CN103926077B - 一种滚珠丝杠静动刚度综合测量装置 - Google Patents

一种滚珠丝杠静动刚度综合测量装置 Download PDF

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王立平
姜峣
李福华
李铁民
吴军
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清华大学
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Abstract

本发明涉及一种滚珠丝杠静动刚度综合测量装置,它包括一底板、一直线进给机构、一扭矩静动刚度测量机构、一轴向静动刚度测量机构和一横向静动刚度测量机构;直线进给机构包括一伺服电机、一扭矩传感器、一滚珠丝杠和一丝杠螺母座;扭矩静动刚度测量机构包括两角板、两法兰盘、两圆光栅和两圆光栅读数头;轴向静动刚度测量机构包括一电动缸、两连接板、两导向杆、两弹簧和两拉压传感器;横向静动刚度测量机构包括一直线导轨、一滑块、一电动缸、两压力传感器、两万向球,第一万向、一连接套、一直线轴承、一滑动杆、一弹簧盒一直线量块。本发明可用于滚珠丝杠的扭转、轴向及横向静动刚度测量。

Description

一种滚珠丝杠静动刚度综合测量装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种测量装置,具体涉及一种可用于滚珠丝杠的扭转、轴向及横向静动刚度测量的滚珠丝杠静动刚度综合测量装置。
背景技术
[0002] 滚珠丝杠作为一种将旋转运动转换为直线运动的高效传动部件,具有传动精度高,运行平稳、可靠等优点,因而被广泛应用于数控机床的进给传动系统中,成为数控机床不可或缺的重要功能部件之一。
[0003] 在进行滚珠丝杠的选型时,需要考虑诸多特性参数,如导程、直径、刚度、寿命等,在这些因素中,刚度特性对系统整体的运行特性有着较大的影响,尤其在高速、重载类型的机床中,该影响作用更为明显。刚度性能较差的滚珠丝杠会影响到机床的定位精度和重复定位精度,在外部载荷作用下容易产生振动,从而导致加工件的质量严重降低。目前,机床标准件制造厂商在滚珠丝杠出厂时,均会对丝杠的轴向静刚度进行严格的检测,并在样本手册上提供较为准确的轴向精度值以供用户选型时使用,滚珠丝杠特定方向的静刚度即为在该方向施加一定的作用力,当产生单位变形量所需力的大小。然而,对滚珠丝杠而言,其刚度特性不只包含轴向刚度,同时需要考虑扭转刚度和横向刚度,另外,由于滚珠丝杠经常工作在高速旋转状态,而此时对系统动态特性影响较大的是滚珠丝杠的动刚度特性,滚珠丝杠特定方向的动刚度即为在该方上施加一定的动态激扰力,当产生单位振动所需要的动态力的大小。
[0004] 上述滚珠丝杠的轴向、扭转、横向静动刚度特性都会对机床的运动性能产生影响,例如,滚珠丝杠轴向静刚度不足,在受载运动时会产生轴向变形影响直线进给系统的定位精度和重复定位精度;扭转静刚度的不足,在受载运动时会产生丝杠扭转误差,最终同样会导致进给系统的定位误差;滚珠丝杠在不同的运转速度及工况下,其动刚度会表现出不同的特性,这是导致终端平台振动的原因之一。在进行滚珠选型及仿真计算时,需要对其轴向、扭矩及横向静动刚度都进行考虑。然而,现有的滚珠丝杠刚度测试装置仅限于轴向静刚度的测量,针对扭转及横向刚度的测量装置还很少,尤其是对综合动刚度的测量,目前还不具备相应功能的测量装置。
发明内容
[0005] 针对上述问题,本发明的目的是提供一种可用于滚珠丝杠的扭转、轴向及横向静动刚度测量的滚珠丝杠静动刚度综合测量装置。
