CN106871857A - 一种滚珠丝杠弯曲挠度检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种滚珠丝杠弯曲挠度检测装置及方法，装置包括通过紧固螺栓和丝杠螺母相连的第一卡盘和第二卡盘，第一卡盘和第二卡盘均为分离式卡盘，第一卡盘上等间距的设置有四个位移传感器，分别为第一位移传感器、第二位移传感器、第三位移传感器和第四位移传感器；第一卡盘和第二卡盘中部相对应的设有用于连接滚珠丝杠的连接孔，第一卡盘上设有矩形齿槽，第二卡盘上设有与所述矩形齿槽相契合的矩形齿牙。本发明将第一卡盘、第二卡盘设计为分离式，便于安装；并通过位移传感器的布局，提高了对应变的灵敏度，从而通过计算方法计算出弯曲挠度，可实时评价出滚珠丝杠的弯曲挠度值，具有精度高，计算简单的优点，并且结果具有较高的可靠性。

Description

一种滚珠丝杠弯曲挠度检测装置及方法

技术领域

本发明涉及滚珠丝杠测试装置及方法，具体的说，是涉及机床滚珠丝杠弯曲挠度检测以及丝杠在空间中的弯曲程度检测的装置和方法。

背景技术

随着制造业的发展，人们对机床的精度要求越来越高。滚珠丝杠作为机床的传动部件，其传动精度直接影响机床工作台的精度。丝杠在制造、安装过程中存在误差，致使丝杠发生弯曲变形，实际轴线与理想轴线不重合。由于滚珠丝杠的特殊性，难以直接用精密的测量仪器去检测其工作过程中的挠度，因此，开发一种间接检测丝杠挠度变化的装置是非常有必要的。

参考文献：

[1]S.Frey·M.Walther·A.Verl.Periodicvariation of preloading in ballscrews.Machine Tool,DOI 10.1007/s11740-010-0207-8,2010.

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种滚珠丝杠弯曲挠度检测装置及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种滚珠丝杠弯曲挠度检测装置，包括通过紧固螺栓和丝杠螺母相连的第一卡盘和第二卡盘，所述的第一卡盘和第二卡盘均为分离式卡盘，所述第一卡盘上等间距的设置有四个位移传感器，分别为第一位移传感器、第二位移传感器、第三位移传感器和第四位移传感器；第一卡盘和第二卡盘中部相对应的设有用于连接滚珠丝杠的连接孔，所述第一卡盘上设有矩形齿槽，所述第二卡盘上设有与所述矩形齿槽相契合的矩形齿牙。

所述第一卡盘和第二卡盘的直径为100mm。

所述第一卡盘和第二卡盘分别由两个半圆盘相互嵌固构成。

检测装置的厚度为42mm。

所述位移传感器的精度为0.1微米。

所述丝杠螺母之间还设有连接螺钉。

一种滚珠丝杠弯曲挠度检测装置的检测方法，包括以下步骤：

(1)检测时，丝杠在运动过程中位移传感器会检测到丝杠螺母之间的位置变化，并将信号传递至采集器中；

(2)第一卡盘和第二卡盘之间的距离为L，在Z-Y方向上，通过第一位移传感器和第二位移传感器测量出第一位移传感器和第二位移传感器的距离变化值ΔL1和ΔL2:

式中CD即为所求的丝杠在Z方向的弯曲挠度ω_z；

同样，根据X-Y方向上第三位移传感器和第四位移传感器的距离变化值ΔL3和ΔL4计算出丝杠在X方向的弯曲挠度ω_x；

根据ω_z和ω_x进一步计算出丝杠的总弯曲挠度ω及其与X方向的夹角θ:

式中，r1为丝杠弯曲内圆距丝杠曲率中心的距离，A为丝杠长度局部长度L范围内丝杠弯曲的圆心角，L1为丝杠公称直径。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

由于滚珠丝杠工作方式的特殊性，工作过程中滚珠丝杠的弯曲挠度不方便直接测出，本发明在现有检测丝杠弯曲挠度装置的基础上，将第一卡盘、第二卡盘设计为分离式，便于安装；并通过位移传感器的布局，提高了对应变的灵敏度，从而通过计算方法计算出弯曲挠度，检测装置的软件系统通过对位移传感器的测量数据处理，可实时评价出滚珠丝杠的弯曲挠度值，具有精度高，计算简单的优点，并且结果具有较高的可靠性。

附图说明

图1a是本发明装置的三维结构示意图，图1b是本发明装置使用状态示意图。

图2a、2b和2c分别是具体实施例中第一卡盘的三维、二维及其侧视结构示意图。

图3a、3b和3c分别是具体实施例中第二卡盘的三维、二维及其侧视结构示意图。

图4是位移传感器的布置位置示意图。

图5a和图5b均是丝杠弯曲挠度计算示意图。

图6滚珠丝杠弯曲挠度检测流程图。

图7针对本发明实施例检测装置配套的软件系统界面图。

附图标记：1-第一卡盘，2-第二卡盘，3-位移传感器，4-矩形齿槽，5-矩形齿牙

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述：

如图1a和1b所示，一种滚珠丝杠弯曲挠度检测装置，包括第一卡盘1和第二卡盘2，第一卡盘1和第二卡盘2通过紧固螺栓与丝杠螺母副相连，第一卡盘1和第二卡盘2中部相对应的设有用于穿设滚珠丝杠的连接孔，第一卡盘1上设有矩形齿槽4，第二卡盘2上设有与矩形齿槽4相契合的矩形齿牙5，连接孔的周围等间距的环绕设置有四个位移传感器3，本实施例中检测装置外形尺寸为φ100mm×42mm，矩形齿槽4和矩形齿牙5想接合形成矩形爪盘，防止应力测试柱在丝杠进给过程中产生扭转变形。具体实施过程中丝杠螺母之间还设有连接螺钉，连接螺钉起到力的传递作用，其中矩形齿槽4和矩形齿牙5承受大部分的扭矩，

