CN104165767A - 进给系统热态特性测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种进给系统热态特性测试装置，所述测试装置包括：底座实验台、伺服电机、电机座、联轴器、右轴承座、右侧轴承组件、滚珠丝杠、丝杠螺母座、丝杠螺母、工作台、滚动导轨、楔形块、滚动导轨滑块、左轴承座、左侧轴承组件、轴向预拉伸装置、PC机、压力传感器、热电阻传感器、红外测温仪、色散共焦位移计、力传感器显示仪、热电阻传感器显示仪、伺服放大器等。本发明具有机械结构简单、测试原理清晰、测试精度高等优点，可针对各进给系统采用的不同直径的角接触球轴承及滚珠丝杠进行测试，模拟实时工况，即各轴向力及转速，测试其温度场及轴向热位移。

Description

进给系统热态特性测试装置

技术领域

本发明属于机床测试领域，特别是一种进给系统热态特性测试装置。

背景技术

目前对进给系统热态特性的研究，多局限于理论分析与仿真计算，其结果缺少实验数据的支撑，与实际存在一定的误差，本发明从实验的角度对传统仿真计算的方法进行验证，提供事实依据。

为防止进给系统由于发热而造成进给误差，传统多采用丝杠预拉伸的方法减小误差，但缺乏针对性，由于转速及轴向力对进给系统热生成有很大的影响，所采取的预拉伸量不一定符合实际。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种进给系统热态特性测试装置，能够测量准确测量进给系统角接触球轴承及滚珠丝杠的温度场及滚珠丝杠的轴向热位移。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种进给系统热态特性测试装置，包括底座实验台、伺服电机、电机座、联轴器、右轴承座、右侧轴承组件、滚珠丝杠、工作台、丝杠螺母、丝杠螺母座、滚动导轨滑块、楔形块、滚动导轨、左轴承座、轴向预拉伸装置、左侧轴承组件、色散共焦位移计、压力传感器显示仪、PC机、伺服放大器、热电阻传感器显示仪、热电阻传感器、红外测温仪；其中左侧轴承组件包括：轴承套、第一角接触球轴承、第二角接触球轴承，轴向预拉伸装置包括：压力传感器、轴端螺母、套筒，右侧轴承组件包括：轴承套、第三角接触球轴承、套筒、第四角接触球轴承、轴承端盖、套筒和轴端螺母；

所述两根滚动导轨通过楔形块平行的固定在底座实验台的导轨安装面上，每根滚动导轨上方分别设有两个滚动导轨滑块，滚动导轨滑块上设有工作台，工作台中间底部设有丝杠螺母座，丝杠螺母座内部固定丝杠螺母，丝杠螺母内部配有滚珠丝杠，滚珠丝杠的两端分别设置左轴承座和右轴承座，左轴承座和右轴承座分别通过螺栓紧固在底座实验台的轴承座安装面上，左轴承座内部设有左侧轴承组件，所述左侧轴承组件包括左轴承套、第一角接触球轴承、第二角接触球轴承，轴向预拉伸装置包括压力传感器、轴端螺母、左套筒，左轴承套内部依次设置轴端螺母、左套筒、第一角接触球轴承、压力传感器、第二角接触球轴承，压力传感器外部接有压力传感器显示仪，第一角接触球轴承和第二角接触球轴承分别与滚珠丝杠和左轴承套为过渡配合；

右轴承座内部设有右侧轴承组件，右侧轴承组件包括右轴承套、第三角接触球轴承、第一右套筒、第四角接触球轴承、轴承端盖、第二右套筒和轴端螺母，右轴承套内部依次设置第三角接触球轴承、第一右套筒、第四角接触球轴承、轴承端盖、第二右套筒和轴端螺母，其中第三角接触球轴承及第四角接触球轴承内外圈分别与滚珠丝杠及右轴承套为过盈配合，滚珠丝杠右端通过联轴器与伺服电机相联，伺服电机通过螺栓紧固在电机座上，电机座通过螺栓紧固在底座实验台上；

左轴承座、右轴承座内均设有两个热电阻传感器，热电阻传感器测温头与轴承外圈相贴合，丝杠螺母内部设有一个热电阻传感器，热电阻传感器外部接线处均与温度显示仪相联，底座工作台左侧还设有色散共焦位移计，色散共焦位移计接线端与PC机相连，用来测量滚珠丝杠的温度的红外测温仪位于滚珠丝杠的上方，压力传感器的输出端与压力传感器显示仪相连，PC机通过伺服放大器与伺服电机相连。

