CN103934723B - 一种滚珠丝杠预紧力和预拉伸量可控调节和测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械制造技术领域，具体涉及一种滚珠丝杠预紧力和预拉伸量的可控调节和测量装置。丝杠螺母的预紧力的调节是通过三个结构完全相同，且在两个丝杠螺母之间均匀分布的预紧力装置实现的，每个预紧力装置都可以通过旋紧螺母压缩弹簧对两个丝杠螺母进行预紧，预紧力的大小可以通过拉压传感器进行实时测量，从而可以实现对丝杠螺母预紧力的可控调节；滚珠丝杠的预拉伸是通过对分离式移动平台施加拉力，带动滚珠丝杠固定支撑座移动从而对滚珠丝杠产生拉伸力实现的，预拉伸量通过固定于丝杠端部的千分表进行测量，拉伸力的大小通过固定在移动平台侧面的两个拉压传感器进行实时检测。

Description

一种滚珠丝杠预紧力和预拉伸量可控调节和测量装置

技术领域

本发明属于机械制造技术领域，具体涉及一种滚珠丝杠预紧力和预拉伸量的可控调节和测量装置。

背景技术

滚珠丝杠是数控机床直线传动系统中的重要组成部件，其精度、刚度、可靠性等性能直接影响到机床的加工精度和加工稳定性。在实际使用过程中，由于加工制造和装配误差，滚珠丝杠螺母与滚珠之间总存在一定的间隙，另外，在运动过程中，丝杠由于受到轴向载荷的作用会导致部件产生一定的变形，从而在反向运动过程中会出现空程误差，这些都降低了滚珠丝杠的轴向传动精度以及轴向刚度。为了解决上述问题，目前通常采用的方法是对丝杠螺母实现预紧，以提高丝杠副的刚度，消除间隙。常用的丝杠螺母预紧方法有：单螺母滚珠过盈预紧，双螺母预紧。其中，单螺母过盈预紧采用直径偏大的滚珠，使得在初始运行阶段，滚珠受到一定的挤压变形，产生挤压力，实现丝杠螺母的预紧；双螺母预紧通常是在两个螺母之间放置垫片，使用螺钉使两个螺母压紧，从而实现丝杠螺母之间的预紧，另外还可以将两个螺母之间采用平键进行连接，采用圆螺母挤压其中一个螺母的方法进行预紧。这些预紧方法不能精确的控制预紧力的大小，而且预紧力的分布也难以确定，有可能导致预紧力在丝杠螺母端面分布不均匀，产生附加扭矩，影响丝杠螺母的运行性能，导致运行不平稳，磨损加剧等。在丝杠运行的整个行程范围内，预紧力是否平衡可以反映丝杠的加工性能，另外，当进给系统运行一定时间后，由于丝杠的变形，滚珠的磨损等因素的影响，丝杠的预紧力大小会发生变化，通过测量该值的变化可以在一定的程度上系统的性能，实现系统运行状况的检测，然而现有的预紧装置无法丝杠预紧力的大小进行实时检测。

滚珠丝杠在工作过程中，由于丝杠与滚珠之间的摩擦力作用，导致丝杠受热变形，丝杠的受热伸长会导致定位精度的降低，从而影响加工精度，为了补偿丝杠的热伸长量并提高丝杠的轴向刚度，一般事先对丝杠进行预拉伸操作，即在丝杠制造过程中，实际加工的丝杠导程要小于名义值，在装配过程中对丝杠进行预拉伸，使得丝杠的实际导程达到名义值，因此丝杠的拉应力补偿了丝杠摩擦发热产生的热应力，从而减小了温升对丝杠长度的影响，并且在一定程度上提高丝杠的轴向刚度。现在丝杠预拉伸是直接对其两端的固定支撑施加拉力，将丝杠拉伸至所需的长度，然而在丝杠运行一段时间后，丝杠的预拉伸量会发生变形，此时会影响丝杠传动精度，减小轴向刚度，因此需要能够对预拉伸量进行调节的装置。

另外，丝杠预紧力和预拉伸量的大小对进给系统的动态特性能有较大的影响，因此需要一种不仅能够可控调节丝杠预紧力和预拉伸量的装置，而且还能实现预紧力和预拉伸量的实时测量。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种能够同时实现滚珠丝杠预紧力和预拉伸量可控调节和测量的装置。

