CN103900813B - 一种滚珠丝杠转动惯量及摩擦力矩的测量装置 - Google Patents

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杜云松
张亮亮
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Abstract

本发明涉及一种滚珠丝杠转动惯量及摩擦力矩的测量装置,它包括:一底板;两直线导轨,每一直线导轨上分别设置有两滑块;一滚珠丝杠,其两端通过一固定支撑座和一浮动支撑座转动支撑在位于两直线导轨中间的底板上;一扭矩传感器,其一端通过一联轴器连接滚珠丝杠支撑在固定支撑座的一端;一伺服电机,其输出轴通过一联轴器连接扭矩传感器;一移动平台;以及两摩擦力矩测量机构,其分别设置于丝杠螺母座的两侧,每一摩擦力矩测量机构包括一悬臂,悬臂的末端设置有一连接套,连接套通过一竖直方向的直线轴承连接一滑动杆,滑动杆的另一端连接一压力传感器滑动杆上套置有一弹簧,压力传感器的底部连接一万向球,万向球的底部接触一平行于滚珠丝杠的直线平板,直线平板紧固连接于底板上。

Description

一种滚珠丝杠转动惯量及摩擦力矩的测量装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种测量装置,具体涉及一种滚珠丝杠转动惯量及摩擦力矩的测量装置。
背景技术
[0002] 滚珠丝杠是数控机床的关键功能部件,其质量的优劣直接影响数控机床的整体性能,随着数控机床向高速化、高精度化、复合化与环保化方向发展,用户对滚珠丝杠的性能要求越来越高,需要滚珠丝杠具有导向传动效率高,传动平稳,同步性好,精度保持性好,可靠性高等优点。由于滚珠丝杠的各项性能直接影响数控机床的定位精度和加工质量,因此在加工制造和使用滚珠丝杠过程中应保证其具有优异的性能,同时需要对滚珠丝杠相关性能参数进行高精、高效的可靠测量,以进一步为研究数控机床进给系统的性能提供保证。在滚珠丝杠的性能中,转动惯量和摩擦力矩是较为关键的两个参数。
[0003] 转动惯量是表征转动物体惯性大小的物理量,是研究、设计、控制转动物体运动规律的重要工程技术参数。在进给系统中,负载转动惯量与电机转轴惯量之比是比较重要的参数,会对系统的动态特性带来一定的影响。目前,转动惯量测量方式有在线测量和离线测量两种,在线测量是指在被测系统或物体处于工作状态下进行测量,离线测量则相反。在线测量常采用的方法主要有瞬时转速法和测功率等,但是这些方法测量精度有限,测量误差相对较大。离线测量主要用于静态测量物体的转动惯量,测量精度相对较高,离线测量方法很多,常用的有三线摆、扭振、落体法等,其中,三线摆法只适用于形状对称、质量小的物体,扭振法测量设备复杂、操作不便,落体法受阻尼影响较大、精度较低。
[0004] 滚摩擦力矩特性是滚珠丝杠加工质量、设计参数及性能的一项综合机械工作性能指标。珠丝杠的摩擦力产生机理比较复杂,其产生是多种因素综合作用的结果。它不仅与丝杠本身的结构尺寸、几何精度、材料及热处理性能有关,还与工作载荷、装配精度、调整预紧方法、反向器选择、润滑条件及环境参数有关。摩擦力矩的波动直接影响到温度以及振动的变化,测量摩擦力矩的大小,分析找出摩擦力矩波动的原因,是实现精密微量进给和精密高速进给的基础和前提。目前,工厂中大多采取由操作工靠手感来简单判断摩擦力矩的大小。此外,现有的摩擦力矩动态测量仪等仪器在功能、精度等方面也存在许多不足之处,还没有出现用于测量滚珠丝杠摩擦力矩大小的有效测量装置。
发明内容