所述第一角接触球轴承、第二角接触球轴承、第三角接触球轴承、第四角接触球轴承的轴承内圈尺寸可调节范围均为30-50mm。

所述轴向预拉伸装置施加轴向力的范围为100N-12000N。

所述伺服电机的转速范围为0-3000r/min。

所述接触式热电阻传感器的精度为0.1℃，非接触式红外测温仪的精度为0.1℃，色散共焦位移计的精度为0.01um。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：（1）通用性强，本发明采用轴承套结构，通过更换轴承套可对不同直径的轴承及丝杠进行测试，滚珠丝杠公称直径可变动范围为30-50mm；（2）转速调节方便快捷，本发明通过PLC编程控制伺服电机转速，转速调节范围广，转速范围为0-3000r/min，精度高；（3）轴向加力机构简单易行，成本低，调节范围广，轴向力施加变动范围为100-12000N；（4）所选仪器操作性强，所测试结果均通过数值显示，可直接读取，无需后处理，方便快捷；（5）本发明对进给系统不同的轴向预紧力及转速进行实验，得到了不同工况下进给系统的温度场及热位移，为机床出厂时进给系统丝杠预拉伸提供依据。

附图说明

图1为本发明进给系统热态特性测试装置的总体结构图。

图2为本发明进给系统轴向装配二维图。

图3为本发明进给系统左侧轴端结构图。

图4为本发明进给系统右侧轴端结构图。

具体实施方式

本发明的进给系统热态特性测试装置适用于对于丝杠及轴承尺寸变化的环境，该测试装置可模拟不同的丝杠预紧力及旋转速度，采用热电阻传感器测量轴承及丝杠螺母的温度，红外测温仪测试丝杠的温度，色散共焦位移计实现对丝杠轴向热位移的测量。

 结合图1、图2、图3和图4，本发明的一种进给系统热态特性测试装置，包括底座实验台1、伺服电机2、电机座3、联轴器4、右轴承座5、右侧轴承组件6、滚珠丝杠7、工作台8、丝杠螺母9、丝杠螺母座10、滚动导轨滑块11、楔形块12、滚动导轨13、左轴承座14、轴向预拉伸装置15、左侧轴承组件16、色散共焦位移计17、压力传感器显示仪18、PC机19、伺服放大器20、热电阻传感器显示仪21、热电阻传感器22、红外测温仪23；其中左侧轴承组件16包括：轴承套16a、第一角接触球轴承16b、第二角接触球轴承16c，轴向预拉伸装置15包括：压力传感器15b、轴端螺母15a、套筒15c，右侧轴承组件6包括：轴承套6a、第三角接触球轴承6b、套筒6c、第四角接触球轴承6d、轴承端盖6e、套筒6f和轴端螺母6g；

所述两根滚动导轨13通过楔形块12平行的固定在底座实验台1的导轨安装面上，每根滚动导轨13上方分别设有两个滚动导轨滑块11，滚动导轨滑块11上设有工作台8，工作台8中间底部设有丝杠螺母座10，丝杠螺母座10内部固定丝杠螺母9，丝杠螺母9内部配有滚珠丝杠7，滚珠丝杠7的两端分别设置左轴承座14和右轴承座5，左轴承座14和右轴承座5分别通过螺栓紧固在底座实验台1的轴承座安装面上，左轴承座14内部设有左侧轴承组件16，所述左侧轴承组件16包括左轴承套16a、第一角接触球轴承16b、第二角接触球轴承16c，轴向预拉伸装置15包括压力传感器15b、轴端螺母15a、左套筒15c，左轴承套16a内部依次设置轴端螺母15a、左套筒15c、第一角接触球轴承16b、压力传感器15b、第二角接触球轴承16c，压力传感器15a外部接有压力传感器显示仪18，第一角接触球轴承16b和第二角接触球轴承16c分别与滚珠丝杠7和左轴承套16a为过渡配合；

