CN107202692A - 一种滚珠丝杠副轴向静刚度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种滚珠丝杠副轴向静刚度测量装置及方法，本发明采用固定被测螺母，对被测丝杠施加力的加载测试方式，使用压力传感器对轴向力进行检测和采集，使用位移传感器分别对螺母和丝杠的位移进行检测和采集，通过对螺母轴向位移和丝杠旋转位移的补偿，即可绘制出被测滚珠丝杠副轴向静刚度曲线，从而实现被测滚珠丝杠副轴向静刚度的测量，与现有技术相比，本发明具有低成本、高精度、结构简单可靠、操作方便快捷等优点。

Description

一种滚珠丝杠副轴向静刚度测量装置及方法

技术领域

本发明涉及技术测量领域，尤其是涉及一种滚珠丝杠副轴向静刚度测量装置及方法。

背景技术

滚珠丝杠副是由丝杠、滚珠、螺母等组成的机械元件，因其传动效率高，传动精度高，结构紧凑，可实现微量及高速进给而广泛使用在精密数控机床中。但由于制造误差，装配误差以及丝杠和滚珠，滚珠和螺母之间的接触作用，滚珠丝杠副结合部丝杠和螺母之间存在一定的柔性。在机床运行过程中，尤其是在高速、高加速的进给系统运动过程中，滚珠丝杠副在惯性力、切削力以及摩擦力作用下产生微小变形，很大程度上影响了进给系统的动态特性和定位性能，甚至会导致进给系统产生振动，损坏进给系统部件。因此滚珠丝杠副轴向静刚度的测量和标定对数控机床加工精度控制和优化具有重大意义。

滚珠丝杠副轴向静刚度表示滚珠丝杠抵抗轴向变形的能力，它定义为在轴向力作用下发生单位轴向变形(Δl＝1um)所需要的轴向力(ΔF，单位：N)。国内现有对滚珠丝杠副轴向刚度的测试方案主要存在以下问题：

(1)加载系统一般采用液压油缸或者由伺服电机拖动，加载机构复杂，组建成本高；

(2)没有修正加载过程中螺母位移及丝杠位移的系统误差，测量结果存在较大误差。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种低成本、高精度、结构简单可靠、操作方便快捷的滚珠丝杠副轴向静刚度测量系统及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种滚珠丝杠副轴向静刚度测量装置，该装置包括：

支撑组件：包括基座以及设置在基座上的第一支撑块，所述的基座上从左至右依次开设三个深槽，所述第一支撑块固定在左侧深槽内；

测量数据处理组件：包括力传感器、位移传感器、数据采集卡和计算机，所述的力传感器、位移传感器通过数据采集卡与计算机连接，所述的位移传感器设置在第三支撑块后侧面以及被测丝杠的末端上方；

加载组件：包括第二支撑块、防转板、第一加载螺母、第二加载螺母和加载滚珠，所述的第二支撑块安装在中部深槽中，且能在中部深槽中滑动调整，所述的第一支撑块依次通过第一加载螺母、力传感器、第二加载螺母和加载滚珠与被测丝杠的头端连接，所述被测丝杠的头端穿过第二支撑块上的通孔，并且开设有一与加载滚珠匹配的锥形孔，所述的防转板固定在第二支撑块上，并且嵌入被测丝杠轴肩处的平面内以防止转动；

固定组件：包括固定在右部深槽内的第三支撑块，所述的被测丝杠的末端穿过第三支撑块上的通孔，被测螺母通过螺栓固定在第三支撑块上。

所述的第一支撑块和第三支撑块的一侧端面开有矩形沉孔，另一侧端面与深槽内表面紧靠，并通过部分嵌入矩形沉孔的压块限制轴向翻转，所述的第二支撑块左右两侧面各开设一个矩形沉孔，并通过部分嵌入第二支撑块矩形沉孔的一对压块限制左右翻转。

所述的位移传感器包括第一位移传感器、第二位移传感器和第三位移传感器，所述的第一位移传感器和第二位移传感器按高低位置依次安装在第三支撑块后侧端面丝杠的正上方，所述的第三位移传感器安装在被测丝杠末端面中心点正上方。

一种滚珠丝杠副轴向静刚度测量方法，包括以下步骤：

1)在测量装置上安装被测丝杠在连接力传感器、位移传感器、数据采集卡和计算机后对被测丝杠的头端施加轴向压力；

2)根据力传感器和位移传感器测得的数据，分别获取待测螺母轴向位移D₂和被测丝杠的旋转半径h及旋转角度α；

3)对被测螺母在轴向载荷作用下的位移以及被测丝杠轴的翻转位移进行修正，并计算被测丝杠的轴向静刚度。

所述的步骤2)中，第三支撑块和被测丝杠的旋转半径h和旋转角度α的计算式为：

其中，m₀、m₁…m_i分别为第一位移传感器依次测得的第一位移传感器到第三支撑块后侧面的距离，n₀、n₁…n_i为第二位移传感器依次测得的第二位移传感器到第三支撑块后侧面的距离，h₁为第一位移传感器到第二传感器的垂直距离，h₂为第二传感器到丝杠中心线的垂直距离。