[0005] 针对上述问题,本发明的目的是提供一种能够精确测量滚珠丝杠的转动惯量和摩擦力矩的滚珠丝杠转动惯量及摩擦力矩的测量装置。
[0006] 为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:一种滚珠丝杠转动惯量及摩擦力矩的测量装置,其特征在于,它包括:一底板;两直线导轨,其平行间隔设置在所述底板顶部,每一所述直线导轨上分别设置有两滑块;一滚珠丝杠,其两端通过一固定支撑座和一浮动支撑座转动支撑在位于两所述直线导轨中间的所述底板上,所述滚珠丝杠上连接有一丝杠螺母,所述丝杠螺母上紧固连接一丝杠螺母座;一扭矩传感器,其通过一传感器基座固定在所述底板上,且所述扭矩传感器的一端通过一联轴器连接所述滚珠丝杠支撑在所述固定支撑座的一端;一伺服电机,其通过一电机座固定在所述底板上,且所述伺服电机的输出轴通过一联轴器连接所述扭矩传感器;一移动平台,其底面紧固连接所述丝杠螺母座和位于两所述直线导轨上的所述滑块;以及两摩擦力矩测量机构,其分别设置于所述丝杠螺母座的两侧,每一所述摩擦力矩测量机构包括一紧固连接在所述丝杠螺母座一侧的悬臂,所述悬臂的末端设置有一连接套,所述连接套通过一竖直方向的直线轴承连接一滑动杆的一端,所述滑动杆的另一端连接一压力传感器的顶部,所述滑动杆上套置有一弹簧,所述弹簧的一端抵在所述直线轴承的底部,另一端抵在滑动杆的端部,所述压力传感器的底部连接一万向球,所述万向球的底部接触一平行于所述滚珠丝杠的直线平板,所述直线平板紧固连接于所述底板上。
[0007] 在所述滚珠丝杠支撑在浮动支撑座的一端设置一惯量匹配机构,所述惯量匹配机构包括一与所述滚珠丝杠一端连接的联轴器,所述联轴器的另一端与一连接杆的一端连接,所述连接杆通过一另一浮动支撑座固定在所述底板上,位于所述另一浮动支撑座外侧的所述连接杆上依次套置一端板、若干配重盘和一端盖后由一螺母锁紧。
[0008] 在所述端板上均匀设置两螺纹孔,在每一所述配重盘上设置两螺纹孔和两沉孔,并且每一所述配重盘上的两所述沉孔通过螺钉与相邻所述配重盘上的两所述螺纹孔连接,与所述端板相邻的所述配重盘上的两所述沉孔通过螺钉与所述端板上的两所述螺纹孔连接。
[0009] 本发明由于采取以上技术方案,其具有以下优点:1、本发明通过伺服电机进行控制,配合扭矩传感器可以实现不同负载和工况下转动惯量的测量,并且有利于保证本发明运动速度稳定,测量结果可靠。2、本发明分别通过扭矩传感器和压力传感器进行测量信号的采集,可以实现测量数据的实时记录和保存,以便后续的处理和使用。3、本发明设置了惯量匹配装置,可以用于研究转动惯量的匹配特性,使得本发明既可以测量滚珠丝杠的转动惯量,也可以测量带负载及配重情况下的进给系统的转动惯量,即可以改变负载惯量比,且配重装置结构简单,拆卸方便。4、本发明采用了两个相同的摩擦力矩测量机构,通过将摩擦转矩转换为压力进行间接测量,可以保证所测值为丝杠摩擦力矩值,而不引入其他的摩擦力矩,避免了其它力矩的影响。5、本发明采用了万向球与直线平板进行接触,可以消除该测量装置安装误差对测量结果的影响,而且通过直线轴承进行导向,以保证滑动杆运动摩擦力小,有利于提尚测量的灵敏度。
附图说明
[0010] 图1是本发明的整体结构示意图;
[0011] 图2是图1略去移动平台后的结构示意图;
[0012] 图3是本发明摩擦力矩测量机构的结构分解示意图;
[0013] 图4是本发明惯量匹配机构结构分解示意图。
具体实施方式
[0014] 下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
