CN107576260A

CN107576260A - 一种滚珠丝杠弯曲挠度实时检测系统及方法

Info

Publication number: CN107576260A
Application number: CN201710741935.9A
Authority: CN
Inventors: 何改云; 张贺帅; 孙光明; 张肖磊; 黄灿
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2017-08-25
Filing date: 2017-08-25
Publication date: 2018-01-12

Abstract

本发明公开了一种滚珠丝杠弯曲挠度实时检测系统及方法，系统包括：丝杠弯曲挠度测量装置，用于固定并测量应变片的应变值；滚珠丝杠弯曲挠度检测装置，通过Matlab软件开发，用于应变片的布局选择、滚珠丝杠弯曲挠度计算、应变温度补偿以及仿真。方法包括：在应力测试柱的对应两面上各贴两应变片，使用全桥的应变片布局，将输出电压提高至单桥布局时电压输出的4倍；采取三角形方式均匀布置应力测试柱；依据测量出的应变值和到中性层的距离将应变转换到丝杠表面层的应变值，比较三个应变值剔除明显不对的值，取平均值，即为所要求取的应变值；丝杠弯曲挠度的计算；采用电路补偿法实现温度补偿。本发明提高可检测的精度和灵敏度。

Description

一种滚珠丝杠弯曲挠度实时检测系统及方法

技术领域

本发明涉及数控机床领域，尤其涉及一种滚珠丝杠弯曲挠度实时检测系统及方法。

背景技术

近年来，我国制造业的迅猛发展对精密机床的加工性能、综合精度水平提出了越来越高的要求，滚珠丝杠作为数控机床的主要传动件之一，其精度不仅影响机床本身的性能也影响着加工件的质量。

滚珠丝杠在制造、安装存在几何变形同时在工作过程中存在热变形，这些几何变形和热变形将致使滚珠丝杠产生弯曲挠度，也就是说丝杠的实际轴线与理想轴线不重合，横截面形心沿与轴线垂直方向产生线位移。

滚珠丝杠的这种弯曲挠度将会对工作台的运动精度产生极大的影响，如果能够实时检测到滚珠丝杠弯曲挠度的变化，并施加控制，将极大地提高数控机床加工精度。由于滚珠丝杠在工作中处于旋转状态，难以直接用精密的测量仪器检测其弯曲挠度，目前间接测量的方法也很少，因此开发一种滚珠丝杠弯曲挠度实时检测系统及方法是非常必要的。

发明内容

本发明提供了一种滚珠丝杠弯曲挠度实时检测系统及方法，本发明通过Matlab开发出包含信号采集、数据处理、仿真、以及评价的实时检测系统和方法，提高可检测的精度和灵敏度，详见下文描述：

一种滚珠丝杠弯曲挠度实时检测系统，所述检测系统包括：

丝杠弯曲挠度测量装置，用于固定并测量应变片的应变值；

应变信号采集装置，用于采集多通道的应变值；

滚珠丝杠弯曲挠度检测装置，通过Matlab软件开发，用于应变片的布局选择、滚珠丝杠弯曲挠度计算、应变温度补偿以及仿真。

其中，所述丝杠弯曲挠度测量装置包括：

第一卡盘和第二卡盘通过紧固螺栓与外部的丝杠螺母副相连，将应力测试柱固定在柱孔上，且第一卡盘和第二卡盘中均设有矩形爪盘，防止应力测试柱在丝杠进给过程中产生扭转变形。

