CN106017915A - 一种能精确预紧和加载的滚珠丝杠副精度保持性试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种滚珠丝杠副精度保持性试验装置，其包括以下内容：直线进给系统包括底座，在底座的两端设置有支架，在其中一支架上设置有伺服电机，伺服电机与滚珠丝杠连接；在底座两侧分别紧固连接有导轨,两导轨上滑动连接有工作台；在滚珠丝杠上套置有丝杠螺母，丝杠螺母通过丝杠螺母座与工作台紧固连接；负载力模拟系统包括固定在底座上的直线电机平台机构，直线电机平台机构的滑动平台与导轨滑动连接；在滑动平台和工作台之间设置有拉压力传感器；预紧力调节系统包括顺次套置在滚珠丝杠上的丝杠螺母、套筒、压力传感器、支撑环和固定环；在支撑环和固定环之间设置有压电陶瓷致动器。本发明通过压电陶瓷致动器的伸缩量来精确控制丝杠螺母预紧力大小，从而保证在滚珠丝杠副运行过程中预紧力的衰减能够自动补偿。

Description

一种能精确预紧和加载的滚珠丝杠副精度保持性试验装置

技术领域

本发明涉及一种测试装置，特别是关于一种能精确预紧和加载的滚珠丝杠副精度保持性试验装置。

背景技术

滚珠丝杠副具有定位精度高、传动效率高、可靠性好、使用寿命长等优点，在机电设备领域得到了广泛应用，是数控机床传动系统极其重要的部分。近几年来国内滚珠丝杠副产品性能提升巨大。但是在滚珠丝杠副高端产品中，同国际先进水平仍然有着较大的差距，其中一个最重要的原因就是滚珠丝杠副的可靠性和精度保持性的技术相对落后。滚珠丝杠副的精度保持性问题直接影响到其配置载体的数控机床的寿命与性能的优劣，严重制约了我国高端数控机床产品自主研发的进程。

数控机床的可靠性及其功能部件的可靠性和精度保持性试验技术是国家制造业重点关注内容。滚珠丝杠副的结构较为复杂，其运行速度、受力情况、润滑状态、环境温度和湿度等均会对滚珠丝杠副磨损速度、尺寸稳定性造成影响，从而导致其精度的衰退。其中，磨损是影响滚珠丝杠副精度保持性的主要因素。滚珠与丝杠以及滚珠与螺母之间的磨损与滚珠丝杠副所承受的负载力以及螺母预紧力有直接的关系，在实际工况中，数控机床切削过程中滚珠丝杠副承受较为复杂的高频交变负载力，这就要求滚珠丝杠副精度保持性试验台能够在滚珠丝杠副运动过程中，特别是运动较为复杂的情况下能够很好模拟实际工况的高频变化的负载力，所以需要实时控制加载机构能够产生高频交变或者其他形式的负载力；同样在研究滚珠丝杠副精度保持性与预紧力的关系时，需要精确调整滚珠丝杠副的预紧力的大小，而一般的双螺母预紧是通过在两个螺母之间加入垫片来实现的，预紧力会随着运行时间发生衰减，不能补偿；现有的一些方法通过旋紧螺母压缩弹簧的方式来实现补偿预紧力的改变，但是这种方法在旋紧螺母时必须停止滚珠丝杠的运行，只能实现一段时间内螺母预紧力的不变，不能保证螺母预紧力的恒定不变。变化的预紧力一方面在研究一些因素如负载力与滚珠丝杠精度保持性的关系时会成为一种额外变化量的干扰，另一方面这种非线性时变的预紧力使得滚珠丝杠与预紧力之间的关系更加难以探究。因此滚珠丝杠副精度保持性试验装置一方面需要精确控制丝杠螺母预紧力的大小，另一方面需要保证能够实时补偿滚珠丝杠副在运行过程中预紧力的衰减，即要求滚珠丝杠副的预紧力是实时可控的。

