CN103808508B - 双层双丝杠式滚珠丝杠副寿命对比试验台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双层双丝杠式滚珠丝杠副寿命对比试验台，包括床身、固定在床身上的导轨、安装于导轨上可滑动的滑块、前支座、工作台、后支座、左上负载滚珠丝杠副、右上负载滚珠丝杠副、左下驱动滚珠丝杠副、右下驱动滚珠丝杠副，用于测量滚珠丝杠副的振动信号的径向加速度传感器、用于测量滚珠丝杠副的螺母的温度变化的温度传感器。本发明采用双层双丝杠轴的结构方式增加了试验丝杠的数量，缩短了装置的空间，大大提高了寿命试验的效率，同时能方便准确测得跑合后滚珠丝杠副的温升，方便测试滚珠循环反向装置是否牢固、脱落，密封圈是否牢靠、变形和错位，以及滚珠丝杠副动态空载预紧转矩是否仍然符合图纸要求等情况。

Description

双层双丝杠式滚珠丝杠副寿命对比试验台

技术领域

本发明涉及一种丝杠副寿命试验装置，具体涉及双层双丝杠式滚珠丝杠副寿命对比试验台。

背景技术

丝杠副指的是由丝杠和螺母组成的螺旋传动部件，丝杠副作为机械系统常用传动部件，在各种机器设备中应用广泛。因此，实时监测与评估丝杠副、导轨副的性能退化状态及剩余寿命，有利于建立合理有效的维修计划，减少不必要的停机时间，节省大量的维护费用。现有的丝杠副寿命试验台的加载方式主要有几种：

第一种：利用弹簧来实现，但弹簧在伸长和压缩的过程中不是恒力，同时弹簧在实现双向大载荷的情况下的伸长或缩短量非常有限，一般不超过500mm，这样要对行程1米以上的丝杠副做寿命试验几乎是不可能的。

第二种：依靠传统的重量加载方法来实现，载荷的大小由配置的重块的重量决定，当载荷较大时，则需要配置许多重块或一个相当重的重块，试验装置过于庞大，操作很不方便。所产生的载荷只能为静载荷。

第三种：采用液压或气动元件提供载荷，但这种元件在高速下的快速响应能力不够，会造成系统的瞬间破坏。

第四种：磁粉制动器施加轴向载荷方式。磁粉制动器往往与减速器、齿轮齿条相连才能够给滚珠丝杠副施加轴向载荷。因此机构体积较大，不易安装；且磁粉制动器的控制不易模拟机床加工时的工况。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中的滚珠丝杠副寿命试验台实验丝杠数量少、模拟载荷不易施加、实验周期长的不足，提供双层双丝杠式滚珠丝杠副寿命对比试验台。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

双层双丝杠式滚珠丝杠副寿命对比试验台，其特殊之处在于，包括床身、固定在床身上的导轨、安装于导轨上可滑动的滑块、前支座、工作台、后支座、左上负载滚珠丝杠副、右上负载滚珠丝杠副、左下驱动滚珠丝杠副、右下驱动滚珠丝杠副，用于测量滚珠丝杠副的振动信号的径向加速度传感器、用于测量滚珠丝杠副的螺母的温度变化的温度传感器；

所述床身的外侧设置滑槽，前支座和后支座设置与床身外侧滑槽相配合的滑槽，前支座和后支座通过滑槽与床身配合固定连接；

所述滑块与导轨组成导轨副，工作台的左、右两端各与两个滑块连接固定；

所述左上负载滚珠丝杠副和右上负载滚珠丝杠副的两端分别固定在前支座和后支座上，左上负载滚珠丝杠副和右上负载滚珠丝杠副相互平行且成反向固定设置在试验台的上层，左上负载滚珠丝杠副和右上负载滚珠丝杠副同时通过螺母支撑块与工作台固定连接；

所述床身的内侧设置凹槽，左下驱动滚珠丝杠副和右下驱动滚珠丝杠副固定在床身内侧的凹槽内，左下驱动滚珠丝杠副和右下驱动滚珠丝杠副相互平行且成反向固定设置在试验台的下层，左下驱动滚珠丝杠副与左上负载滚珠丝杠副的设置方向一致，右下驱动滚珠丝杠副与右上负载滚珠丝杠副的设置方向一致，右下驱动滚珠丝杠副和左下驱动滚珠丝杠副同时通过螺母支撑块与工作台固定连接；