所述的步骤3)中，被测丝杠的轴向静刚度的计算式为：

δ＝(S_r-S_t)·cosα＝(D₃-D₂+l₂)·cosα+(r+h)·sinα-l₂

其中，s_r、S_t分别为在O₁坐标系中分别与第三位移传感器测量点同一高度位置上的点到被测丝杠初始末端位置的距离，r为被测丝杠翻转前第三位移传感器测量点到被测丝杠中心线的距离，l₂为第三支撑块后侧面到丝杠末端的距离，F为由加载螺母施加的轴向载荷，D₃为第三位移传感器测得的丝杠末端位移，D₂为待测螺母的轴向位移。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)采用旋转加载螺母的方式加载，避免了加载油缸、加载电机等使用操作复杂，可靠性差，组建成本高等缺点，整体结构简单可靠，成本较低，操作方便；

2)综合考虑了测量台架在加载过程中螺母的轴向位移以及丝杠轴的翻转位移对轴向静刚度测量带来的影响并对其进行修正，测量结果更加准确可靠。

附图说明

图1为本发明滚珠丝杠副轴向静刚度测量装置的结构组成和连接组装示意图；

图2为本发明测量装置加载组件结构示意图；

图3为本发明被测丝杠旋转半径变化和旋转角度变化原理图；

图4为本发明螺母位移及丝杠翻转位移补偿原理图。

图中标记说明：1、调整块，2、第一支撑块，3、压块，4、力传感器，5、防转板，6、第二支撑块，7、被测丝杠，8、被测螺母，9、第三支撑块，10、第一位移传感器，11、第二位移传感器，12、第三位移传感器，13、基座，14、数据采集卡，15、计算机，16、第二加载螺母，17、加载滚珠。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

本发明采用固定被测螺母，对被测丝杠施加力的加载测试方式，使用压力传感器对轴向力进行检测和采集，使用位移传感器分别对螺母轴向位移和丝杠旋转位移进行检测和采集，通过对螺母轴向位移和丝杠旋转位移的补偿，即可绘制出被测滚珠丝杠副轴向静刚度曲线，从而实现被测滚珠丝杠副轴向静刚度的测量。

结合图1、图2，一种滚珠丝杠副轴向静刚度测量方法，包括由支撑组件、加载组件、固定组件和测量数据处理组件组成的测量装置和包含固定组件位移测量、丝杠位移测量和误差补偿算法组成的丝杠螺母副轴向接触变形测量方法。

所述的支撑组件包括基座13和第一支撑块2；加载组件包括第二支撑块6、防转板5、第一加载螺母、第二加载螺母16、加载滚珠17和被测丝杠7；固定组件包括第三支撑块9、被测螺母8、调整块1和压块3。

如图1所示，基座13上开有三个深槽，第一支撑块2、第二支撑块6、第三支撑块9依次被分别安装在深槽内，其中第一支撑块2和第三支撑块9各有一侧端面开有矩形沉孔并分别用另一侧端面紧靠基座13两端深槽轴向外侧安装，由部分嵌入第一支撑块2和第三支撑块9端面矩形沉孔的压块3限制翻转；第二支撑块6被安装在基座13中间深槽内，可以沿槽进行轴向前后移动调整，在第二支撑块6左右两侧面各开有一个矩形沉孔，由深槽限制其左右移动，并由部分嵌入第二支撑块6矩形沉孔的一对压块3限制其左右翻转。

如图2所示，在被测丝杠7一端加工出一个锥形孔，力传感器4一端通过第一加载螺母安装到第一支撑块2上，另一端依次通过第二加载螺母16、加载钢珠17和被测丝杠7构成加载系统，通过旋转第二加载螺母16即可加载或卸载。

结合图1，被测螺母8通过螺栓安装在第三支撑块9上，在被测丝杠7一端靠近轴肩处加工出一个平面，被测丝杠7穿过第二支撑块6上的通孔由防转板5顶死该小平面而限制其转动；

测量数据处理组件由第一位移传感器10、第二位移传感器11、第三位移传感器12和力传感器4，数据采集卡14和计算机15组成。

结合图1，第一位移传感器10和第二位移传感器11以某一距离依次按上下位置安装到第三支撑块9后侧端面丝杠正上方，用于测量第三支撑块9旋转位移；第三位移传感器12以某一固定距离安装到被测丝杠7末端面中心点正上方，用于测量被测丝杠轴向位移；