[0006] 为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:一种滚珠丝杠静动刚度综合测量装置,其特征在于,它包括一底板、一直线进给机构、一扭矩静动刚度测量机构、一轴向静动刚度测量机构和一横向静动刚度测量机构;
[0007] 所述直线进给机构包括一通过一电机支座固定在所述底板上的伺服电机,所述伺服电机的转轴通过一第一联轴器连接一扭矩传感器的一端,所述扭矩传感器通过一传感器支架固定在所述底板上,所述扭矩传感器的另一端通过一第二联轴器连接一滚珠丝杠的一端,所述滚珠丝杠转动支撑在靠近其两端的两固定支撑座上,其中靠近所述第二联轴器一侧的所述第一固定支撑座固定在所述底板上,第二固定支撑座固定在一移动平台上,所述移动平台沿平行于所述滚珠丝杠的方向滑动连接在所述底板上,在所述滚珠丝杠上连接一丝杠螺母,所述丝杠螺母上紧固套接一丝杠螺母座;
[0008] 所述扭矩静动刚度测量机构包括套置在位于所述第一固定支撑座与所述第二联轴器之间的所述滚珠丝杠上的一第一角板和一第一法兰盘,所述第一角板固定在所述底板上且与所述滚珠丝杠之间留有间隙,所述第一法兰盘紧固连接在所述滚珠丝杠上,所述第一法兰盘正对所述第一角板的一侧紧固连接一第一圆光栅,所述第一角板正对所述第一法兰盘的一侧紧固连接一第一圆光栅读数头,所述第一圆光栅与所述第一圆光栅读数头之间留有间隙,在位于所述第二固定支撑座与所述第三联轴器之间的所述滚珠丝杠上套置有一第二角板和一第二法兰盘,所述第二角板固定在所述移动平台上且与所述滚珠丝杠之间留有间隙,所述第二法兰盘紧固连接在所述滚珠丝杠上,所述第二法兰盘正对所述第二角板的一侧紧固连接一第二圆光栅,所述第二角板正对所述第二法兰盘的一侧紧固连接一第二圆光栅读数头,所述第二圆光栅与所述第二圆光栅读数头之间留有间隙,所述滚珠丝杠位于第二固定支撑座外侧的一端还通过一第三联轴器与一短轴的一端连接,所述短轴的另一端与一固定在所述移动平台上的支撑座紧固连接;
[0009] 所述轴向静动刚度测量机构包括一位于所述移动平台一侧且与所述滚珠丝杠处在同一纵面上的第一电动缸,所述第一电动缸通过一第一电动缸支座固定在所述底板上,所述第一电动缸的伸缩轴紧固连接一第一连接板的一侧,所述第一连接板通过两第一直线轴承连接两导向杆的一端,两所述导向杆的另一端紧固连接在一第二连接板的一侧,在位于所述第一连接板和第二连接板之间的两所述导向杆上分别套置一第一弹簧,所述第一弹簧的两端分别与第一连接板、第二连接板接触,所述第二连接板的另一侧通过两拉压传感器连接在所述移动平台的侧壁上,两所述拉压传感器关于所述滚珠丝杠所在的纵面对称;
[0010] 所述横向静动刚度测量机构包括一固定在所述底板上且位于所述滚珠丝杠一侧的直线导轨,所述直线导轨与所述滚珠丝杠平行,在所述直线导轨上滑动设置一滑块,所述滑块顶部通过一第二电动缸支座紧固连接一第二电动缸,所述第二电动缸的伸缩轴通过一轴套连接一第一压力传感器,所述第一压力传感器的另一端连接一第一万向球,所述第一万向球紧压在所述丝杠螺母座的一侧,在所述丝杠螺母座的另一侧设置一连接套,所述连接套通过一第二直线轴承连接一滑动杆的一端,所述滑动杆上套置有一第二弹簧,所述第二弹簧的一端与所述连接套接触,另一端与所述滑动杆的端部挡片接触,所述滑动杆的另一端连接一第二压力传感器,所述第二压力传感器的另一端连接一第二万向球,所述第二万向球与一平行设置在所述滚珠丝杠一侧的直线量块接触,所述直线量块固定在所述底板上。
[0011] 在位于所述第三联轴器下方的底板顶面开设一矩形槽,所述移动平台滑动设置在所述矩形槽中使所述移动平台的顶面与所述底板的顶面平齐。