其中，所述应力测试柱中间铣出四个粘贴平面，用于粘贴应变片，粘贴平面的边缘设置固定应变片连接线的凸出槽。

一种用于实施权滚珠丝杠弯曲挠度实时检测系统的检测方法，所述检测方法包括以下步骤：

数学计算引擎根据实测应变片的应变值计算出丝杠弯曲挠度，并绘制相应的弯曲曲线；

在应力测试柱的对应两面上各贴两应变片，使用全桥的应变片布局，将输出电压提高至单桥布局时电压输出的4倍；

采取三角形方式均匀布置应力测试柱；

依据测量出的应变值和到中性层的距离将应变转换到丝杠表面层的应变值，比较三个应变值剔除明显不对的值，取平均值，即为所要求取的应变值；

丝杠弯曲挠度的计算；采用电路补偿法实现温度补偿。

进一步地，当刚度影响忽略不计时，丝杠弯曲挠度值具体为：

式中，CD为所求的被测丝杠X轴或Y轴方向的弯曲挠度值；L1为两应力测试柱之间的距离；r1为丝杠弯曲时形成的圆弧中心到丝杠下方的半径；A为丝杠弯曲时形成的圆弧的圆心角。

进一步地，当考虑刚度影响时，丝杠弯曲挠度值具体为：

式中，θ₁为丝杠部分的曲率。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、本发明能够实时检测并评价滚珠丝杠的弯曲挠度，通过对应变片的布局，提高对微小应变的识别能力，进而提高灵敏度；

2、本发明能够对温度变化引起的应变进行温度补偿，具有精度高，计算简单的优点。

附图说明

图1为滚珠丝杠弯曲挠度实时检测系统的示意图；

图2a为丝杠弯曲挠度测量装置的三维示意图；

图2b为丝杠弯曲挠度测量装置的二维示意图；

图3为滚珠丝杠弯曲挠度实时检测的软件构架图；

图4为滚珠丝杠弯曲挠度实时检测的软件流程图；

图5为应力测试柱的三维结构示意图；

图6为滚珠丝杠弯曲挠度测量装置中的应变桥示意图；

图7为应力测试柱的布置示意图；

图8为滚珠丝杠弯曲挠度检测应力测试柱的坐标示意图；

图9a为滚珠丝杠弯曲挠度计算示意图；

图9b为滚珠丝杠弯曲挠度计算的另一示意图；

图10为温度补偿方式的应变片贴片示意图；

图11为温度补偿方式的应变片放置示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

一种滚珠丝杠弯曲挠度实时检测系统，参见图1，该检测系统包括：丝杠弯曲挠度测量装置A、应变信号采集装置B和滚珠丝杠弯曲挠度检测装置C。

参见图2a和2b，丝杠弯曲挠度测量装置A用于固定并测量应变片的应变值，其外形尺寸为φ100mm×42mm(本发明实施例仅以此数值为例进行说明，具体实现时，对该数值不做限制)，该测量装置A主要包括：第一卡盘1、第二卡盘2、应力测试柱3、以及紧固螺栓4四大部件：

第一卡盘1和第二卡盘2通过紧固螺栓4与外部的丝杠螺母副(图中未示出)相连，将应力测试柱3固定在柱孔5上，且第一卡盘1和第二卡盘2中均设有矩形爪盘6，防止应力测试柱3在丝杠进给过程中产生扭转变形。

应力测试柱3中间铣出四个粘贴平面7(长宽为18mm×10mm，本发明实施例仅以此数值为例进行说明，具体实现时，对该数值不做限制)用于粘贴应变片8(参见图5)，粘贴平面7的边缘设置固定应变片8连接线的凸出槽9(即粘贴平面7和凸出槽9的数量相匹配)，使得在丝杠运动过程中应变片8的连接线不受到影响。

实际应用时，该丝杠弯曲挠度测量装置A被固定在两个螺母之间，随螺母一起运动。

具体实现时，本发明实施例对上述各个部件的具体结构不做限制，只要能实现上述功能的部件均可。

进一步地，上述应变信号采集装置B主要包括：16通道应变采集卡，用于采集多通道的应变值。

具体实现时，本发明实施例对上述采集卡的型号，以及采集通道的数量不做限制，根据实际应用中的需要进行设定。

参见图3，上述滚珠丝杠弯曲挠度检测装置C通过Matlab软件开发，用于应变片的布局选择、滚珠丝杠弯曲挠度计算、应变温度补偿以及仿真。

综上所述，本发明实施例通过上述检测系统，能够实时检测并评价滚珠丝杠的弯曲挠度，通过对应变片的布局，提高对微小应变的识别能力，进而提高灵敏度；并且对温度变化引起的应变进行补偿。