本发明采用的技术方案为：

该装置包括直线进给系统、丝杠螺母预紧力调节和测量装置和滚珠丝杠预拉伸调节和测量装置。

所述的直线进给系统的结构是：底板的一端固定有电机支撑座，伺服电机固定在所述的电机支撑座上；底板上与电机支撑座相对的一端设置可滑动的移动平台；在底板和移动平台上分别固定第一滚珠丝杠固定支撑端和第二滚珠丝杠固定支撑端，滚珠丝杠设置在第一滚珠丝杠固定支撑端和第二滚珠丝杠固定支撑端之间，且其一端通过联轴器与伺服电机的转轴连接；在滚珠丝杠上套接有两个旋向相反的法兰型式的第一丝杠螺母和第二丝杠螺母，并在第二丝杠螺母上设置丝杠螺母座；在丝杠螺母座上通过螺纹固定连接工作台；

所述丝杠螺母预紧力调节和测量装置的结构是：所述第一丝杠螺母和第二丝杠螺母之间通过三个均匀分布的结构完全相同的预紧力装置进行连接；以第一预紧力装置为例进行说明：第一预紧力装置由第一螺纹杆、第一螺母、第一推力轴承、第一弹簧、第一直线轴承、第一连接轴和第一拉压传感器组成；第一直线轴承通过过盈配合安装于所述第一连接轴内部；第一螺纹杆的末端插入第一直线轴承中；第一拉压传感器的一端通过螺纹与第一连接轴相连，另一端通过螺纹与第二丝杠螺母的法兰盘固定连接；第一螺纹杆的一端通过螺纹与第一丝杠螺母的法兰盘固定连接；第一螺母通过螺纹与第一螺纹杆连接；第一推力轴承和第一弹簧依次套于第一螺纹杆上，且第一推力轴承的一端面紧贴于第一螺母的端面上，第一弹簧的一端面紧贴于第一连接轴的端面上；

所述滚珠丝杠预拉伸调节和测量装置的结构是：在所述移动平台运动方向的外侧面通过螺纹与第四拉压传感器和第五拉压传感器连接；第四拉压传感器和第五拉压传感器的另一端与连接杆的端面通过螺纹固定连接；底板上设置固定座，固定座与所述连接杆的中心通过螺栓固定连接；

所述滚珠丝杠靠近第二滚珠丝杠固定端的一端上设置千分表，所述千分表的测头压紧在滚珠丝杠的端部，千分表的表座固定在底板上。

所述底板上，在滚珠丝杠的两侧分别设置与滚珠丝杠平行的第一直线导轨和第二直线导轨；在所述的第一直线导轨上连接有第一滑块和第二滑块，在所述第二直线导轨上连接有第三滑块和第四滑块；工作台与第一滑块、第二滑块、第三滑块、第四滑块通过螺纹固定连接。

所述底板上，在滚珠丝杠的两侧分别设置与滚珠丝杠平行的第三直线导轨和第四直线导轨；在所述的第三直线导轨上连接有第五滑块和第六滑块，在所述的第四直线导轨上连接有第七滑块和第八滑块；所述移动平台与第五滑块、第六滑块、第七滑块、第八滑块通过螺栓固定连接。

本发明的有益效果为：

(1)本发明所述的丝杠螺母预紧力调节和测量装置可以连续精确地控制丝杠螺母预紧力的大小，并且通过调节三个预紧装置的弹簧压缩量，保证预紧力沿着丝杠径向均匀分布；

(2)本发明所述的丝杠螺母预紧力调节和测量装置可以在直线进给系统运动过程中实时测量丝杠螺母的预紧力变化情况，实现对进给系统运行状况的检测；

(3)本发明所述的滚珠丝杠预拉伸调节和测量装置仅需要通过拧紧或松开螺母就可以实现滚珠丝杠预拉伸量的调节，操作方便可靠；

(4)本发明所述的滚珠丝杠预拉伸调节和测量装置可以在直线进给系统运动过程中，实时测量丝杠预拉伸量以及预拉伸力的变化；

(5)本发明所述的滚珠丝杠预拉伸调节和测量装置采用将滚珠丝杠的两个支撑端分离，通过控制单个支撑端的位置实现滚珠丝杠的预拉伸，不改变原有滚珠丝杠的结构，可以最大程度保证滚珠丝杠的运行性能。