所述左上负载滚珠丝杠副、右上负载滚珠丝杠副、左下驱动滚珠丝杠副以及右下驱动滚珠丝杠副的螺母的法兰端设置径向加速度传感器，径向加速度传感器与导轨的轴向相平行，所述温度传感器设置于各滚珠丝杠副的螺母的一端。

进一步，所述左上负载滚珠丝杠副的一端通过电机端支撑座固定在后支座上，其另一端通过尾部支撑座固定在前支座上；所述右上负载滚珠丝杠副的一端通过尾部支撑座固定在后支座上，其另一端通过电机端支撑座固定在前支座上；所述电机端支撑座上固定安装有伺服电动机，电机端支撑座和尾部支撑座之间设置由联轴器驱动的丝杠轴，联轴器与伺服电动机连接，丝杠轴转动驱动螺母水平运动，螺母与螺母支撑块固定在一起。

采用本发明提供的技术方案，与现有的技术相比，具有如下显著效果：

（1）本发明的双层双丝杠式滚珠丝杠副寿命对比试验台，采用发电机逆向驱动丝杠轴的加载方式增加了轴向载荷的可控性，能达到滚珠丝杠副在机床使用中的受力环境，大大提高了寿命试验的效果；

（2）本发明的双层双丝杠式滚珠丝杠副寿命对比试验台，采用双层双丝杠轴的结构方式增加了试验丝杠的数量，缩短了装置的空间，大大提高了寿命试验的效率；

（3）本发明的双层双丝杠式滚珠丝杠副寿命对比试验台，由于模拟了在机床使用中的受力环境，使得能方便准确测得跑合后滚珠丝杠副的温升，方便测试滚珠循环反向装置是否牢固、脱落，密封圈是否牢靠、变形和错位，以及滚珠丝杠副动态空载预紧转矩是否仍然符合图纸要求等情况。

附图说明

图1为本发明的双层双丝杠式滚珠丝杠副寿命对比试验台的结构示意图；

图2为本发明的双层双丝杠式滚珠丝杠副寿命对比试验台的下层结构示意图；

图3为本发明的双层双丝杠式滚珠丝杠副寿命对比试验台所用的负载滚珠丝杠副和驱动滚珠丝杠副的结构示意图；

其中，1-床身、2-导轨、3-前支座、4-滑块、5-工作台、6-后支座、7-右下驱动滚珠丝杠副、8-右上负载滚珠丝杠副、9-左上负载滚珠丝杠副、10-左下驱动滚珠丝杠副、11-温度传感器、12-径向加速度传感器、13-螺母、14-螺母支撑块、15-电机端支撑座、16-尾部支撑座、17-伺服电动机、18-联轴器、19-丝杠轴、20、压紧螺栓。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了本发明提供的双层双丝杠式滚珠丝杠副寿命对比试验台的结构。为了便于说明，仅仅示出了与本发明相关的部分。

本发明提供的双层双丝杠式滚珠丝杠副寿命对比试验台，包括床身1、固定在床身1上的导轨2、安装于导轨2上可滑动的滑块4、前支座3、工作台5、后支座6、左上负载滚珠丝杠副9、右上负载滚珠丝杠副8、左下驱动滚珠丝杠副10、右下驱动滚珠丝杠副7，用于测量滚珠丝杠副的振动信号的径向加速度传感器11、用于测量滚珠丝杠副的螺母13的温度变化的温度传感器11；

床身1的外侧设置滑槽，前支座3和后支座6设置与床身1外侧滑槽相配合的滑槽，前支座3和后支座6通过滑槽与床身1配合固定连接；

滑块4与导轨2组成导轨副，工作台5的左、右两端各与两个滑块4连接固定；

左上负载滚珠丝杠副9和右上负载滚珠丝杠副8的两端分别固定在前支座3和后支座6上，左上负载滚珠丝杠副9和右上负载滚珠丝杠副8相互平行且成反向固定设置在试验台的上层，左上负载滚珠丝杠副9和右上负载滚珠丝杠副8同时通过螺母支撑块14与工作台5固定连接；