实施例2

一种滚珠丝杠弯曲挠度实时检测方法，参见图3和图4，该检测方法主要用于实施实施例1中的滚珠丝杠弯曲挠度检测装置C的软件流程，该方法包括以下步骤：

201：人机交互界面；

人机交互界面为用户提供一个人机交互式界面，用于将需要检测的丝杠弯曲挠度变形的应变片的应变信息，传递至滚珠丝杠弯曲挠度检测装置C中，同时也通过数学计算引擎计算出的丝杠弯曲挠度值，绘制出弯曲挠度曲线并反馈给用户。人机交互界面为软件用户提供简单易操作的软件界面。

202：数据储存Execl文件；

其中，Execl文件是丝杠弯曲的数据传输桥梁，用于将应变片的应变信息、检测软件得到的实测点的应变值数据传输至数学计算引擎，并记录引擎得出的丝杠弯曲挠度值，最后通过与人机交互界面的联动将数据反馈给用户。

203：基于Matlab的数学计算引擎；

其中，数学计算引擎根据实测应变片8的应变值计算出丝杠弯曲挠度，并绘制相应的弯曲曲线。

204：应力测试柱3的布点策略；

其中，应力测试柱3有四个平面，参见图5，在对应两面(即上下面对应，左右面对应)上各贴两应变片8，形成应变桥，应变片8的布置方式如图6所示(即，R1和R4贴在应力测试柱3的一个面上，例如上面，R2和R3贴在它的对应面上，即下面)，则每个应力测试柱3上都可以在垂直的两个方向上布置应变桥，其中，R1＝R2＝R3＝R4＝R，当应力测试柱3发生一定的挠度时，相应的应变片8也会产生一定的应变，有△R1＝△R3＝△R，△R2＝△R4＝-△R，其中，△表示变化量。由电桥的工作原理可知，ΔU＝4[0.25U₀(ΔR/R)]，使用全桥的应变片8布局，可将输出电压提高至单桥布局时电压输出的4倍，从而将灵敏度提高了4倍。

关于应力测试柱3的布置策略，做出如下考虑：由于丝杠长径比问题，如果局部刚度增大，将影响挠度曲线的形状，为了尽量不影响丝杠刚度，从而影响测量的真实性，应力测试柱3的数量越少越好，但是从消除各向异性以提高检测准确度方面来考虑，应力测试柱3的数量越多、越均匀越好。

抗弯刚度其中M为施加的弯矩，θ为丝杠的曲率。设应力测试柱3的弯曲刚度为K₁、丝杠的弯曲刚度为K₂、K为测量的总刚度、n为应力测试柱3的数目。

nK₁θ+K₂θ＝Kθ

nK₁+K₂＝K

从上述计算公式可以看出，整体弯曲刚度受应力测试柱3弯曲刚度的影响，会使局部刚度变大。基于此初选以下四种布置应力测试柱3的方式，参见图7：

方法1：在一个方向上布置一个应力测试柱3，从平均刚度方面，此方式是有缺陷的；

方式2：布置两个应力测试柱3，也存在同样的问题，不均衡的布置应力测试柱3的方式会使挠度方向偏于刚度低的方向，影响测量精度和准确性，但方法2较方法1的优点在于多点检测取平均值可以使得检测结果的可靠性更高。

方法3和方法4：分别采取了三角形和四点对称布置应力测试柱3，这两种方式均采用均匀布置应力测试柱3，使得刚度均衡，对丝杠的挠度方向影响较小，但是应力测试柱3的增加将加大对丝杠刚度的影响，局部刚度的增加将影响丝杠挠度检测的准确性。

综上考虑，应力测试柱3数量的继续增加将严重影响准确性，所以对于以上四种布置应力测试柱3的方式，可以选择方法3，即满足均匀刚度又使用了较少的应力测试柱3，使得结果具有较高的可靠性。

