失效的丝杠，记录其不完全故障数据；

7）统计连续无故障工作时间，根据二参数威布尔分布拟合寿命分布函数概率密度函数，运用最大似然函数法进行形状参数及尺度参数的点估计，运用似然比检验法进行形状参数及尺度参数的区间估计并计算置信区间，计算可靠度函数，失效率函数和平均无故障工作时间；

8）设定不同的伺服电机转速及液压缸加载力，重复所述的1）-7）步骤；

9）建立滚珠丝杠副在不同的伺服电机转速及液压缸加载力下的概率密度分布函数谱，可靠度函数谱，失效率函数谱和平均无故障工作时间谱。

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