床身1的内侧设置凹槽，左下驱动滚珠丝杠副10和右下驱动滚珠丝杠副7固定在床身1内侧的凹槽内，左下驱动滚珠丝杠副10和右下驱动滚珠丝杠副7相互平行且成反向固定设置在试验台的下层，左下驱动滚珠丝杠副10与左上负载滚珠丝杠副9的设置方向一致，右下驱动滚珠丝杠副7与右上负载滚珠丝杠副8的设置方向一致，右下驱动滚珠丝杠副7和左下驱动滚珠丝杠副10同时通过螺母支撑块14与工作台5固定连接；

左上负载滚珠丝杠副9、右上负载滚珠丝杠副8、左下驱动滚珠丝杠副10以及右下驱动滚珠丝杠副7的螺母13的法兰端设置径向加速度传感器12，径向加速度传感器12与导轨2的轴向相平行，所述温度传感器11设置于各滚珠丝杠副的螺母13的一端。

作为本发明实施例的一优化方案，左上负载滚珠丝杠副9的一端通过电机端支撑座15固定在后支座6上，其另一端通过尾部支撑座16固定在前支座3上；右上负载滚珠丝杠副8的一端通过尾部支撑座16固定在后支座6上，其另一端通过电机端支撑座15固定在前支座3上；电机端支撑座15上固定安装有伺服电动机17，电机端支撑座15和尾部支撑座16之间设置由联轴器18驱动的丝杠轴19，联轴器18与伺服电动机17连接，丝杠轴19转动驱动螺母13水平运动，螺母13与螺母支撑块14固定在一起。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

本发明实施例的双层双丝杠式滚珠丝杠副寿命对比试验台，包括床身1、固定在床身1上的导轨2、安装于导轨2上可滑动的滑块4、前支座3、工作台5、后支座6、左上负载滚珠丝杠副9、右上负载滚珠丝杠副8、左下驱动滚珠丝杠副10、右下驱动滚珠丝杠副7，用于测量滚珠丝杠副的振动信号的径向加速度传感器11、用于测量滚珠丝杠副的螺母13的温度变化的温度传感器11；

床身1的外侧设置滑槽，前支座3和后支座6设置与床身1外侧滑槽相配合的滑槽，前支座3和后支座6通过滑槽与床身1配合，前支座3和后支座6可在滑槽上前后移动调整间距，间距调整好后使用压紧螺栓20将前支座3和后支座6固定在滑槽上；

滑块4与导轨2组成导轨副，工作台5的左、右两端各与两个滑块4连接固定。

左上负载滚珠丝杠副9和右上负载滚珠丝杠副8的两端分别固定在前支座3和后支座6上，左上负载滚珠丝杠副9和右上负载滚珠丝杠副8相互平行且成反向固定设置在试验台的上层，左上负载滚珠丝杠副9和右上负载滚珠丝杠副8同时通过螺母支撑块14与工作台5固定连接；

床身1的内侧设置凹槽，左下驱动滚珠丝杠副10和右下驱动滚珠丝杠副7固定在床身1内侧的凹槽内，左下驱动滚珠丝杠副10和右下驱动滚珠丝杠副7相互平行且成反向固定设置在试验台的下层，左下驱动滚珠丝杠副10与左上负载滚珠丝杠副9的设置方向一致，右下驱动滚珠丝杠副7与右上负载滚珠丝杠副8的设置方向一致，右下驱动滚珠丝杠副7和左下驱动滚珠丝杠副10同时通过螺母支撑块14与工作台5固定连接；

左上负载滚珠丝杠副9、右上负载滚珠丝杠副8、左下驱动滚珠丝杠副10以及右下驱动滚珠丝杠副7的螺母13的法兰端设置径向加速度传感器12，径向加速度传感器12与导轨2的轴向相平行，温度传感器11设置于各滚珠丝杠副的螺母13的一端。

左上负载滚珠丝杠副9的一端通过电机端支撑座15固定在后支座6上，其另一端通过尾部支撑座16固定在前支座3上；右上负载滚珠丝杠副8的一端通过尾部支撑座16固定在后支座6上，其另一端通过电机端支撑座15固定在前支座3上；所述电机端支撑座15上固定安装有伺服电动机17，电机端支撑座15和尾部支撑座16之间设置由联轴器18驱动的丝杠轴19，联轴器18与伺服电动机17连接，丝杠轴19转动驱动螺母13水平运动，螺母13与螺母支撑块14固定在一起。