[0012] 在所述底板上设置两平行于所述滚珠丝杠的光轴,每一所述光轴分别通过两支座固定在所述底板上,每一所述光轴上分别套接若干第三直线轴承,每一第三直线轴承上分别过盈配合一轴承座,所述移动平台底面紧固连接在各所述轴承座上。
[0013] 所述短轴通过一贯穿所述支撑座旋入所述短轴端部的螺栓固定在所述支撑座上。
[0014] 本发明由于采取以上技术方案,其具有以下优点:1、本发明包括扭矩静动刚度测量机构、轴向静动刚度测量机构和横向静动刚度测量机构,能够同时实现扭转、轴向、横向的静动刚度的综合测量,对深入认识滚珠丝杠的刚度特性具有很大的帮助,同时所测得的实验数据也能够为滚珠丝杠的选型提供更充分的参考依据。2、本发明的扭矩静动刚度测量机构中在滚珠丝杠的两端设置了用于对丝杠的扭转角进行测量的圆光栅,能够精确得获得滚珠丝杠的扭转变形。3、本发明的轴向静动刚度测量机构中将滚珠丝杠的两个固定支撑座安装在不同的平台上,使得可以通过对移动平台施加载荷以及测量其轴向位移量获取滚珠丝杠的轴向载荷,该机构不改变原有滚珠丝杠的结构,并且测量结果准确、操作方便。4、本发明的轴向静动刚度测量机构及横向静动刚度测量机构采用电动缸施加载荷,结构简单且操作方便,还可以实现加载力大小的高精控制。5、本发明的横向静动刚度测量机构中,采用了万向球与直线量块进行接触,可以消除安装的垂直度误差对测量结果的影响,而且通过直线轴承进行导向,保证滑动杆运动摩擦力小,提高了测量的灵敏度,利用该结构可以方便地实现滚珠丝杠整个行程范围内的横向变形值的测量。
附图说明
[0015] 图1是本发明的整体结构示意图;
[0016] 图2是本发明扭矩静动刚度测量机构的结构示意图;
[0017] 图3是本发明轴向静动刚度测量机构的结构示意图;
[0018]图4是本发明位于滚珠丝杠一侧的横向静动刚度测量机构的结构示意图;
[0019]图5是本发明位于滚珠丝杠另一侧的横向静动刚度测量机构的结构示意图;
[0020]图6是本发明移动平台与底板滑动连接机构的结构示意图。
具体实施方式
[0021] 下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
[0022] 如图1所不,本发明包括一底板10、一直线进给机构20、一扭矩静动刚度测量机构30、一轴向静动刚度测量机构40和一横向静动刚度测量机构50。
[0023] 直线进给机构20包括一通过一电机支座201固定在底板10上的伺服电机202,伺服电机202的转轴通过一联轴器203连接一扭矩传感器204的一端,扭矩传感器204通过一传感器支架205固定在底板10上,扭矩传感器204的另一端通过一联轴器206连接一滚珠丝杠207的一端,滚珠丝杠207转动支撑在两固定支撑座208、209上,两固定支撑座208、209分别靠近滚珠丝杠207的两端,其中固定支撑座208固定在底板10上,固定支撑座209固定在一移动平台210上,移动平台210沿平行于滚珠丝杠207的方向滑动连接在底板10上。在滚珠丝杠207上连接一丝杠螺母211,丝杠螺母211紧固套接一丝杠螺母座212。
[0024] 如图2所示,扭矩静动刚度测量机构30包括套置在位于固定支撑座208与联轴器206之间的滚珠丝杠207上的一角板301和一法兰盘302,角板301固定在底板10上且与滚珠丝杠207之间留有间隙,法兰盘302紧固连接在滚珠丝杠207上,法兰盘302正对角板301的一侧紧固连接一圆光栅303,角板301正对法兰盘302的一侧紧固连接一圆光栅读数头304,圆光栅303与圆光栅读数头304之间留有间隙。在位于固定支撑座209外侧的的滚珠丝杠207上套置有一角板305和一法兰盘306,角板305固定在移动平台211上且与滚珠丝杠207之间留有间隙,法兰盘306紧固连接在滚珠丝杠207上,法兰盘306正对角板305的一侧紧固连接一圆光栅307,角板305正对法兰盘306的一侧紧固连接一圆光栅读数头308,圆光栅307与圆光栅读数头308之间留有间隙。滚珠丝杠207位于固定支撑座209外侧的一端还通过一联轴器309与一短轴310的一端连接,短轴310的另一端与一固定在移动平台210上的支撑座311紧固连接。