附图说明

图1是本发明装置的整体结构示意图；

图2是本发明的部分结构示意图，主示丝杠螺母预紧力调节与检测装置和滚珠丝杠预拉伸调节与检测装置；

图3是本发明的丝杠螺母预紧力调节与测量装置的结构分解示意图。

图中标号：

1-底板；2-电机支撑座；3-伺服电机；4-滚珠丝杠；5-联轴器；6-第一滚珠丝杠固定支撑端；7-移动平台；8-第二滚珠丝杠固定支撑端；9-第一丝杠螺母；10-第二丝杠螺母；11-丝杠螺母座；12-第一直线导轨；13-第二直线导轨；14-第一滑块；15-第二滑块；16-第三滑块；17-第四滑块；18-工作台；19-第一螺纹杆；20-第一螺母；21-第一推力轴承；22-第一弹簧；23-第一直线轴承；24-第一连接轴；25-第一拉压传感器；26-第二螺纹杆；27-第二螺母；28-第二推力轴承；29-第二弹簧；30-第二直线轴承；31-第二连接轴；32-第二拉压传感器；33-第三螺纹杆；34-第三螺母；35-第三推力轴承；36-第三弹簧；37-第三直线轴承；38-第三连接轴；39-第三拉压传感器；40-第三直线导轨；41-第四直线导轨；42-第五滑块；43-第六滑块；44-第七滑块；45-第八滑块；46-第四拉压传感器；47-第五拉压传感器；48-连接杆；49-螺栓；50-固定座；51-第四螺母；52-千分表。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明所提出的一种滚珠丝杠预紧力和预拉伸量调节和测量装置做详细的说明。

如图1和2所示，所述的直线进给系统的结构是：在底板1的一端固定有电机支撑座2，伺服电机3固定在电机支撑座2上；滚珠丝杠4通过联轴器5与伺服电机3的转轴连接；滚珠丝杠4在靠近联轴器5的一端，通过固定在底板1上的第一滚珠丝杠固定支撑端6进行支撑转动，另一端通过固定在移动平台7上的第二滚珠丝杠固定支撑端8进行支撑转动；在滚珠丝杠4上套接有两个旋向相反的法兰型式的第一丝杠螺母9和第二丝杠螺母10；在第二丝杠螺母10上连接有丝杠螺母座11；在底板1上，且与滚珠丝杠4平行的两端，分别固定安装有第一直线导轨12和第二直线导轨13；在第一直线导轨12上连接有第一滑块14和第二滑块15，在第二直线导轨13上连接有第三滑块16和第四滑块17；工作台18与丝杠螺母座11，以及第一滑块14、第二滑块15、第三滑块16、第四滑块17通过螺纹固定连接。

如图3所示，所述的丝杠螺母预紧力调节和测量装置的结构是：第一丝杠螺母9和第二丝杠螺母10之间通过三个结构完全相同的预紧力装置进行连接，三个预紧力装置相对于第一丝杠螺母9和第二丝杠螺母10均匀分布；以第一预紧力装置为例进行说明：第一预紧力装置由第一螺纹杆19、第一螺母20、第一推力轴承21、第一弹簧22、第一直线轴承23、第一连接轴24和第一拉压传感器25组成；第一螺纹杆19的一端通过螺纹与第一丝杠螺母9的法兰盘固定连接；第一螺母20通过螺纹连接于第一螺纹杆19上；第一推力轴承21和第一弹簧22依次套于第一螺纹杆19上，第一推力轴承21的一端面紧贴于第一螺母20端面上，第一弹簧22的一端面紧贴于第一连接轴24端面上；第一直线轴承23通过过盈配合安装于第一连接轴24内部；第一螺纹杆19的末端插入于第一直线轴承23中；第一拉压传感器25的一端通过螺纹与第一连接轴24相连接，另一端通过螺纹与第二丝杠螺母10的法兰盘固定连接。第二预紧力装置由第二螺纹杆26、第二螺母27、第二推力轴承28、第二弹簧29、第二直线轴承30、第二连接轴31、第二拉压传感器32组成；第三预紧力装置由第三螺纹杆33、第三螺母34、第三推力轴承35、第三弹簧36、第三直线轴承37、第三连接轴38、第三拉压传感器39、第三直线导轨40组成；第二预紧力装置和第三预紧力装置的结构与第一预紧力装置的结构相同。