本发明的双层双丝杠式滚珠丝杠副寿命对比试验台，首先安装驱动滚珠丝杠副：分别将温度传感器11和加速度传感器12安装在左下驱动滚珠丝杠副10和右下驱动滚珠丝杆副7的螺母13的一端，并将左下驱动滚珠丝杠副10和右下驱动滚珠丝杆副7固定在床身1内的凹槽内左右两侧，左下驱动滚珠丝杠副10和右下驱动滚珠丝杆副7相对位置放置，驱动滚珠丝杠副安装过程应保证的产品安装精度要求；然后固定驱动滚珠丝杠副螺母：将导轨2固定在床身1两侧，并将滑块与工作台5固定，将左下驱动滚珠丝杠副10和右下驱动滚珠丝杆副7上的滚珠螺母13通过螺栓连接固定于工作台5上，使得滚珠丝杠旋转时，滚珠螺母不随着滚珠丝杠一起旋转而做直线运动；再然后安装负载滚珠丝杠副：

根据左上负载滚珠丝杠副9和右上负载滚珠丝杆副8的型号计算前支座3和后支座6之间的距离，将上负载滚珠丝杠副9和右上负载滚珠丝杆副8安装到床身1的外侧的滑槽上，并使用压紧螺栓20将前支座3和后支座6固定在床身1上，分别将温度传感器11和加速度传感器12安装在左上负载滚珠丝杠副9和右上负载滚珠丝杆副8的螺母13的一端，并将左上负载滚珠丝杠副9和右上负载滚珠丝杆副8固定在床身1内的凹槽左右两侧，左下驱动滚珠丝杠副10和右下驱动滚珠丝杆副7相对位置放置，驱动滚珠丝杠副安装过程保证丝杠副所对应的产品精度要求。

寿命对比试验：

利用本发明对滚珠丝杠副进行疲劳寿命对比试验时，左上负载滚珠丝杠副9和右上负载滚珠丝杆副8的型号必须相同，左下驱动滚珠丝杠副10和右下驱动滚珠丝杆副7型号必须相同，根据左下驱动滚珠丝杠副10和右下驱动滚珠丝杆副7的规格计算出额定动载荷值，然后，根据下列公式，

$T=\frac{\mathrm{FP\η}}{2\mathrm{\π}},\mathrm{\η}=\frac{\mathrm{tg}(\mathrm{\λ}-\mathrm{\ρ})}{\mathrm{tg\λ}},\mathrm{\ρ}=\mathrm{arctgu}$

其中，T-施加的阻力矩，P-负载滚珠丝杠副的导程，F-额定动载荷，λ-负载滚珠丝杠副的螺旋升角，ρ-当量摩擦系数，u-当量摩擦系数，u=0.0025～0.0035。

计算出负载滚珠丝杠副中的负载电机的阻力矩，使负载滚珠丝杠副往复运动时产生的阻力负载等于驱动滚珠丝杠副的额定动载荷值。

工控机按照设定的伺服电机转速、跑合次数和负载滚珠丝杠副中的负载电机的阻力矩，输出控制信号，首先驱动左下驱动滚珠丝杠副10,将右上负载滚珠丝杆副8中的电机设置为发电模式，同时使右上负载滚珠丝杆副8中的电机产生相应的阻力矩，驱动左下驱动滚珠丝杠副10的同时保持右下驱动滚珠丝杆副7和左上负载滚珠丝杠副9处于自由状态，行程达到测试行程时，工控机输出控制信号停止驱动驱动左下驱动滚珠丝杠副10，同时将右上负载滚珠丝杆副8中的电机产生的阻力矩设为零。然后首先驱动右下驱动滚珠丝杆副7,将左上负载滚珠丝杠副9中的电机设置为发电模式，同时使左上负载滚珠丝杠副9中的电机产生相应的阻力矩，驱动左下驱动滚珠丝杠副10的同时右上负载滚珠丝杆副8和左下驱动滚珠丝杠副10保持处于自由状态。左上负载滚珠丝杠副9和右上负载滚珠丝杆副8中电机产生的阻力矩的模式可以根据用户要求产生阶梯加载、渐进式加载等方式。

性能参数测试：

由于右上负载滚珠丝杆副8和左上负载滚珠丝杠副9都是逆传动，受力状态基本相同，而右下驱动滚珠丝杆副7和左下驱动滚珠丝杠副10都是正传动，受力状态基本相同，所以通过提取安装在右上负载滚珠丝杆副8和左上负载滚珠丝杠副9的螺母上的径向加速度传感器12、温度传感器11，可以比较右上负载滚珠丝杆副8和左上负载滚珠丝杠副9疲劳寿命，同时可以比较右下驱动滚珠丝杆副7和左下驱动滚珠丝杠副10的疲劳寿命。