[0025] 如图1、图3所示,轴向静动刚度测量机构40包括一位于移动平台210 —侧且与滚珠丝杠207处在同一纵面上的电动缸401,电动缸401通过一电动缸支座402固定在底板10上。电动缸401的伸缩轴紧固连接一连接板403的一侧,连接板403通过两直线轴承404连接两导向杆405的一端,两导向杆405的另一端紧固连接在另一连接板406的一侧。在位于两连接板403、406之间的两导向杆405上分别套置一弹簧407,弹簧407的两端分别与两连接板403、406接触。连接板406的另一侧通过两拉压传感器408连接在移动平台210的侧壁上,两拉压传感器408关于滚珠丝杠207所在的纵面对称。
[0026] 如图1、图4和图5所示,横向静动刚度测量机构50包括一固定在底板10上且位于滚珠丝杠207 —侧的直线导轨501,直线导轨501与滚珠丝杠207平行。在直线导轨501上滑动设置一滑块502,滑块502顶部通过一电动缸支座503紧固连接一电动缸504,电动缸504的伸缩轴通过一轴套505连接一压力传感器506,压力传感器506的另一端连接一万向球507,万向球507紧压在丝杠螺母座212的一侧。在丝杠螺母座212的另一侧设置一连接套508,连接套508通过一直线轴承509连接一滑动杆510的一端,滑动杆510上套置有一弹簧511,弹簧511的一端与连接套508接触,另一端与滑动杆510的端部挡片接触。滑动杆510的另一端连接一压力传感器512,压力传感器512的另一端连接一万向球513,万向球513与一平行设置在滚珠丝杠207 —侧的直线量块514接触,直线量块514固定在底板10上。
[0027] 上述实施例中,可以在位于联轴器309下方的底板10顶面开设一矩形槽,移动平台210滑动设置在该矩形槽中使移动平台210的顶面与底板10的顶面平齐。
[0028] 上述实施例中,移动平台210与底板10之间的滑动连接可以通过如图6所示的结构实现,在底板10上设置两平行于滚珠丝杠207的光轴213,每一光轴213分别通过两支座214固定在底板10上,每一光轴213上分别套接若干直线轴承215,每一直线轴承215上分别过盈配合一轴承座216,移动平台211底面紧固连接在各轴承座216上。
[0029] 上述实施例中,如图2所示,短轴310可以通过一贯穿支撑座311旋入短轴310端部的螺栓312固定在支撑座311上。
[0030] 本发明所述的滚珠丝杠静动刚度综合测量装置工作过程详述如下:
[0031] 如图1和2所示,当本发明用于测量滚珠丝杠的扭转静动刚度时,开启伺服电机202,因滚珠丝杠207的终端通过联轴器309与短轴310相连,因此滚珠丝杠207无法旋转,伺服电机202通过联轴器203将动力传递至扭矩传感器204,再通过联轴器206施加于滚珠丝杠207的输入端。当伺服电机202输出一恒定扭矩后,通过扭矩传感器204可以测量出该扭矩载荷的大小,同时通过圆光栅读数头304和圆光栅读数头308可以分别获取滚珠丝杠207的输入端和输出端的扭转角度,它们的角度差即为滚珠丝杠207的扭转变形角度,利用扭转值除以滚珠丝杠207的扭转变形角度即可得到其扭转静刚度大小;当伺服电机202按照一定的频率输出动态扭矩,通过同样的方法可以获取扭矩载荷大小和滚珠丝杠207的扭转振动时的变形角度,从而可以获取滚珠丝杠207的扭转动刚度大小。
