CN107515117B - 丝杠副传动效率精密测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了丝杠副传动效率精密测量装置及测量方法。本发明通过用于加载测量试件的工作台、用于获取测量试件数据的电气测量系统模拟丝杠副实际工况，将扭矩测量信号、拉压力测量信号输入计算机处理系统，依据一定的计算方法，自动计算出不同负载下的丝杠副传动效率，并绘制轴向载荷与传动效率的关系曲线。同时根据不同状况下的变化曲线，分析影响丝杠副传动效率的因素，探索提高滚珠丝杠副传动效率的措施。
Description
技术领域
本发明涉及丝杠测量领域，尤其是一种丝杠副传动效率精密测量装置及测量方法，属于丝杠副传动技术参数测量、试验及验证技术，它可以用于梯形丝杠副、滚珠丝杠副、行星丝杠副等螺纹传动件效率的测量。
背景技术
滚珠丝杠副因其高效率、高精度、低能耗等优点使得到广泛应用，滚珠丝杠副是数控机床的关键部件，其质量的优劣直接影响数控机床的整体性能。数控机床的先进水平，是衡量一个国家综合实力的重要标志，是国防工业的重要基础。滚珠丝杠副的发展固然与设计制造密切相关，但是先进的测试试验技术也是不可缺失的重要环节，目前国内滚动功能部件制造行业测试仪器配备不完善，有些项目的主要性能指标无法测试，使理论研究和生产实践均受到制约。为此研究丝杠副传动效率精密测量装置，以验证与提高滚珠丝杠副传动效率。
高效是滚珠丝杠副最突出的优点之一，不同结构的滚珠丝杠副其效率是有差别的。滚珠丝杠副效率实际能达到什么水平，国内至今还没有很好的测试手段。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提出了一种丝杠副传动效率精密测量装置及测量方法。滚珠丝杠副将旋转运动转变直线运动，精确测得丝杠副输入转矩、输出轴向力，即可求得丝杠副的传动效率。
本发明采用如下技术方案：
丝杠副传动效率精密测量装置，包括用于加载测量试件的工作台，用于获取测量试件数据的电气测量系统；所述工作台包括设置在床身上的伺服控制系统、模拟加载系统，所述伺服控制系统包括依次连接的传动轴、主轴、试件丝杠、测量工作台，所述试件丝杠固定在测量工作台上，所述传动轴通过主轴连接试件丝杠并带动测量工作台产生轴向位移；所述模拟加载系统包括依次连接的加载工作台、加载丝杠副，测量工作台与加载工作台相连，加载丝杠副对测量工作台施加规定的轴向载荷；所述电气测量系统包括电气操作台，设置在工作台上并与电气操作台连通的扭矩传感器、拉压传感器、温度传感器，扭矩传感器连接在传动轴和主轴之间用于输入转矩的测量，拉压传感器设在加载工作台上用于输出轴向力的测量，温度传感器用于测量工作台工作状态参数。
所述电气操作台包括计算机测量系统、拉压力测量仪表、温度巡检仪、加载控制器、扭矩测量仪表、伺服控制器。
所述传动轴通过驱动同步带轮连接有伺服电机，伺服电机上设有与所述伺服控制器连接的控制装置。
所述扭矩传感器一端通过第一联轴器与传动轴相连，另一端通过第二联轴器连接有主轴箱，主轴箱连接主轴。
所述主轴通过后轴承座固定在床身上，主轴通过丝杠端头夹具连接试件丝杠，所述试件丝杠通过试件螺母和试件螺母座固定在测量工作台上。
所述加载丝杠副一端连接加载工作台，一端通过前轴承座固定在床身上，加载丝杠副通过加载同步轮连接有磁粉制动器。
所述温度传感器包括伺服电机温度传感器、主轴温度传感器、试件丝杠温度传感器、加载丝杠副温度传感器、环境温度传感器。
丝杠副传动效率精密测量方法，所述测量方法包括如下步骤：
(1)电气操作台发出伺服驱动信号、加载控制信号，空载时，通过扭矩传感器测得的空载扭矩T1'；