如图1和2所示，所述的滚珠丝杠预拉伸调节和测量装置的结构是：在底板1上，且与滚珠丝杠4平行，固定连接有第三直线导轨40和第四直线导轨41；在第三直线导轨40上连接有第五滑块42和第六滑块43，在第四直线导轨41上连接有第七滑块44和第八滑块45；移动平台7与第五滑块42、第六滑块43、第七滑块44、第八滑块45通过螺栓固定连接；在移动平台7的外侧面对称加工了两个螺纹孔，分别连接有第四拉压传感器46和第五拉压传感器47；第四拉压传感器46和第五拉压传感器47的另一端与连接杆48端面通过螺纹固定连接；在连接杆48的中心处加工有光孔，螺栓49穿在连接杆48的光孔中；螺栓49通过螺纹连接于固定在底板1上的固定座50上；螺栓49的终端通过螺纹连接有第四螺母51；在滚珠丝杠4靠近第二滚珠丝杠固定支撑端8的一端上放置有千分表52，千分表52的测头压紧在滚珠丝杠4的端部，表座固定在底板1上。

本发明所述的一种滚珠丝杠预紧力和预拉伸量的可控调节和测量装置的工作过程详述如下：

如图1、2、3所示，根据工作台18所需的运行位置，可以转换为伺服电机3的控制指令，伺服电机3根据该控制指令驱动电机轴旋转，通过联轴器5带动滚珠丝杠4旋转，滚珠丝杠4的旋转将驱动连接其上的第一丝杠螺母9和第二丝杠螺母10的运动，通过固定连接在第二丝杠螺母10上的丝杠螺母座11带动工作台18沿着滚珠丝杠4的轴向运动。伺服电机3可以采用半闭环或闭环控制，实现对位置的精确控制。

如图3，第一丝杠螺母9和第二丝杠螺母10的旋向相反，这样可以保证在滚珠丝杠4旋转时同时向着一个方向运动；当旋紧第一螺母20时，会通过第一推力轴承21压缩第一弹簧22，这里在第一螺母20和第一弹簧22之间加入了第一推力轴承21，是为了减小第一螺母20旋紧过程中的摩擦力对第一弹簧22压缩过程的影响，否则第一弹簧22在压缩过程中会产生扭转，影响力的传递，而且当第一弹簧22压缩较大时，第一螺母20会因为摩擦力作用导致旋紧困难；第一弹簧22的压缩产生的作用力一方面依次通过第一推力轴承21、第一螺母20、第一螺纹杆19作用于第一丝杠螺母9上，另一方面依次通过第一连接轴24、第一拉压传感器25传递作用于第二丝杠螺母10上，从而实现对第一丝杠螺母9和第二丝杠螺母10的预紧；由于第一螺纹轴19在第一直线轴承23中运动的摩擦力很小，可以忽略不计，因此第一拉压传感器25所测量的值即为第一预紧装置的预紧力大小。其他两个预紧装置的工作过程与之相同，由于三个预紧装置在第一丝杠螺母9和第二丝杠螺母10之间均匀布置，因此可以通过调节第一螺母20、第二螺母27、第三螺母34使得三个预紧装置产生的预紧力相同，即保证丝杠螺母预紧力的大小能够均匀分布，从而保证预紧力的方向沿着滚珠丝杠4的轴向，不会产生其他方向的分力以及附加扭矩。该装置可以通过第一拉压传感器25、第二拉压传感器32、第三拉压传感器39对直线进给系统在运行过程中丝杠的预紧力进行实时检测，可以用于研究预紧力随运行时间的变化情况，为进给系统运行状况的检测提供一种手段；另外，该装置可以对预紧力大小进行精确调节，从而可以满足不通过预紧力的需求，也可以研究不同预紧力作用下进给系统运行的动态特性。

如图1和2所示，当旋紧第四螺母51时，由于固定座50的阻挡作用，第四螺母51只能转动，因此螺栓49会带动连接杆48向外运动，从而对第四拉压传感器46和第五拉压传感器47施加沿着滚珠丝杠4轴向的拉力，第四拉压传感器46和第五拉压传感器47相对连接杆48中心对称分布，因此不会产生附加扭矩，它们所测拉力之和即为预拉伸力的大小；第四拉压传感器46和第五拉压传感器47会对移动平台7产生拉力，使得移动平台7向外移动，从而会带动固定于其上的第二滚珠丝杠固定支撑端8的运动，这就可以对滚珠丝杠4施加沿其轴向的拉伸力，实现滚珠丝杠4的预拉伸，通过滚珠丝杠4端部的千分表52就可以测出丝杠预拉伸量的大小。该装置操作简单，可以对丝杠预拉伸的长度和预拉伸力的大小进行实时检测，可以用于研究进给系统运行过程中，丝杠预拉伸量和预拉伸力随运行时间的变化情况，还可以研究不同预拉伸量或预拉伸力对系统运行的动态特性影响。