[0032] 如图1、图3所示,当本发明用于测量滚珠丝杠的轴向静动刚度时,首先卸除联轴器206与联轴器309,以保证滚珠丝杠207的轴向刚度测量不受影响,然后开启电动缸401,当电动缸401运动时,会带动连接板403向前或向后运动,从而拉伸或压缩位于导向管405上的弹簧407,两弹簧407产生的拉压作用力会通过连接板406传递给两拉压传感器408,两拉压传感器408关于滚珠丝杠207所在的平面对称分布,因此不会产生附加扭矩,它们所测拉压力之和即为作用于移动平台210上的轴向力大小。在两拉压传感器408的作用力下,移动平台210将沿着滚珠丝杠207的轴向产生微小的位移量,该位移量正是由于滚珠丝杠207通过固定于移动平台211上的固定支撑座对其施加载荷所产生的轴向变形。滚珠丝杠207的轴向变形量可以通过测量移动平台210的位置变化量获得,可以使用千分表、激光干涉仪、电容测距仪等进行测量。当施加于滚珠丝杠207上的轴向力为恒定作用力时,可以测得其轴向静刚度;当施加于滚珠丝杠207上的轴向力为动态作用力时,可以测得其轴向动刚度。
[0033] 如图1、图4和图5所示,当本发明用于测量滚珠丝杠的横向静动刚度时,首先卸除联轴器206与联轴器309,以保证滚珠丝杠207的横向刚度测量不受影响,然后开启电动缸504,当电动缸504运动时,通过轴套505和压力传感器506对万向球507施加载荷,最终作用于丝杠螺母座212上,使滚珠丝杠207产生横向载荷,从而导致滚珠丝杠207发生弯曲变形,该横向载荷的大小可以通过压力传感器506测得。此时固定于丝杠螺母座212侧面的连接套508会随之产生横向位移,从而会导致弹簧511压缩量的变化,弹簧511因压缩量变化所产生的压力值的变化可以通过压力传感器512进行实时测量。由于滚珠丝杠207的横向变形量是微米量级,弹簧511的压缩量相对比较小,因此弹簧511的力与变形量之间可以视为线性关系,从而可以通过弹簧511的刚度值,将压力传感器512所测得的压力值转换为弹簧511压缩量的变化大小,该值即为滚珠丝杠207的横向变形量。当施加于滚珠丝杠207上横向力为恒定作用力时,可以测得其横向静刚度;当施加于滚珠丝杠207上的横向力为动态作用力时,可以测得其横向动刚度。当移动丝杠螺母212时,可以测得滚珠丝杠207不同位置处的横向静动刚度。由于不能保证直线量块514的安装与滚珠丝杠207绝对平行,因此为了保证弹簧511始终处于压缩状态,以及万向球513始终与直线量块514相接触,在初始测量时,保证弹簧511具有一定的压缩量即可。
[0034] 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 (5)

1.一种滚珠丝杠静动刚度综合测量装置,其特征在于,它包括一底板、一直线进给机构、一扭矩静动刚度测量机构、一轴向静动刚度测量机构和一横向静动刚度测量机构; 所述直线进给机构包括一通过一电机支座固定在所述底板上的伺服电机,所述伺服电机的转轴通过一第一联轴器连接一扭矩传感器的一端,所述扭矩传感器通过一传感器支架固定在所述底板上,所述扭矩传感器的另一端通过一第二联轴器连接一滚珠丝杠的一端,所述滚珠丝杠转动支撑在靠近其两端的两固定支撑座上,其中靠近所述第二联轴器一侧的第一固定支撑座固定在所述底板上,第二固定支撑座固定在一移动平台上,所述移动平台沿平行于所述滚珠丝杠的方向滑动连接在所述底板上,在所述滚珠丝杠上连接一丝杠螺母,所述丝杠螺母上紧固套接一丝杠螺母座; 