(2)使试件丝杠在一定的负载状况下运动，扭矩传感器测得输入扭矩值T，拉压传感器测得输出的轴向力F、运动转度N，并改变负载状况多次测量；
(3)将步骤(1)和(2)测量的数值输入计算机，并根据设定的数据处理公式计算出丝杠副实际效率η；
(4)改变丝杠副的轴向负荷，模拟试件丝杠实际工况，重复步骤(2)和(3)精确的测量输入扭矩值T及轴向力F，绘制试件丝杠承受不同轴向载荷时的传动效率曲线。
所述步骤(3)包括如下步骤：
(3-1)根据测量输入扭矩值T、运动转度N，计算出驱动主轴及丝杠副所需要的功率，即输入总功率：
P1＝2π×T×N ①
(3-2)P1'为主轴支撑旋转产生的能量消耗，属于输入部分的外部耗能，装置空载时，通过扭矩传感器测得的空载扭矩T1'，可利用下列公式求得：
P1'＝2π×T1'×N ②
(3-3)根据装置实际结构，P2为驱动一定负载状况下的能量消耗，通过拉压传感器测得输出的轴向力F,可利用下列公式求得其输出功率：
P2＝F×V ③
(3-4)根据装置实际结构，P2"驱动测量工作台的能量消耗，属于输出部分耗能。其中F'为驱动测量工作台需要的轴向力，可以通过测力仪测得，可利用下列公式求公式求得：
P″2＝F′×V ④
(3-5)P2'丝杠副运转时克服其动态预紧转矩产生的耗能，属于内部损耗，相当于电源内阻产生的能耗。Tpa为滚珠丝杠副平均实际动态预紧转矩是已知的，因此P2'计算公式如下。
P'2＝2π×Tpa×N ⑤
(3-6)根据能量守恒定律，当输入功率一定时，输出功率越大，效率就越高；输出功率越小，效率就越低。输入功率与输出功率总关系如下：
P1＝P2'+P2+P2”+P1' ⑥
(3-7)丝杠副实际效率计算公式如下：
所述步骤(1)和步骤(2)在测量中还实时检测伺服电机温、主轴、试件丝杠、加载丝杠副、磁粉制动器各关键点的温度变化，用于测量装置性能状况的监控。
采用如上技术方案取得的有益技术效果为：
通过测量系统、伺服控制系统、加载系统及其机械结构模拟丝杠副实际工况，将扭矩测量信号、拉压力测量信号输入计算机处理系统，依据一定的计算方法，自动计算出不同负载下的丝杠副传动效率，并绘制轴向载荷与传动效率的关系曲线。同时根据不同状况下的变化曲线，分析影响丝杠副传动效率的因素，探索提高滚珠丝杠副传动效率的措施。
本发明能同时显示各关键点的温度变化，用于装置性能状况的监控，以便提高装置的可靠性。
附图说明
图1为丝杠副传动效率精密测量装置的测量控制系统框图；
图2为丝杠副传动效率精密测量装置的加在装置结构示意图；
图3为丝杠副传动效率精密测量装置结构示意图；
图4为伺服及扭矩传感器局部结构示意图；
图5为拉压传感器局部结构示意图；
图6为加载系统局部结构示意图。
图中：1、驱动同步带轮，2、传动轴，3、伺服电机，4、第一联轴器，5、扭矩传感器，6、第二联轴器，7、主轴箱，8、主轴温度传感器，9、主轴，10、后轴承座，11、丝杠端头夹具，12、试件螺母，13、试件螺母座，14、试件丝杠温度传感器，15、试件丝杠，16、测量工作台，17、拉压传感器，18、加载工作台，19、加载丝杠副温度传感器，20、床身，21、工作导轨，22、加载丝杠副，23、前轴承座，24、加载同步轮，25、磁粉制动器，26、电气操作台，27、计算机测量系统，28、拉压力测量仪表，29、温度巡检仪，30、加载控制器，31扭矩测量仪表，32、伺服控制器，33、电箱空调。
具体实施方式
结合附图1至6对本发明的具体实施方式做进一步说明：
丝杠副传动效率精密测量装置，通过滚珠丝杠副传动效率的测量，分析影响丝杠副传动效率的因素，探索提高滚珠丝杠副传动效率的措施。