204：应变片8的应变数值的选择；

参见图8，应力测试柱3采用如上所示布置，其中，应力测试柱3的贴应变片8的四个粘贴平面7要分别和X、Y轴垂直。当滚珠丝杠弯曲挠度检测装置C工作时，在X、Y方向上分别会检测出三组应变数值，由于到中性层的距离不同，在丝杠产生挠度后，可能会产生挠度相同、线应变不同的情况，但是由于丝杠弯曲挠度测量装置A的直径很小，挠度值一般也很小，线应变的差别不会很大，所以对结果的影响可以忽略不计，应变桥可以正常使用。当某一组的检测值出现过大或过小时，则剔除。

由工程力学知识可知，线应变的大小与所测面(即测量层，具体是指应力测试柱3的中心所在的层面)到中性层的距离成正比，即有：

其中，d_i为第i个应力测试柱3的测量层到中性层的距离，ρ为中性层曲率半径。所以有：

其中，ε为丝杠表面的应变，r为丝杠半径。依据测量出的应变值和到中性层的距离可以将应变转换到丝杠表面层的应变值，比较三个应变值(即ε₁、ε₂和ε₃)，剔除明显不对的值，然后取平均值，即为所要求取的应变值。

205：丝杠弯曲挠度的计算；

丝杠弯曲挠度即为丝杠轴心上的点在丝杠产生弯曲后偏离原轴心的距离。丝杠轴心上的点的坐标可以分解为X轴的坐标和Y轴的坐标，所以只要求出丝杠在X轴、Y轴的挠度变化就可以计算长丝杠的挠度变化。

一、滚珠丝杠弯曲挠度检测装置C的刚度影响忽略不计时：

参见图9a和图9b，已知：应力测试柱3的长度为L，两应力测试柱3之间的距离为L1，丝杠上方应力测试柱3的应变为ε_上，丝杠下方应力测试柱3的应变为ε_下，则丝杠的弯曲挠度计算过程如下：

ΔL1＝Lε_上

ΔL2＝Lε_下

式中，CD即为所求的被测丝杠X轴(或Y轴)方向的弯曲挠度值，假设为a，那么Y方向的挠度值假设为b，则总挠度值为ΔL1、ΔL2分别为丝杠上方和下方的长度变化量；r1为丝杠弯曲时形成的圆弧中心到丝杠下方的半径；A为丝杠弯曲时形成的圆弧的圆心角。

二、考虑滚珠丝杠弯曲挠度检测装置C的刚度影响：

由于滚珠丝杠弯曲挠度检测装置C对刚度的影响，从而影响了实际的挠度变化，需要对检测得到的挠度值进行补偿，和丝杠整个长度相比，各测点的曲率半径可以看作是一样的，则有：

M＝(3K₁+K₂)·θ

当使用滚珠丝杠弯曲挠度检测装置C测量装置时，有：

其中，θ₁为丝杠部分的曲率，此时丝杠的弯曲挠度值：

然后另一方向的计算同上，总挠度值同刚度影响忽略不计时的计算过程。

206：温度补偿；

用作测量应变的金属应变片8，希望其阻值仅随应变变化，而不受其他因素的影响。实际上应变片8的阻值受环境温度影响很大，由于环境温度变化引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，会产生很大的测量误差。

参见图10，设环境引起的应力测试柱3温度变化为Δt时，粘贴在应力测试柱3表面的应变片敏感栅材料的电阻温度系数为α_t，则应变片8产生的电阻变化为由于敏感栅材料和构件材料两者线膨胀系数不同，当Δt存在时，引起应变片8的附加应变，其值为：

ε_2t＝(β_e-β_g)Δt

其中，β_e为试件材料线膨胀系数；β_g为敏感栅材料线膨胀系数；

相应的电阻相对变化为：

其中，G为应变片灵敏系数。

温度变化形成的总电阻相对变化为：

上述公式中的下标t表示温度，即该公式表示由于温度变化引起的电阻变化。

相应的虚假应变为：

如图所示，采用电路补偿法，电桥输出电压与桥臂参数之间的关系为：

U_SC＝M(R1R4-R2R3)