性能参数测试包括：①运转停车后半分钟内完成滚珠螺母的温升测试，即读取温度传感器，取其温升最大值；②提取被测滚珠丝杠副的径向振动信号，比较振动信号的时域特征值；如果左上负载滚珠丝杠副9和右上负载滚珠丝杆副8、左下驱动滚珠丝杠副10和右下驱动滚珠丝杆副7型号相同，相当于同时对4副滚珠丝杠副进行了寿命对比测试。

本发明采用滚珠丝杠副逆向提供负载的模式，很好地解决了现有技术中实验丝杠数量少、模拟载荷不易施加、实验周期长的不足，在对滚珠丝杠副进行寿命测试时的加载问题，而且，加载方便，通过调整负载电机的电流很容易地调整负载载荷的大小和变化，在能够提供较大载荷的同时，还能快速响应，满足测试工作台高速往复运动的要求，结构紧凑。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.双层双丝杠式滚珠丝杠副寿命对比试验台，其特征在于，包括床身(1)、固定在床身(1)上的导轨(2)、安装于导轨(2)上可滑动的滑块(4)、前支座(3)、工作台(5)、后支座(6)、左上负载滚珠丝杠副(9)、右上负载滚珠丝杠副(8)、左下驱动滚珠丝杠副(10)、右下驱动滚珠丝杠副(7)，用于测量滚珠丝杠副的振动信号的径向加速度传感器(12)、用于测量滚珠丝杠副的螺母(13)的温度变化的温度传感器(11)；

所述床身(1)的外侧设置滑槽，前支座(3)和后支座(6)设置与床身(1)外侧滑槽相配合的滑槽，前支座(3)和后支座(6)通过滑槽与床身(1)配合固定连接；

所述滑块(4)与导轨(2)组成导轨副，工作台(5)的左、右两端各与两个滑块(4)连接固定；

所述左上负载滚珠丝杠副(9)和右上负载滚珠丝杠副(8)的两端分别固定在前支座(3)和后支座(6)上，左上负载滚珠丝杠副(9)和右上负载滚珠丝杠副(8)相互平行且成反向固定设置在试验台的上层，左上负载滚珠丝杠副(9)和右上负载滚珠丝杠副(8)同时通过螺母支撑块(14)与工作台(5)固定连接；

所述床身(1)的内侧设置凹槽，左下驱动滚珠丝杠副(10)和右下驱动滚珠丝杠副(7)固定在床身(1)内侧的凹槽内，左下驱动滚珠丝杠副(10)和右下驱动滚珠丝杠副(7)相互平行且成反向固定设置在试验台的下层，左下驱动滚珠丝杠副(10)与左上负载滚珠丝杠副(9)的设置方向一致，右下驱动滚珠丝杠副(7)与右上负载滚珠丝杠副(8)的设置方向一致，右下驱动滚珠丝杠副(7)和左下驱动滚珠丝杠副(10)同时通过螺母支撑块(14)与工作台(5)固定连接；

所述左上负载滚珠丝杠副(9)、右上负载滚珠丝杠副(8)、左下驱动滚珠丝杠副(10)以及右下驱动滚珠丝杠副(7)的螺母(13)的法兰端设置径向加速度传感器(12)，径向加速度传感器(12)与导轨(2)的轴向相平行，所述温度传感器(11)设置于各滚珠丝杠副的螺母(13)的一端；

所述左上负载滚珠丝杠副(9)的一端通过电机端支撑座(15)固定在后支座(6)上，其另一端通过尾部支撑座(16)固定在前支座(3)上；所述右上负载滚珠丝杠副(8)的一端通过尾部支撑座(16)固定在后支座(6)上，其另一端通过电机端支撑座(15)固定在前支座(3)上；所述电机端支撑座(15)上固定安装有伺服电动机(17)，电机端支撑座(15)和尾部支撑座(16)之间设置由联轴器(18)驱动的丝杠轴(19)，联轴器(18)与伺服电动机(17)连接，丝杠轴(19)转动驱动螺母(13)水平运动，螺母(13)与螺母支撑块(14)固定在一起。