若滚珠丝杠副精度保持性试验对理论研究和实际企业应用具有指导意义，那么试验装置一方面能够高度模拟出滚珠丝杠副在实际工况中所受到的交变负载，另一方面能够满足控制丝杠螺母预紧力的大小并且使其不随运行发生衰减，从而为滚珠丝杠副精度保持性技术提供更有意义的数据，提升机床企业对滚珠丝杠副精度保持性的测试能力，而现有的试验装置尚未能够满足上述滚珠丝杠精度保持性试验所需的要求。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能精确预紧和加载的滚珠丝杠副精度保持性试验装置。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种能精确预紧和加载的滚珠丝杠副精度保持性试验装置，其特征在于：它包括直线进给系统、负载力模拟系统和预紧力调节系统；所述直线进给系统包括底座，在所述底座的两端分别相对地紧固连接有支架，在其中一所述支架上设置有伺服电机，所述伺服电机的输出轴与转动连接在两所述支架间的滚珠丝杠的一端紧固连接；在平行于所述滚珠丝杠轴线的所述底座两侧分别紧固连接有导轨,两所述导轨上滑动连接有工作台；在所述滚珠丝杠上套置有第一丝杠螺母，所述第一丝杠螺母通过丝杠螺母座与所述工作台紧固连接；所述负载力模拟系统包括固定在所述底座上的直线电机平台机构，所述直线电机平台机构的滑动平台与两所述导轨滑动连接；在所述滑动平台和所述工作台之间设置有用于测量模拟负载力的拉压力传感器；所述预紧力调节系统包括顺次套置在所述滚珠丝杠上的第二丝杠螺母、套筒、压力传感器、支撑环和固定环；所述第二丝杠螺母与所述套筒紧固连接，所述套筒与所述压力传感器紧固连接，所述压力传感器与所述支撑环紧固连接，所述固定环与所述第一丝杠螺母紧固连接；在所述支撑环和所述固定环之间设置有两分别平行布置在所述滚珠丝杠两侧补偿预紧力的压电陶瓷致动器。

还包括设置在所述底座上的测量系统，所述测量系统包括沿所述滚珠丝杠轴线方向紧固连接在底座一侧的光栅尺，在所述光栅尺上开设有滑槽，在所述滑槽中滑动连接有光栅尺读数头，所述光栅尺读数头通过固定板与所述工作台紧固连接，所述光栅尺读数头与所述控制系统电连接。

所述滑动平台上紧固连接有固定座，所述工作台上紧固连接有与固定座相对的加载座；在所述固定座中沿所述滚珠丝杠的轴线方向插置至少一个贯穿所述固定座的导向轴，所述导向轴的一端与所述加载座紧固连接，另一端伸出所述固定座；所述拉压力传感器紧固连接在所述固定座和所述加载座之间。

在所述滚珠丝杠上套置一与所述第二丝杠螺母紧固连接的支板，所述支板的底部与所述导向轴滑动连接。

还包括控制系统，所述控制系统包括与所述伺服电机电连接的伺服电机驱动器和编码器；与所述直线电机平台机构电连接的直线电机驱动器；与所述压电陶瓷致动器电连接的压电陶瓷控制器；与所述伺服电机驱动器、所述直线电机驱动器以及压电陶瓷控制器电连接的运动控制卡；与所述编码器、所述光栅尺读数头，所述压力传感器和所述拉压力传感器电连接的数据采集系统。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于在底座的支架上设置有伺服电机，伺服电机的输出轴与滚珠丝杠紧固连接，在滚珠丝杠上套置有第一丝杠螺母，第一丝杠螺母与工作台紧固连接，工作台通过固定板与光栅尺读数头紧固连接，因此在光栅尺读数头随着第一丝杠螺母和工作台一同移动时，可测得工作台的实际位移，同时根据伺服电机的转轴转过的角度，可测得滚珠丝杠在运行过程中的精度损失量。2、本发明由于在底座上设置有直线电机平台机构，直线电机平台机构的滑动平台通过拉压力传感器与工作台紧固连接，因此直线电机平台机构对工作台施加的负载力只通过拉压力传感器传递，保证了拉压力传感器测量直线电机平台机构施加给工作台的模拟负载力的准确性，同时，利用直线电机平台机构优异的动态性能，很好地模拟了实际工况中数控机床切削等过程中滚珠丝杠运动中承受高频交变的复杂载荷，保证了精度保持性试验装置提供的载荷与实际工况的高度吻合，并且能够对模拟负载力的大小进行实时测量，保证了加载精度。3、本发明由于在滚珠丝杠上顺次套置有支板、第二丝杠螺母、套筒、压力传感器、支撑环和固定环，在支撑环和固定环之间设置有两分别平行布置在滚珠丝杠上下两侧的压电陶瓷致动器，因此压力传感器可以检测第一丝杠螺母和第二丝杠螺母之间的预紧力，并通过压电陶瓷致动器的伸缩量来精确控制丝杠螺母预紧力大小，从而保证在滚珠丝杠副运行过程中预紧力的衰减能够自动补偿，不需要操作人员实时监测且自动化程度高，节省人力。4、本发明由于在底座的顶部两端分别相对地紧固连接有支架，在两支架间转动连接滚珠丝杠，因此在针对多根滚珠丝杠副进行精度保持性实验的情况下更换滚珠丝杠操作简单，具有很高的灵活性。5、本发明的测量系统和控制系统均设置在底座上，因此在更换滚珠丝杠时其他装置安装位置不会发生变化，尽可能地保证了本装置对每个待检测的滚珠丝杠的一致性。