式中A是由桥臂电阻和电源电压决定的常数，α_t为电阻温度系数。

由上式可知，当R3和R4为常数时，R1和R2对输出电压的作用方向相反。利用这个基本特性可实现对温度的补偿，并且补偿效果较好，这是最常用的补偿方法之一。

参见图11，测量应变时，使用两个应变片8，一片贴在应力测试柱3的表面，即图中R1称为工作应变片。另一片贴在与应力测试柱3的材料相同的补偿块上，即图中R2称为补偿应变片(其中，本发明实施例使用的应变片8为电阻式应变片，因此本发明实施例中的电阻和应变片8指代相同)。

在工作过程中补偿块不承受应变，仅随温度发生变形。由于R1与R2接入电桥相邻臂上，造成ΔR1_t与ΔR2_t相同，根据电桥理论可知，其输出电压U_SC与温度无关。当工作应变片(即R1)感受应变时，电桥将产生相应的输出电压。

当应力测试柱3不承受应变时，R1和R2处于同一温度场，调整电桥参数，可使电桥输出电压为零，即U_SC＝M(R1R4-R2R3)＝0。

上式中可以选择R1＝R2＝R及R3＝R4＝R′，当温度升高或降低时，若ΔR1_t＝ΔR2_t，即两个应变片8的热输出相等，由上式可知电桥的输出电压为零即：

U_SC＝M[(R1+ΔR1_t)R4-(R2+ΔR2_t)R3]

＝M[(R+ΔR1_t)R′-(R+ΔR2_t)R′]

＝M(RR′+ΔR1_tR′-RR′-ΔR2_tR′)

＝MR′(ΔR1_t-ΔR2_t)＝0

若此时有应变作用，只会引起电阻R1发生变化，R2不承受应变。故由前式可得输出电压为U_SC＝M[(R1+ΔR1_t+R1Gε)R4-(R2+ΔR2_t)R3]＝MR′RGε。由上式可知，电桥输出电压只与应变ε有关，与温度无关；R′为参数。

207：仿真结果评定。

丝杠弯曲挠度仿真是通过步骤205中的计算过程处理测量的数据，对丝杠的弯曲挠度进行仿真，并输出丝杠弯曲挠度图，同时标出丝杠弯曲挠度的最大值和最小值以及所发生的位置，使得实际应用时，可以更加直观的获取到检测结果。

丝杠弯曲挠度评定在测量仿真的基础上，通过与弯曲挠度最大值作比较，计算出丝杠任一位置处的弯曲挠度比率，从而评定丝杠某一位置处的弯曲挠度的程度，使得实际应用时，可以更加直观的获取到检测结果。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种滚珠丝杠弯曲挠度实时检测系统，其特征在于，所述检测系统包括：

丝杠弯曲挠度测量装置，用于固定并测量应变片的应变值；

应变信号采集装置，用于采集多通道的应变值；

2.根据权利要求1所述的一种滚珠丝杠弯曲挠度实时检测系统，其特征在于，所述丝杠弯曲挠度测量装置包括：

3.根据权利要求2所述的一种滚珠丝杠弯曲挠度实时检测系统，其特征在于，所述应力测试柱中间铣出四个粘贴平面，用于粘贴应变片，粘贴平面的边缘设置固定应变片连接线的凸出槽。

4.一种用于实施权利要求1-3中任一权利要求所述的滚珠丝杠弯曲挠度实时检测系统的检测方法，其特征在于，所述检测方法包括以下步骤：

采取三角形方式均匀布置应力测试柱；

丝杠弯曲挠度的计算；采用电路补偿法实现温度补偿。

5.根据权利要求4所述的检测方法，其特征在于，当刚度影响忽略不计时，丝杠弯曲挠度值具体为：

6.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于，当考虑刚度影响时，丝杠弯曲挠度值具体为：

<mrow> <mi>&rho;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <msub> <mi>&theta;</mi> <mn>1</mn> </msub> </mfrac> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mi>r</mi> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mi>L</mi> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

式中，θ₁为丝杠部分的曲率。