右轴承座5内部设有右侧轴承组件6，右侧轴承组件6包括右轴承套6a、第三角接触球轴承6b、第一右套筒6c、第四角接触球轴承6d、轴承端盖6e、第二右套筒6f和轴端螺母6g，右轴承套6a内部依次设置第三角接触球轴承6b、第一右套筒6c、第四角接触球轴承6d、轴承端盖6e、第二右套筒6f和轴端螺母6g，其中第三角接触球轴承6b及第四角接触球轴承6d内外圈分别与滚珠丝杠7及右轴承套6a为过盈配合，滚珠丝杠7右端通过联轴器4与伺服电机2相联，伺服电机2通过螺栓紧固在电机座3上，电机座3通过螺栓紧固在底座实验台1上；

左轴承座14、右轴承座5内均设有两个热电阻传感器22，热电阻传感器测温头与轴承外圈相贴合，丝杠螺母9内部设有一个热电阻传感器，热电阻传感器外部接线处均与温度显示仪21相联，底座工作台1左侧还设有色散共焦位移计17，色散共焦位移计17接线端与PC机19相连，用来测量滚珠丝杠的温度的红外测温仪23位于滚珠丝杠的上方，压力传感器15a的输出端与压力传感器显示仪18相连，PC机19通过伺服放大器20与伺服电机2相连。

所述第一角接触球轴承16b、第二角接触球轴承16c、第三角接触球轴承6b、第四角接触球轴承6d的轴承内圈尺寸可调节范围均为30-50mm。

所述轴向预拉伸装置15施加轴向力的范围为100N-12000N。

所述伺服电机2的转速范围为0-3000r/min。

所述接触式热电阻传感器22的精度为0.1℃，非接触式红外测温仪23的精度为0.1℃，色散共焦位移计17的精度为0.01um。具体而言，温度及热位移数据的采集为在线采集，保证结果的准确性，对于轴承及丝杠螺母的温度通过接触式热电阻传感器22进行测量，精度为0.1℃，数据通过温度显示仪21进行显示，数据无需转换。丝杠的温度通过非接触式红外测温仪23进行测量，精度为0.1℃。丝杠热位移通过色散公交位移计22进行采集，精度为0.01um。

利用本发明的装置对进给系统进行热态特性测试时，具体步骤为：

1、对进给系统丝杠施加一定的轴向预紧力。

通过扳手旋转左端轴承座处的轴端螺母，根据轴承的装配方式，轴向力会传递给各轴承及压力传感器，同时压力传感器将施加的轴向力通过压力传感器显示仪进行显示，数值无需转换，旋转轴端螺母到合适位置，即获得预订轴向力。

2、对进给系统丝杠施加一定的转速。

实验转速由伺服电机提供，本发明选取型号为型号HG-SR702J的伺服电机，PC机上装有GX WORKS2软件进行编程，转速无极可调，并配有型号为MR-J4-700B的伺服放大器，型号为Q03UDECPU的PLC，通过改变PLC程序，即可获得预订的转速。

3、数据采集。

实验需采集的温度值及热位移值均通过数值进行显示，轴承温度及滚珠丝杠螺母温度数值通过热电阻传感器显示仪进行显示，滚珠丝杠温度通过红外测温仪进行测量，并通过其显示窗口进行显示，轴向热位移通过丝杠端部固定的色散共焦位移计进行测量，并能实时记录数据，待15分钟内若温度波动值不超0.1℃，热位移不超0.1um，即为最终结果。

4、数据整理

上述方法，通过改变轴向力及转速，可获得一些列实验结果，最终将实验结果绘制成曲线，得到轴向力及转速对进给系统各部件温度及滚珠丝杠轴向热位移的影响规律。

由上可知，本发明的装置通用性强，由于采用轴承套结构，通过更换轴承套可对不同直径的轴承及丝杠进行测试，可以快速的对进给系统进行热态特性进行测试。

Claims (5)