结合图1、图2，力传感器4左端通过第一加载螺母和第一支撑块2连接，力传感器4右端通过第二加载螺母16和加载滚珠17、被测丝杠7相连，用于实现轴向载荷的加载和卸载；

结合图1，数据采集卡14一端通过屏蔽线分别和位移传感器及力传感器4相连，另一端通过接口和计算机15相连，调用建立在计算机15上的数据采集软件就可以编辑各项数据采集参数，开始或停止各传感器数据的采集；

固定组件位移测量包括第三支撑块9旋转位移测量以及确定丝杠旋转半径和旋转角度随轴向载荷变化曲线。

结合图1和图3，在第三支撑块9后侧面以某一距离h₁在被测丝杠7正上方按上下位置安装第一位移传感器10(S1)、第二位移传感器11(S₂)就可以实现第三支撑块9旋转位移的测量；

结合图1和图3，假设第三支撑块为刚体，在轴向载荷作用下没有弹性变形，则第三支撑块9和被测丝杠7旋转半径h和旋转角度α可以表示为：

分别对h-F测量点集和α-F测量点集进行拟合，得到第三支撑块水平位移和旋转位移随载荷的近似变化曲线。

其中：

α、h分别为第三支撑块连同丝杠轴绕Z轴旋转的旋转角度和旋转半径；

m₀、m₁…m_i分别为位移传感器S₁依次测得的到第三支撑块后侧面的距离；

n₀、n₁…n_i为位移传感器S₂依次测得的到第三支撑块后侧面的距离；

h₁、h₂分别为位移传感器S₁到S₂和S₂到丝杠中心线的垂直距离；

F为由加载螺母施加的轴向载荷。

丝杠位移测量包括被测丝杠7末端轴向位移测量以及螺母5轴向位移的测量。

结合图1和图4，由于被测丝杠7末端存有工艺中心孔，为了不影响实验数据，在被测丝杠7末端面中心点正上方以距离r安装位移传感器S₃，结合位移传感器S₁和位移传感器S₂对被测螺母8轴向位移的测量，设位移传感器S₃测得的丝杠末端位移和位移传感器S₁、位移传感器S₂测得的螺母轴向位移分别为D₃和D₂，则经过螺母轴向位移补偿后的丝杠当量轴向位移S_r为：

S_r＝D₃-D₂

同时S_r也为O₁坐标系中与S₃点同一高度上P₂位置上的点到丝杠初始末端位置的距离；

误差补偿算法即为第三支撑块9旋转位移和被测螺母8轴向位移对被测丝杠7轴向位移的补偿：

结合图4，点S₃在O₂坐标系下的坐标可以看做由在O₁坐标系下的坐标平移得到，得O₁到I₂的坐标变换矩阵[T₁₂]：

S₃点在O₃坐标系下的坐标可以看成由点S₃在O₁坐标系下的坐标旋转变换得到，得O₁到O₃的坐标变换矩阵[T₁₃]：

可得S₃点在O₃坐标系下的坐标：

S₃点在O₄坐标系下的坐标可以看成由O₃坐标系下的坐标平移得到，点S₃到丝杠翻转但滚珠未受挤压变形丝杠末端面理论位置P₁的距离d即为S点在O₄坐标系下的X坐标值，由齐次坐标变换：

d＝(l₂+m)·cosα+(r+h)·sinα-l₂

由几何关系：

由几何关系，得丝杠仅因滚珠受挤压变形而产生的轴向位移δ为：

δ＝(S_r-S_t)·cosα

＝(D₃-D₂+l₂)·cosα+(r+h)·sinα-l₂

则被测丝杠轴向接触刚度

其中：

O₁、O₂分别为丝杠翻转前旋转中心点和丝杠末端中心点；

O₃、O₄分别为丝杠翻转后旋转中心点(与O₁重合)和丝杠翻转滚珠未受挤压变形丝杠末端中心点；

l₁、l₂分别为螺母到第三支撑块后侧面和第三支撑块后侧面到丝杠末端的距离；

P₁、P₂分别为丝杠翻转、位移但滚珠未受挤压变形丝杠末端理论位置和丝杠翻转、位移及滚珠变形理论位置；

S_r、S_t分别为在O₁坐标系中分别与S₃点同一高度上P₂、P₁位置上的点到丝杠初始末端位置的距离；

m为被测丝杠变形前测量点S₃测得的到丝杠末端面的距离；

r为丝杠翻转前测量点S₃到丝杠中心线的距离。

Claims (6)

1.一种滚珠丝杠副轴向静刚度测量装置，其特征在于，该装置包括：

支撑组件：包括基座(13)以及设置在基座(13)上的第一支撑块(2)，所述的基座(13)上从左至右依次开设三个深槽，所述第一支撑块(2)固定在左侧深槽内；

测量数据处理组件：包括力传感器(4)、位移传感器、数据采集卡(14)和计算机(15)，所述的力传感器(4)、位移传感器通过数据采集卡(14)与计算机(15)连接，所述的位移传感器设置在第三支撑块(9)后侧面以及被测丝杠(7)的末端上方；