图2a是本实施例中第一卡盘的三维结构示意图，图2b和2c分别是其二维结构示意图和剖视结构示意图。

图3a是本实施例中第二卡盘的三维结构示意图，图3b和3c分别是其二维结构示意图和剖视结构示意图。

如图4所示，本实施例中第一卡盘1上均匀布置四个位移传感器3，分别为第一位移传感器、第二位移传感器、第三位移传感器和第四位移传感器。丝杠在运动过程中四个位移传感器会感受到两丝杠螺母之间的位置变化，将信号传递到采集其中，采集器读出传感器示数。本实施例中位移传感器3选用杰诺LM12-3004NA LM12-3004PA，其检测精度为0.1微米。当丝杠发生弯曲变形时四个位移传感器的示数会发生变化，根据传感器的示

如图5a和图5b所示，已知两卡盘之间的距离为L。在Z-Y截面内，通过第一位移传感器和第二位移传感器可以测量出位移传感器的距离变化值ΔL1和ΔL2。

式中CD即为所求的丝杠在z方向的弯曲挠度ω_z。

同样，根据X-Y方向上第三位移传感器和第四位移传感器的距离变化值ΔL3和ΔL4计算出X方向的弯曲挠度ω_x；

根据计算出的ω_z和ω_x可以进一步计算出丝杠的总弯曲挠度ω及其与X向的夹角θ。

根据图6滚珠丝杠弯曲挠度测试流程所示，需要开发一套完整的滚珠丝杠弯曲挠度检测装置软件系统必须能实现数据读入功能、方向选择功能、测试点筛选功能、弯曲变形量计算功能、弯曲图形绘制功能、弯曲量最大、最小值及弯曲度显示功能并且拥有良好的用户操作界面。

所以具体实施过程中开发出了一款符合上述要求的滚珠丝杠弯曲挠度测试系统软件，用户界面如图7所示。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种滚珠丝杠弯曲挠度检测装置，其特征在于，包括通过紧固螺栓和丝杠螺母相连的第一卡盘和第二卡盘，所述的第一卡盘和第二卡盘均为分离式卡盘；所述第一卡盘上等间距的设置有四个位移传感器，分别为第一位移传感器、第二位移传感器、第三位移传感器和第四位移传感器；第一卡盘和第二卡盘中部相对应的设有用于连接滚珠丝杠的连接孔，所述第一卡盘上设有矩形齿槽，所述第二卡盘上设有与所述矩形齿槽相契合的矩形齿牙。

2.根据权利要求1所述一种滚珠丝杠弯曲挠度检测装置，其特征在于，所述第一卡盘和第二卡盘的直径为100mm。

3.根据权利要求1或2所述一种滚珠丝杠弯曲挠度检测装置，其特征在于，所述第一卡盘和第二卡盘分别由两个半圆盘相互嵌固构成。

4.根据权利要求1所述一种滚珠丝杠弯曲挠度检测装置，其特征在于，检测装置的厚度为42mm。

5.根据权利要求1所述一种滚珠丝杠弯曲挠度检测装置，其特征在于，所述位移传感器的精度为0.1微米。

6.根据权利要求1所述一种滚珠丝杠弯曲挠度检测装置，其特征在于，所述丝杠螺母之间还设有连接螺钉。

7.根据权利要求1所述一种滚珠丝杠弯曲挠度检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)检测时，丝杠在运动过程中位移传感器会检测到丝杠螺母之间的位置变化，并将信号传递至采集器中；

(2)第一卡盘和第二卡盘之间的距离为L，在Z-Y方向内，通过第一位移传感器和第二位移传感器测量出第一位移传感器和第二位移传感器的距离变化值ΔL1和ΔL2:

$\frac{L+\mathrm{\Δ}L1}{r1+L1}=\frac{L-\mathrm{\Δ}L2}{r1}---\left(1\right)$

$r1=\frac{(L-\mathrm{\Δ}L2)L1}{\mathrm{\Δ}L1+\mathrm{\Δ}L2}---\left(2\right)$

$A=\frac{L-\mathrm{\Δ}L2}{r1}---\left(3\right)$

$BC=(r1+\frac{L1}{2})COS\left(\frac{A}{2}\right)---\left(4\right)$

$CD=(r1+\frac{L1}{2})(1-cos(\frac{A}{2}\left)\right)---\left(5\right)$

式中CD即为所求的丝杠在Z方向的弯曲挠度ω_z；

同样，根据X-Y方向上第三位移传感器和第四位移传感器的距离变化值ΔL3和ΔL4计算出丝杠在X方向的弯曲挠度ω_x；

根据ω_z和ω_x进一步计算出丝杠的总弯曲挠度ω及其与X方向的夹角θ:

$\mathrm{\ω}=\sqrt{{{\mathrm{\ω}}_z}^2+{{\mathrm{\ω}}_x}^2}---\left(6\right)$

$\mathrm{\θ}=\arctan \frac{{\mathrm{\ω}}_z}{{\mathrm{\ω}}_x}---\left(7\right)$

式中，r1为丝杠弯曲内圆距丝杠曲率中心的距离，A为丝杠长度局部长度L范围内丝杠弯曲的圆心角，L1为丝杠公称直径。