丝杠副传动效率精密测量装置包括用于加载测量试件的工作台，用于获取测量试件数据的电气测量系统；所述工作台包括设置在床身20上的伺服控制系统、模拟加载系统，所述伺服控制系统包括依次连接的传动轴2、主轴9、试件丝杠15、测量工作台16，所述试件丝杠固定在测量工作台16上，所述传动轴通过主轴连接试件丝杠并带动测量工作台产生轴向位移；所述模拟加载系统包括依次连接的加载工作台18、加载丝杠副22，测量工作台与加载工作台相连，加载丝杠副对测量工作台施加规定的轴向载荷；所述电气测量系统包括电气操作台26，设置在工作台上并与电气操作台连通的扭矩传感器、拉压传感器、温度传感器，扭矩传感器连接在传动轴和主轴之间用于输入转矩的测量，拉压传感器17设在加载工作台上用于输出轴向力的测量，温度传感器用于测量工作台工作状态参数。
扭矩传感器5主要用于输入转矩的测量，扭矩测量信号送入计算机测量系统27；拉压传感器17主要用于滚珠丝杠副输出轴向力的测量，拉压力测量信号送入计算机测量系统。
电气操作台26部分上设有拉压力测量仪表28、温度巡检仪29、扭矩测量仪表31、加载控制器30、伺服控制器32、计算机测量系统27、电箱空调33。电气操作台发出伺服驱动信号、加载控制信号，实现测试件在一定的负载状况下运动，拉压力测量信号、扭矩信号经计算机处理后计算出丝杠副的传动效率。电箱空调确保电器操作台箱体内温度相对稳定，确保电气测量系统、驱动系统正常工作。
所述传动轴通过驱动同步带轮连接有伺服电机，伺服电机上设有与所述伺服控制器连接的控制装置。
所述扭矩传感器一端通过第一联轴器4与传动轴相连，另一端通过第二联轴器6连接有主轴箱7，主轴箱连接主轴。
所述主轴通过后轴承座10固定在床身上，主轴通过丝杠端头夹具11连接试件丝杠，所述试件丝杠通过试件螺母12和试件螺母座13固定在测量工作台上。测量工作台与加载工作台相连并通过工作导轨21固定在床身上。
所述加载丝杠副一端连接加载工作台，一端通过前轴承座23固定在床身上，加载丝杠副通过加载同步轮24连接有磁粉制动器25。磁粉制动器通过加载丝杠副为被测丝杠副提供负载动力。
所述温度传感器包括伺服电机温度传感器、主轴温度传感器8、试件丝杠温度传感器14、加载丝杠副温度传感器19、环境温度传感器，通过温度巡检仪29和计算机测量系统，实现对测量装置的温度监控。试件丝杠温度传感器14、加载丝杠副温度传感器19、可分别安装在试件丝杠螺母和加载丝杠副螺母上。
应用上述丝杠副传动效率精密测量装置，通过测量总的输入扭矩T、主轴支撑旋转扭矩T1‘；未加载时测量工作台产生的轴向力F‘、加载机构对加载丝杠副施加的轴向力F可以通过拉压传感器直接测得，在计算过程中其值F‘直接叠加到轴向力F中，可以求得滚珠丝杠副实际传动效率η。
丝杠副传动效率精密测量方法，所述测量方法包括如下步骤：
(1)电气操作台发出伺服驱动信号、加载控制信号，空载时，通过扭矩传感器测得的空载扭矩T1'；
(2)使试件丝杠在一定的负载状况下运动，扭矩传感器测得输入扭矩值T，拉压传感器测得输出的轴向力F、运动转度N，并改变负载状况多次测量；
(3)将步骤(1)和(2)测量的数值输入计算机，并根据设定的数据处理公式计算出丝杠副实际效率；
(4)改变丝杠副的轴向负荷，模拟试件丝杠实际工况，重复步骤(2)和(3)精确的测量输入扭矩值T及轴向力F，绘制试件丝杠承受不同轴向载荷时的传动效率曲线。
所述步骤(3)包括如下步骤：
(3-1)根据测量输入扭矩值T、运动转度N，计算出驱动主轴及丝杠副所需要的功率，即输入总功率：
P1＝2π×T×N ①
(3-2)P1'为主轴支撑旋转产生的能量消耗，属于输入部分的外部耗能，装置空载时，通过扭矩传感器测得的空载扭矩T1'，可利用下列公式求得：