1.一种进给系统热态特性测试装置，其特征在于，包括底座实验台[1]、伺服电机[2]、电机座[3]、联轴器[4]、右轴承座[5]、右侧轴承组件[6]、滚珠丝杠[7]、工作台[8]、丝杠螺母[9]、丝杠螺母座[10]、滚动导轨滑块[11]、楔形块[12]、滚动导轨[13]、左轴承座[14]、轴向预拉伸装置[15]、左侧轴承组件[16]、色散共焦位移计[17]、压力传感器显示仪[18]、PC机[19]、伺服放大器[20]、热电阻传感器显示仪[21]、热电阻传感器[22]、红外测温仪[23]；其中左侧轴承组件[16]包括：轴承套[16a]、第一角接触球轴承[16b]、第二角接触球轴承[16c]，轴向预拉伸装置[15]包括：压力传感器[15b]、轴端螺母[15a]、套筒[15c]，右侧轴承组件[6]包括：轴承套[6a]、第三角接触球轴承[6b]、套筒[6c]、第四角接触球轴承[6d]、轴承端盖[6e]、套筒[6f]和轴端螺母[6g]；

所述两根滚动导轨[13]通过楔形块[12]平行的固定在底座实验台[1]的导轨安装面上，每根滚动导轨[13]上方分别设有两个滚动导轨滑块[11]，滚动导轨滑块[11]上设有工作台[8]，工作台[8]中间底部设有丝杠螺母座[10]，丝杠螺母座[10]内部固定丝杠螺母[9]，丝杠螺母[9]内部配有滚珠丝杠[7]，滚珠丝杠[7]的两端分别设置左轴承座[14]和右轴承座[5]，左轴承座[14]和右轴承座[5]分别通过螺栓紧固在底座实验台[1]的轴承座安装面上，左轴承座[14]内部设有左侧轴承组件[16]，所述左侧轴承组件[16]包括左轴承套[16a]、第一角接触球轴承[16b]、第二角接触球轴承[16c]，轴向预拉伸装置[15]包括压力传感器[15b]、轴端螺母[15a]、左套筒[15c]，左轴承套[16a]内部依次设置轴端螺母[15a]、左套筒[15c]、第一角接触球轴承[16b]、压力传感器[15b]、第二角接触球轴承[16c]，压力传感器[15a]外部接有压力传感器显示仪[18]，第一角接触球轴承[16b]和第二角接触球轴承[16c]分别与滚珠丝杠[7]和左轴承套[16a]为过渡配合；

右轴承座[5]内部设有右侧轴承组件[6]，右侧轴承组件[6]包括右轴承套[6a]、第三角接触球轴承[6b]、第一右套筒[6c]、第四角接触球轴承[6d]、轴承端盖[6e]、第二右套筒[6f]和轴端螺母[6g]，右轴承套[6a]内部依次设置第三角接触球轴承[6b]、第一右套筒[6c]、第四角接触球轴承[6d]、轴承端盖[6e]、第二右套筒[6f]和轴端螺母[6g]，其中第三角接触球轴承[6b]及第四角接触球轴承[6d]内外圈分别与滚珠丝杠[7]及右轴承套[6a]为过盈配合，滚珠丝杠[7]右端通过联轴器[4]与伺服电机[2]相联，伺服电机[2]通过螺栓紧固在电机座[3]上，电机座[3]通过螺栓紧固在底座实验台[1]上；

左轴承座[14]、右轴承座[5]内均设有两个热电阻传感器[22]，热电阻传感器测温头与轴承外圈相贴合，丝杠螺母[9]内部设有一个热电阻传感器，热电阻传感器外部接线处均与温度显示仪[21]相联，底座工作台[1]左侧还设有色散共焦位移计[17]，色散共焦位移计[17]接线端与PC机[19]相连，用来测量滚珠丝杠的温度的红外测温仪[23]位于滚珠丝杠的上方，压力传感器[15a]的输出端与压力传感器显示仪[18]相连，PC机[19]通过伺服放大器[20]与伺服电机[2]相连。

2.根据权利要求1所述的进给系统热态特性测试装置，其特征在于，第一角接触球轴承[16b]、第二角接触球轴承[16c]、第三角接触球轴承[6b]、第四角接触球轴承[6d]的轴承内圈尺寸可调节范围均为30-50mm。

3.根据权利要求1所述的进给系统热态特性测试装置，其特征在于，轴向预拉伸装置[15]施加轴向力的范围为100N-12000N。

4. 根据权利要求1所述的进给系统热态特性测试装置，其特征在于，伺服电机[2]的转速范围为0-3000r/min。

5.根据权利要求1所述的进给系统热态特性测试装置，其特征在于，接触式热电阻传感器[22]的精度为0.1℃，非接触式红外测温仪[23]的精度为0.1℃，色散共焦位移计[17]的精度为0.01um。