[0015] 如图1、图2所示,本发明包括一底板1,在底板1的顶面平行间隔设置两直线导轨2,每一直线导轨2上分别设置有两滑块3。在两直线导轨2的中间平行安装有一滚珠丝杠4,滚珠丝杠4的一端转动支撑在一固定支撑座5上,另一端转动支撑在一浮动支撑座6上(此处为一种滚珠丝杠4安装时的常规设置,即两个支撑座中,其一与滚珠丝杠4轴向不可动,另一与滚珠丝杠4轴向可滑动)。固定支撑座5和浮动支撑座6均紧固连接在底板1上。滚珠丝杠4支撑在固定支撑座5的一端通过一联轴器7连接一扭矩传感器8的一端,扭矩传感器8通过一传感器基座9固定在底板1上,扭矩传感器8的另一端通过一联轴器10连接一伺服电机11的输出轴,伺服电机11通过一电机座12固定在底板1上。在滚珠丝杠4上连接有一丝杠螺母13,丝杠螺母13上紧固连接一丝杠螺母座14,丝杠螺母座14的顶面紧固连接一移动平台15的底面,移动平台15的底面与位于两直线导轨2上的四个滑块3紧固连接。
[0016] 在丝杠螺母座14的两侧分别设置一摩擦力矩测量机构。如图3所示,每一摩擦力矩测量机构包括一紧固连接在丝杠螺母座14 一侧的悬臂16,悬臂16的末端设置有一连接套17,连接套17过盈配合连接一竖直方向的直线轴承18,直线轴承18的内壁紧固连接一滑动杆19的一端,滑动杆19的另一端连接一压力传感器20的顶部。滑动杆19与压力传感器20连接的一端设置有一端部挡片191,滑动杆19上套置有一弹簧21,弹簧21的一端抵在直线轴承18的底部,另一端抵在滑动杆19端部挡片191的顶部。压力传感器20的底部连接一万向球22,万向球22的底部接触一平行于滚珠丝杠4的直线平板23,直线平板23紧固连接在底板1上。
[0017] 上述实施例中,如图1所示,还可以在滚珠丝杠4支撑在浮动支撑座6的一端设置一惯量匹配机构,惯量匹配机构可以用于模拟进给系统不同的惯量匹配状态,进而可以研究不同的惯量匹配状态下的进给系统的动力学特性。如图1、图4所示,惯量匹配机构包括一与滚珠丝杠4 一端连接的联轴器24,联轴器24的另一端与一连接杆25的一端连接,连接杆25通过另一浮动支撑座26固定在底板1上,位于浮动支撑座26外侧的连接杆25上依次套置一端板27、若干配重盘28和一端盖29后由螺母30锁紧。
[0018] 上述实施例中,如图4所示,可以在端板27上均匀设置两螺纹孔,每一配重盘28上设置两螺纹孔和两沉孔,并且每一配重盘28上的两沉孔通过螺钉与相邻配重盘28上的两螺纹孔连接,与端板27相邻的配重盘28上的两沉孔通过螺钉与端板27上的两螺纹孔连接。
[0019] 本发明的工作过程详述如下:
[0020] 本发明可以用于研究转动惯量的匹配特性,结合惯量匹配机构,既能够测量滚珠丝杠4的转动惯量,也能够测量带负载及配重情况下的进给系统的转动惯量。当仅测量滚珠丝杠4的转动惯量时,移动平台15和如图4所示的惯量匹配机构需拆除,伺服电机11的输出轴旋转,通过联轴器10、扭矩传感器8和联轴器7带动滚珠丝杠4旋转,滚珠丝杠4的旋转将驱动其上的丝杠螺母13沿滚珠丝杠4做轴向运动。此时,通过测量伺服电机11的角加速度和扭矩传感器8的数值,即可计算得到滚珠丝杠4的转动惯量,为了避免系统随机误差的影响,可以进行多次测量并运到最小二乘法对结果进行处理。
[0021] 当对带负载及配置情况下的进给系统的转动惯量进行测量时,需要安装上移动平台15和惯量匹配机构,在伺服电机11通过联轴器10、扭矩传感器8和联轴器7带动滚珠丝杠4旋转过程中,滚珠丝杠4将通过联轴器24带动配重盘28旋转,同时滚珠丝杆4上的丝杠螺母13会带动移动平台15 —同沿滚珠丝杠4做轴向运动。此时通过测量伺服电机11的角加速度和扭矩传感器8的数值,即可计算得到进给系统的转动惯量。