P1'＝2π×T1'×N ②
(3-3)根据装置实际结构，P2为驱动一定负载状况下的能量消耗，通过拉压传感器测得输出的轴向力F,可利用下列公式求得其输出功率：
P2＝F×V ③
(3-4)根据装置实际结构，P2"驱动测量工作台的能量消耗，属于输出部分耗能。其中F'为驱动测量工作台需要的轴向力，可以通过测力仪测得，可利用下列公式求公式求得：
P″2＝F′×V ④
(3-5)P2'丝杠副运转时克服其动态预紧转矩产生的耗能，属于内部损耗，相当于电源内阻产生的能耗。Tpa为加载丝杠副平均实际动态预紧转矩是已知的，因此P2'计算公式如下。
P'2＝2π×Tpa×N ⑤
(3-6)根据能量守恒定律，当输入功率一定时，输出功率越大，效率就越高；输出功率越小，效率就越低。输入功率与输出功率总关系如下：
P1＝P2'+P2+P2”+P1' ⑥
(3-7)丝杠副实际效率计算公式如下：
其中：
F－单位：牛顿(加载机构对加载丝杠副施加的轴向力F)。
F'－单位：牛顿(驱动测量工作台承受的轴向力)。
T－单位：牛顿.米(输入扭矩值)。
T1'－单位：牛顿.米(空载时扭矩传感器测得的空载扭矩)。
Tpa－单位：牛顿.米(丝杠副平均实际动态预紧转矩)。
V－单位：米/秒(工作台移动速度)。
N－单位：转/秒(丝杠副转速)。
L－单位：毫米(丝杠副导程)。
P1－输入总功率，输入旋转运动。
P2－输出功率，将旋转运动变为直线运动，产生推力、拉力和直线移动速度。
P2'－丝杠副运转时动态预紧转矩产生的能量损耗。
P2"－驱动测量工作台的能量消耗。
P1'－主轴支撑部分产生的能量消耗。
所述步骤(1)和步骤(2)在测量中还实时检测伺服电机温、主轴、试件丝杠、加载丝杠副、磁粉制动器各关键点的温度变化，用于测量装置性能状况的监控，以便提高装置的可靠性。
综上所述，本发明解决了丝杠副传动效率精密测量问题，提供了实验验证的手段。通过精确的测量输入转矩及丝杠副承受的轴向力，经计算机处理后可以得到丝杠副承受不同轴向载荷时的传动效率，以及轴向载荷与传动效率的关系曲线。为分析影响丝杠副传动效率的因素，探索提高滚珠丝杠副传动效率的措施提供了技术支持。
以上是对本发明及其实施方式进行了纲领性描述，描述并不局限与此，附图也是本发明的较佳结构原理图，实际结构不仅限与此。故此，本领域其它人员在此效率测量原理基础上，对其结构布局、测量方法及控制所做的变动，都应属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.丝杠副传动效率精密测量装置，包括用于加载测量试件的工作台，用于获取测量试件数据的电气测量系统；
所述工作台包括设置在床身(20)上的伺服控制系统、模拟加载系统，所述伺服控制系统包括依次连接的传动轴(2)、主轴(9)、试件丝杠(15)、测量工作台(16)，所述试件丝杠(15)固定在测量工作台(16)上，所述传动轴(2)通过主轴(9)连接试件丝杠(15)并带动测量工作台(16)产生轴向位移；
所述模拟加载系统包括依次连接的加载工作台(18)、加载丝杠副(22)，测量工作台(16)与加载工作台(18)相连，加载丝杠副(22)对测量工作台(16)施加规定的轴向载荷；
所述电气测量系统包括电气操作台(26)，设置在工作台上并与电气操作台(26)连通的扭矩传感器(5)、拉压传感器(17)、温度传感器，扭矩传感器(5)连接在传动轴(2)和主轴(9)之间用于输入转矩的测量，拉压传感器(17)设在加载工作台(18)上用于输出轴向力的测量，温度传感器用于测量所述工作台工作状态参数；
还包括丝杠副传动效率精密测量方法，所述测量方法包括如下步骤：
(1)电气操作台发出伺服驱动信号、加载控制信号，空载时，通过扭矩传感器测得的空载扭矩T1'；