Claims (3)

1.一种滚珠丝杠预紧力和预拉伸量可控调节和测量装置，其特征在于，该装置包括直线进给系统、丝杠螺母预紧力调节和测量装置和滚珠丝杠预拉伸调节和测量装置；

所述直线进给系统为：底板(1)的一端固定有电机支撑座(2)，伺服电机(3)固定在所述的电机支撑座(2)上；底板(1)上与电机支撑座(2)相对的一端设置可滑动的移动平台(7)；在底板(1)和移动平台(7)上分别固定第一滚珠丝杠固定支撑端(6)和第二滚珠丝杠固定支撑端(8)，滚珠丝杠(4)设置在第一滚珠丝杠固定支撑端(6)和第二滚珠丝杠固定支撑端(8)之间，且其一端通过联轴器(5)与伺服电机(3)的转轴连接；在滚珠丝杠(4)上套接有两个旋向相反的法兰型式的第一丝杠螺母(9)和第二丝杠螺母(10)，并在第二丝杠螺母(10)上设置丝杠螺母座(11)；在丝杠螺母座(11)上设置工作台(18)；

所述丝杠螺母预紧力调节和测量装置为：所述第一丝杠螺母(9)和第二丝杠螺母(10)之间通过三个均匀分布的结构完全相同的预紧力装置进行连接；以第一预紧力装置为例进行说明：第一预紧力装置由第一螺纹杆(19)、第一螺母(20)、第一推力轴承(21)、第一弹簧(22)、第一直线轴承(23)、第一连接轴(24)和第一拉压传感器(25)组成；第一直线轴承(23)通过过盈配合安装于所述第一连接轴(24)内部；第一螺纹杆(19)的末端插入第一直线轴承(23)中；第一拉压传感器(25)的一端通过螺纹与第一连接轴(24)相连，另一端通过螺纹与第二丝杠螺母(10)的法兰盘固定连接；第一螺纹杆(19)的一端通过螺纹与第一丝杠螺母(9)的法兰盘固定连接；第一螺母(20)通过螺纹与第一螺纹杆(19)连接；第一推力轴承(21)和第一弹簧(22)依次套于第一螺纹杆(19)上，且第一推力轴承(21)的一端面紧贴于第一螺母(20)的端面上，第一弹簧(22)的一端面紧贴于第一连接轴(24)的端面上；

所述滚珠丝杠预拉伸调节和测量装置为：在所述移动平台(7)运动方向的外侧面通过螺纹与第四拉压传感器(46)和第五拉压传感器(47)的一端连接；第四拉压传感器(46)和第五拉压传感器(47)的另一端与连接杆(48)的端面通过螺纹固定连接；底板(1)上设置固定座(50)，固定座(50)与所述连接杆(48)的中心通过螺栓(49)固定连接；所述滚珠丝杠(4)靠近第二滚珠丝杠固定支撑端(8)的一端上设置千分表(52)，所述千分表(52)的测头压紧在滚珠丝杠(4)的端部，千分表(52)的表座固定在底板(1)上。

2.根据权利要求1所述的一种滚珠丝杠预紧力和预拉伸量可控调节和测量装置，其特征在于，所述底板(1)上，在滚珠丝杠(4)的两侧分别设置与滚珠丝杠(4)平行的第一直线导轨(12)和第二直线导轨(13)；在所述的第一直线导轨(12)上连接有第一滑块(14)和第二滑块(15)，在所述第二直线导轨(13)上连接有第三滑块(16)和第四滑块(17)；工作台(18)与第一滑块(14)、第二滑块(15)、第三滑块(16)、第四滑块(17)通过螺纹固定连接。

3.根据权利要求1所述的一种滚珠丝杠预紧力和预拉伸量可控调节和测量装置，其特征在于，所述底板(1)上，在滚珠丝杠(4)的两侧分别设置与滚珠丝杠(4)平行的第三直线导轨(40)和第四直线导轨(41)；在所述的第三直线导轨(40)上连接有第五滑块(42)和第六滑块(43)，在所述的第四直线导轨(41)上连接有第七滑块(44)和第八滑块(45)；所述移动平台(7)与第五滑块(42)、第六滑块(43)、第七滑块(44)、第八滑块(45)通过螺栓固定连接。