附图说明

图1是本发明装置的整体结构示意图；

图2是本发明的负载力模拟系统的结构示意图；

图3是本发明的预紧力调节系统的结构分解示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明由直线进给系统1、负载力模拟系统2、预紧力调节系统3、测量系统4和控制系统五部分组成。

直线进给系统1包括底座11，在底座11的顶部两端分别相对地紧固连接有支架12，在其中一个支架12上设置有伺服电机13，伺服电机13的输出轴通过联轴器14与转动连接在两支架12间的滚珠丝杠15的一端紧固连接，用于驱动滚珠丝杠15的旋转运动。在底座11顶部平行于滚珠丝杠15轴线的两侧分别紧固连接有导轨16,两导轨16上共同滑动连接一工作台17。在滚珠丝杠15上套置有第一丝杠螺母18，第一丝杠螺母18通过丝杠螺母座19与工作台17的顶部紧固连接，用于在滚珠丝杠15转动时，第一丝杠螺母18可带动工作台17一同沿滚珠丝杠15的轴线方向移动。

如图1、图2所示，负载力模拟系统2包括固定在底座11上的直线电机平台机构21，直线电机平台机构21的滑动平台22与两导轨16滑动连接且位于工作台17远离伺服电机13的一侧。滑动平台22上紧固连接有固定座23，工作台17上紧固连接有与固定座23相对的加载座24。在固定座23中沿滚珠丝杠15的轴线方向插置至少一个贯穿固定座23的导向轴25，导向轴25的一端与加载座24紧固连接，另一端伸出固定座23。在固定座23和加载座24之间还紧固连接有拉压力传感器26，用于测量直线电机平台机构21施加给工作台17的模拟负载力。导向轴25用于保证拉压力传感器26在工作时不承受除滑动平台22轴线方向以外的其他偏载力，起到导向作用。

如图3所示，预紧力调节系统3包括顺次套置在滚珠丝杠15上的支板31、第二丝杠螺母32、套筒33、压力传感器34、支撑环35和固定环36。其中，支板31底部与导向轴25滑动连接，第二丝杠螺母32一端与支板31紧固连接，另一端与套筒33的一端紧固连接。套筒33的另一端与压力传感器34的一端紧固连接，压力传感器34的另一端与支撑环35的一端紧固连接，固定环36的一端与第一丝杠螺母18紧固连接，在支撑环35和固定环36之间设置有两分别平行布置在滚珠丝杠15上下两侧的压电陶瓷致动器37，压电陶瓷致动器37用于增加自身伸长量进而补偿滚珠丝杠15逐渐衰减的预紧力。

测量系统4包括沿滚珠丝杠轴线方向紧固连接在底座11一侧的光栅尺41，在光栅尺41上开设有滑槽42，在滑槽42中滑动连接有光栅尺读数头43，光栅尺读数头43通过固定板44与工作台17紧固连接，用于实时测量工作台17的位移量。

控制系统分别与压电陶瓷致动器37、光栅尺读数头43、伺服电机13、压力传感器34和拉压力传感器26电连接。

上述实施例中，在滚珠丝杠15上的第一丝杠螺母18的法兰盘与第二丝杠螺母32的法兰盘面对面安装。

上述实施例中，控制系统包括与伺服电机13电连接的伺服电机驱动器和编码器，与直线电机平台机构21电连接的直线电机驱动器，与压电陶瓷致动器37电连接的压电陶瓷控制器，与伺服电机驱动器、直线电机驱动器以及压电陶瓷控制器电连接的运动控制卡，与编码器、光栅尺读数头43，压力传感器34和拉压力传感器26电连接的数据采集系统。

本发明在工作时，通过控制系统启动伺服电机13，随着伺服电机13的输出轴驱动滚珠丝杠15的旋转，第一丝杠螺母18带动工作台17和光栅尺读数头43一同移动，随着光栅尺读数头43在光栅尺41的滑槽42中的移动即可测得工作台17的实际位移，同时根据伺服电机13的编码器读取伺服电机13的转轴转过的角度，即可求出滚珠丝杠15在运行过程中的精度损失量。

当需要施加负载力进行试验时，通过控制系统启动直线电机平台机构21，此时直线电机平台机构21采取力主动输入控制，位置被动跟随的控制方式，其控制回路的内环为速度负反馈，外环为力负反馈，电流环为伺服驱动器自带。滑动平台22通过拉压力传感器26向工作台17传递负载力，由于导向轴25只起到导向作用不承受载荷，因此直线电机平台机构21对工作台17施加的负载力只通过拉压力传感器26传递，保证了拉压力传感器26测量直线电机平台机构21施加给工作台17的模拟负载力的准确性，实现了模拟交变或恒定负载力的加载。同时，利用直线电机平台机构21优异的动态性能，在滚珠丝杠15的运行过程中可以精确控制施加不同大小，变化形式的载荷，并且通过能够拉压力传感器26实时检测。