加载组件：包括第二支撑块(6)、防转板(5)、第一加载螺母、第二加载螺母(16)和加载滚珠(17)，所述的第二支撑块(6)安装在中部深槽中，且能在中部深槽中滑动调整，所述的第一支撑块(2)依次通过第一加载螺母、力传感器(4)、第二加载螺母(16)和加载滚珠(17)与被测丝杠(7)的头端连接，所述被测丝杠(7)的头端穿过第二支撑块(6)上的通孔，并且开设有一与加载滚珠(17)匹配的锥形孔，所述的防转板(5)固定在第二支撑块(6)上，并且嵌入被测丝杠(7)轴肩处的平面内以防止转动；

固定组件：包括固定在右部深槽内的第三支撑块(9)，所述的被测丝杠(7)的末端穿过第三支撑块(9)上的通孔，被测螺母(8)通过螺栓固定在第三支撑块(9)上。

2.根据权利要求1所述的一种滚珠丝杠副轴向静刚度测量装置，其特征在于，所述的第一支撑块(2)和第三支撑块(9)的一侧端面开有矩形沉孔，另一侧端面与深槽内表面紧靠，并通过部分嵌入矩形沉孔的压块(3)限制轴向翻转，所述的第二支撑块(6)左右两侧面各开设一个矩形沉孔，并通过部分嵌入第二支撑块(6)矩形沉孔的一对压块(3)限制左右翻转。

3.根据权利要求1所述的一种滚珠丝杠副轴向静刚度测量装置，其特征在于，所述的位移传感器包括第一位移传感器(10)、第二位移传感器(11)和第三位移传感器(12)，所述的第一位移传感器(10)和第二位移传感器(11)按高低位置依次安装在第三支撑块(9)后侧端面丝杠的正上方，所述的第三位移传感器(12)安装在被测丝杠(7)末端面中心点正上方。

4.一种应用如权利要求1-3任一项所述的滚珠丝杠副轴向静刚度测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在测量装置上安装被测丝杠在连接力传感器、位移传感器、数据采集卡和计算机后对被测丝杠的头端施加轴向压力；

2)根据力传感器和位移传感器测得的数据，分别获取待测螺母轴向位移D₂和被测丝杠的旋转半径h及旋转角度α；

3)对被测螺母在轴向载荷作用下的位移以及被测丝杠轴的翻转位移进行修正，并计算被测丝杠的轴向静刚度。

5.根据权利要求4所述的一种滚珠丝杠副轴向静刚度测量方法，其特征在于，所述的步骤2)中，第三支撑块和被测丝杠的旋转半径h和旋转角度α的计算式为：

<mrow> <mi>h</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <msub> <mi>h</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>h</mi> <mn>2</mn> </msub> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <msub> <mi>n</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>n</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>h</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <msub> <mi>m</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>m</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <msub> <mi>m</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>m</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <msub> <mi>n</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>n</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> </mrow>

<mrow> <mi>&amp;alpha;</mi> <mo>=</mo> <mi>arctan</mi> <mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>m</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>m</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo> <mo>-</mo> <mo>(</mo> <msub> <mi>n</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>n</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <mi>h</mi> <mn>1</mn> </msub> </mfrac> </mrow>

其中，m₀、m₁…m_i分别为第一位移传感器依次测得的第一位移传感器到第三支撑块后侧面的距离，n₀、n₁…n_i为第二位移传感器依次测得的第二位移传感器到第三支撑块后侧面的距离，h₁为第一位移传感器到第二传感器的垂直距离，h₂为第二传感器到丝杠中心线的垂直距离。

6.根据权利要求4所述的一种滚珠丝杠副轴向静刚度测量方法，其特征在于，所述的步骤3)中，被测丝杠的轴向静刚度的计算式为：

<mrow> <mi>K</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>d</mi> <mi>F</mi> </mrow> <mrow> <mi>d</mi> <mi>&amp;delta;</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>

δ＝(S_r-S_t)·cosα＝(D₃-D₂+l₂)·cosα+(r+h)·sinα-l₂

其中，S_r、S_t分别为在O₁坐标系中分别与第三位移传感器测量点同一高度位置上的点到被测丝杠初始末端位置的距离，r为被测丝杠翻转前第三位移传感器测量点到被测丝杠中心线的距离，l₂为第三支撑块后侧面到丝杠末端的距离，F为由加载螺母施加的轴向载荷，D₃为第三位移传感器测得的丝杠末端位移，D₂为待测螺母的轴向位移。