[0022] 本发明的另一个功能是用于测量滚珠丝杆4的摩擦力矩,当滚珠丝杠4旋转驱动丝杠螺母13做轴向运动时,丝杠螺母13将带动悬臂16、连接套17、直线轴承18、滑动杆19、弹簧21、压力传感器20和万向球22同步运动,万向球22以点接触在直线平板23上运动,因滚珠丝杠4与丝杠螺母13之间存在摩擦力矩,该摩擦力矩将会通过连接套17引起弹簧21压缩量的变化,从而引起压力值的变化。此时,通过压力传感器20可以实时进行压力测量,即将摩擦力矩转换为压力进行间接测量,以保证所测值为滚珠丝杠4的摩擦力矩值而不引入其它的摩擦力矩。此外,为了保证弹簧21始终为压缩状态,首先应使弹簧21具有一定的初始压缩量。因弹簧21的压缩量在整个测量过程中都比较小,故应该选择刚度较小的弹簧,通过测量压力传感器20上的数值,可以得到两个压力值,且这两个压力的方向均是竖直向上的,此时通过对滚珠丝杠取矩,便可得到滚珠丝杠的摩擦力矩。
[0023] 本发明仅以上述实施例进行说明,各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的,在本发明技术方案的基础上,凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换,均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (3)

1.一种滚珠丝杠转动惯量及摩擦力矩的测量装置,其特征在于,它包括: 一底板; 两直线导轨,其平行间隔设置在所述底板顶部,每一所述直线导轨上分别设置有两滑块; 一滚珠丝杠,其两端通过一固定支撑座和一浮动支撑座转动支撑在位于两所述直线导轨中间的所述底板上,所述滚珠丝杠上连接有一丝杠螺母,所述丝杠螺母上紧固连接一丝杠螺母座; 一扭矩传感器,其通过一传感器基座固定在所述底板上,且所述扭矩传感器的一端通过一联轴器连接所述滚珠丝杠支撑在所述固定支撑座的一端; 一伺服电机,其通过一电机座固定在所述底板上,且所述伺服电机的输出轴通过一联轴器连接所述扭矩传感器; 一移动平台,其底面紧固连接所述丝杠螺母座和位于两所述直线导轨上的所述滑块;以及 两摩擦力矩测量机构,其分别设置于所述丝杠螺母座的两侧,每一所述摩擦力矩测量机构包括一紧固连接在所述丝杠螺母座一侧的悬臂,所述悬臂的末端设置有一连接套,所述连接套通过一竖直方向的直线轴承连接一滑动杆的一端,所述滑动杆的另一端连接一压力传感器的顶部,所述滑动杆上套置有一弹簧,所述弹簧的一端抵在所述直线轴承的底部,另一端抵在滑动杆的端部,所述压力传感器的底部连接一万向球,所述万向球的底部接触一平行于所述滚珠丝杠的直线平板,所述直线平板紧固连接于所述底板上。
2.如权利要求1所述的一种滚珠丝杠转动惯量及摩擦力矩的测量装置,其特征在于,在所述滚珠丝杠支撑在浮动支撑座的一端设置一惯量匹配机构,所述惯量匹配机构包括一与所述滚珠丝杠一端连接的联轴器,所述联轴器的另一端与一连接杆的一端连接,所述连接杆通过一另一浮动支撑座固定在所述底板上,位于所述另一浮动支撑座外侧的所述连接杆上依次套置一端板、若干配重盘和一端盖后由一螺母锁紧。
3.如权利要求2所述的一种滚珠丝杠转动惯量及摩擦力矩的测量装置,其特征在于,在所述端板上均匀设置两螺纹孔,在每一所述配重盘上设置两螺纹孔和两沉孔,并且每一所述配重盘上的两所述沉孔通过螺钉与相邻所述配重盘上的两所述螺纹孔连接,与所述端板相邻的所述配重盘上的两所述沉孔通过螺钉与所述端板上的两所述螺纹孔连接。
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