当滚珠丝杠15在运行过程中，第一丝杠螺母18和第二丝杠螺母32随着工作台17和滑动平台22同向运动且运动位移量时刻相同，而随着试验的进行第一丝杠螺母18和第二丝杠螺母32之间的预紧力会逐渐衰减，此时通过控制系统控制量压电陶瓷致动器37产生相同长度的伸长量，进而增加第一丝杠螺母18和第二丝杠螺母32之间的预紧力，使第二丝杠螺母32带动支板31在导向轴25上微量滑动，进而相对于第一丝杠螺母18发生微量位移。此时在压电陶瓷致动器37的作用下，压力传感器34可实时测量第一丝杠螺母18和第二丝杠螺母32之间的预紧力作为压电陶瓷致动器37的反馈信号，形成一个力闭环的控制系统，即能够对预紧力的大小进行精确的调节，又可以保证装置在运行过程中第一丝杠螺母18和第二丝杠螺母32之间的预紧力的衰减能够实时补偿，能够在装置运行的过程中实时调控，操作十分简单。

其中，支撑环35可采用65M弹簧钢制成，使压电陶瓷致动器37产生的位移不会引起第一丝杠螺母18和第二丝杠螺母32之间预紧力的急剧增加。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (5)

1.一种能精确预紧和加载的滚珠丝杠副精度保持性试验装置，其特征在于：它包括直线进给系统、负载力模拟系统和预紧力调节系统；

所述直线进给系统包括底座，在所述底座的两端分别相对地紧固连接有支架，在其中一所述支架上设置有伺服电机，所述伺服电机的输出轴与转动连接在两所述支架间的滚珠丝杠的一端紧固连接；在平行于所述滚珠丝杠轴线的所述底座两侧分别紧固连接有导轨,两所述导轨上滑动连接有工作台；在所述滚珠丝杠上套置有第一丝杠螺母，所述第一丝杠螺母通过丝杠螺母座与所述工作台紧固连接；

所述负载力模拟系统包括固定在所述底座上的直线电机平台机构，所述直线电机平台机构的滑动平台与两所述导轨滑动连接；在所述滑动平台和所述工作台之间设置有用于测量模拟负载力的拉压力传感器；

所述预紧力调节系统包括顺次套置在所述滚珠丝杠上的第二丝杠螺母、套筒、压力传感器、支撑环和固定环；所述第二丝杠螺母与所述套筒紧固连接，所述套筒与所述压力传感器紧固连接，所述压力传感器与所述支撑环紧固连接，所述固定环与所述第一丝杠螺母紧固连接；在所述支撑环和所述固定环之间设置有两分别平行布置在所述滚珠丝杠两侧补偿预紧力的压电陶瓷致动器。

2.如权利要求1所述的一种能精确预紧和加载的滚珠丝杠副精度保持性试验装置，其特征在于：还包括设置在所述底座上的测量系统，所述测量系统包括沿所述滚珠丝杠轴线方向紧固连接在底座一侧的光栅尺，在所述光栅尺上开设有滑槽，在所述滑槽中滑动连接有光栅尺读数头，所述光栅尺读数头通过固定板与所述工作台紧固连接，所述光栅尺读数头与所述控制系统电连接。

3.如权利要求1所述的一种能精确预紧和加载的滚珠丝杠副精度保持性试验装置，其特征在于：所述滑动平台上紧固连接有固定座，所述工作台上紧固连接有与固定座相对的加载座；在所述固定座中沿所述滚珠丝杠的轴线方向插置至少一个贯穿所述固定座的导向轴，所述导向轴的一端与所述加载座紧固连接，另一端伸出所述固定座；所述拉压力传感器紧固连接在所述固定座和所述加载座之间。

4.如权利要求3所述的一种能精确预紧和加载的滚珠丝杠副精度保持性试验装置，其特征在于：在所述滚珠丝杠上套置一与所述第二丝杠螺母紧固连接的支板，所述支板的底部与所述导向轴滑动连接。

5.如权利要求2所述的一种能精确预紧和加载的滚珠丝杠副精度保持性试验装置，其特征在于：还包括控制系统，所述控制系统包括与所述伺服电机电连接的伺服电机驱动器和编码器；与所述直线电机平台机构电连接的直线电机驱动器；与所述压电陶瓷致动器电连接的压电陶瓷控制器；与所述伺服电机驱动器、所述直线电机驱动器以及压电陶瓷控制器电连接的运动控制卡；与所述编码器、所述光栅尺读数头，所述压力传感器和所述拉压力传感器电连接的数据采集系统。