(2)使试件丝杠在一定的负载状况下运动，扭矩传感器测得输入扭矩值T，拉压传感器测得输出的轴向力F、运动转度N，并改变负载状况多次测量；
(3)将步骤(1)和(2)测量的数值输入计算机，并根据设定的数据处理公式计算出丝杠副实际效率η；
(4)改变丝杠副的轴向负荷，模拟试件丝杠实际工况，重复步骤(2)和(3)精确的测量输入扭矩值T及轴向力F，绘制试件丝杠承受不同轴向载荷时的传动效率曲线；
所述步骤(3)包括如下步骤：
(3-1)根据测量输入扭矩值T、运动转度N，计算出驱动主轴及丝杠副所需要的功率，即输入总功率：
P1＝2π×T×N ①
(3-2)P1'为主轴支撑旋转产生的能量消耗，属于输入部分的外部耗能，装置空载时，通过扭矩传感器测得的空载扭矩T1'，可利用下列公式求得：
P1'＝2π×T1'×N ②
(3-3)根据装置实际结构，P2为驱动一定负载状况下的能量消耗，通过拉压传感器测得输出的轴向力F,可利用下列公式求得其输出功率：
P2＝F×V ③
(3-4)根据装置实际结构，P2"驱动测量工作台的能量消耗，属于输出部分耗能，其中F'为驱动测量工作台需要的轴向力，可以通过测力仪测得，可利用下列公式求公式求得：
P"2＝F'×V ④
(3-5)P2'丝杠副运转时克服其动态预紧转矩产生的耗能，属于内部损耗，相当于电源内阻产生的能耗，Tpa为滚珠丝杠副平均实际动态预紧转矩是已知的，因此P2'计算公式如下：
P'2＝2π×Tpa×N ⑤
(3-6)根据能量守恒定律，当输入功率一定时，输出功率越大，效率就越高；输出功率越小，效率就越低，输入功率与输出功率总关系如下：
P1＝P2'+P2+P2”+P1' ⑥
(3-7)丝杠副实际效率计算公式如下：
2.根据权利要求1所述的丝杠副传动效率精密测量装置，其特征在于，所述电气操作台(26)包括计算机测量系统(27)、拉压力测量仪表(28)、温度巡检仪(29)、加载控制器(30)、扭矩测量仪表(31)、伺服控制器(32)。
3.根据权利要求2所述的丝杠副传动效率精密测量装置，其特征在于，所述传动轴(2)通过驱动同步带轮(1)连接有伺服电机(3)，伺服电机(3)上设有与所述加载控制器(30)连接的控制装置。
4.根据权利要求1所述的丝杠副传动效率精密测量装置，其特征在于，所述扭矩传感器(5)一端通过第一联轴器(4)与传动轴(2)相连，另一端通过第二联轴器(6)连接有主轴箱(7)，主轴箱(7)连接主轴(9)。
5.根据权利要求1所述的丝杠副传动效率精密测量装置，其特征在于，所述主轴(9)通过后轴承座(10)固定在床身(20)上，主轴(9)通过丝杠端头夹具(11)连接试件丝杠(15)，所述试件丝杠(15)通过试件螺母(12)和试件螺母座(13)固定在测量工作台(16)上。
6.根据权利要求1所述的丝杠副传动效率精密测量装置，其特征在于，所述加载丝杠副(22)一端连接加载工作台(18)，一端通过前轴承座(23)固定在床身(20)上，加载丝杠副(22)通过加载同步轮(24)连接有磁粉制动器(25)。
7.根据权利要求1所述的丝杠副传动效率精密测量装置，其特征在于，所述温度传感器包括伺服电机温度传感器、主轴温度传感器(8)、试件丝杠温度传感器(14)、加载丝杠副温度传感器(19)、环境温度传感器。
8.根据权利要求1所述的丝杠副传动效率精密测量装置，其特征在于，所述步骤(1)和步骤(2)在测量中还实时检测伺服电机温、主轴、试件丝杠、加载丝杠副、磁粉制动器各关键点的温度变化，用于测量装置性能状况的监控。
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