所述扭矩静动刚度测量机构包括套置在位于所述第一固定支撑座与所述第二联轴器之间的所述滚珠丝杠上的一第一角板和一第一法兰盘,所述第一角板固定在所述底板上且与所述滚珠丝杠之间留有间隙,所述第一法兰盘紧固连接在所述滚珠丝杠上,所述第一法兰盘正对所述第一角板的一侧紧固连接一第一圆光栅,所述第一角板正对所述第一法兰盘的一侧紧固连接一第一圆光栅读数头,所述第一圆光栅与所述第一圆光栅读数头之间留有间隙;所述滚珠丝杠位于所述第二固定支撑座外侧的一端还通过一第三联轴器与一短轴的一端连接,所述短轴的另一端与一固定在所述移动平台上的支撑座紧固连接,在位于所述第二固定支撑座与所述第三联轴器之间的所述滚珠丝杠上套置有一第二角板和一第二法兰盘,所述第二角板固定在所述移动平台上且与所述滚珠丝杠之间留有间隙,所述第二法兰盘紧固连接在所述滚珠丝杠上,所述第二法兰盘正对所述第二角板的一侧紧固连接一第二圆光栅,所述第二角板正对所述第二法兰盘的一侧紧固连接一第二圆光栅读数头,所述第二圆光栅与所述第二圆光栅读数头之间留有间隙; 所述轴向静动刚度测量机构包括一位于所述移动平台一侧且与所述滚珠丝杠处在同一纵面上的第一电动缸,所述第一电动缸通过一第一电动缸支座固定在所述底板上,所述第一电动缸的伸缩轴紧固连接一第一连接板的一侧,所述第一连接板通过两第一直线轴承连接两导向杆的一端,两所述导向杆的另一端紧固连接在一第二连接板的一侧,在位于所述第一连接板和第二连接板之间的两所述导向杆上分别套置一第一弹簧,所述第一弹簧的两端分别与第一连接板、第二连接板接触,所述第二连接板的另一侧通过两拉压传感器连接在所述移动平台的侧壁上,两所述拉压传感器关于所述滚珠丝杠所在的纵面对称; 所述横向静动刚度测量机构包括一固定在所述底板上且位于所述滚珠丝杠一侧的直线导轨,所述直线导轨与所述滚珠丝杠平行,在所述直线导轨上滑动设置一滑块,所述滑块顶部通过一第二电动缸支座紧固连接一第二电动缸,所述第二电动缸的伸缩轴通过一轴套连接一第一压力传感器,所述第一压力传感器的另一端连接一第一万向球,所述第一万向球紧压在所述丝杠螺母座的一侧,在所述丝杠螺母座的另一侧设置一连接套,所述连接套通过一第二直线轴承连接一滑动杆的一端,所述滑动杆上套置有一第二弹簧,所述第二弹簧的一端与所述连接套接触,另一端与所述滑动杆的端部挡片接触,所述滑动杆的另一端连接一第二压力传感器,所述第二压力传感器的另一端连接一第二万向球,所述第二万向球与一平行设置在所述滚珠丝杠一侧的直线量块接触,所述直线量块固定在所述底板上。
2.如权利要求1所述的一种滚珠丝杠静动刚度综合测量装置,其特征在于,在位于所述第三联轴器下方的底板顶面开设一矩形槽,所述移动平台滑动设置在所述矩形槽中使所述移动平台的顶面与所述底板的顶面平齐。
3.如权利要求1所述的一种滚珠丝杠静动刚度综合测量装置,其特征在于,在所述底板上设置两平行于所述滚珠丝杠的光轴,每一所述光轴分别通过两支座固定在所述底板上,每一所述光轴上分别套接若干第三直线轴承,每一第三直线轴承上分别过盈配合一轴承座,所述移动平台底面紧固连接在各所述轴承座上。
4.如权利要求2所述的一种滚珠丝杠静动刚度综合测量装置,其特征在于,在所述底板上设置两平行于所述滚珠丝杠的光轴,每一所述光轴分别通过两支座固定在所述底板上,每一所述光轴上分别套接若干第三直线轴承,每一第三直线轴承上分别过盈配合一轴承座,所述移动平台底面紧固连接在各所述轴承座上。
5.如权利要求1或2或3或4所述的一种滚珠丝杠静动刚度综合测量装置,其特征在于,所述短轴通过一贯穿所述支撑座旋入所述短轴端部的螺栓固定在所述支撑座上。
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