CN108362452B - 一种可用于行星滚柱丝杠的轴向静动刚度测量的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可用于行星滚柱丝杠的轴向静动刚度测量的测量方法。该测量方法先对标定杆施加恒定外载，测得安装标定杆时整个测量装置总的静刚度值，再计算得除被测件标定杆之外测量装置其他各部件的总的静刚度值。然后将被测件替换为行星滚柱丝杠，对其施加轴向恒定外载测得该状态下整个测量装置总的静刚度，再计算得到行星滚柱丝杠的轴向静刚度值。最后，对行星滚柱丝杠施加某频率的轴向正弦外载，测得安装行星滚柱丝杠时整个测量装置的动刚度值。与相关技术相比，本发明提供的可用于行星滚柱丝杠的轴向静动刚度测量的测量方法该方法测量准确，能提前发现不足，避免隐患。

Description

一种可用于行星滚柱丝杠的轴向静动刚度测量的测量方法

技术领域

本发明涉及一种静动刚度测量方法，具体涉及一种可用于行星滚柱丝杠的轴向静动刚度测量的测量方法。

背景技术

行星滚柱丝杠是一种将旋转运动转化为直线运动的机械传动装置，具有大推力、高精度、高频响、高效率、长寿命等优点，因而被广泛应用于航空航天、高档数控机床、医疗器械、精密仪器、武器装备以及工业机器人等领域。

轴向刚度是评价行星滚柱丝杠综合性能的重要指标之一，刚度不足会降低传动精度和增大摩擦力矩，进而降低寿命。而实际工况下，常常发生由于行星滚柱丝杠的轴向动刚度不足而引起整个机构剧烈振动的情况，严重时甚至有可能使结构破坏。行星滚柱丝杠作为机电作动器的主要执行机构，对它的动态特性有着较高的要求，行星滚柱丝杠在遭受较大扰动情况下仍能够按照指令要求准确地完成预定动作，对行星滚柱丝杠乃至整个作动系统都起着至关重要的作用。

上述行星滚柱丝杠轴向动刚度表征了结构在动载荷下抵抗变形的能力，即为在该方向上施加一定的动态激振力，当产生单位振动所需要的动态力的大小。动刚度不足，会使行星滚柱丝杠的振动变形迅速增大，在结构内部产生较大的动应力，从而使结构提前发生疲劳破坏；通过对行星滚柱丝杠动刚度的分析可以较早的发现结构动态设计中的不足，便于设计修改，所以对于行星滚柱丝杠轴向动刚度的研究分析变得相当重要。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种可用于行星滚柱丝杠轴向静动刚度测量的测量方法。

本发明提供一种可用于行星滚柱丝杠的轴向静动刚度测量的测量方法，包括以下步骤：

步骤S1：提供支撑机构、加载机构、拉压力传感器、液压缸、复合控制器、载荷指令、直线光栅尺、分析计算机和标定杆，将所述标定杆沿轴线方向安装于支撑机构与加载机构之间；通过液压缸对标定杆施加恒定外载，通过拉压力传感器与直线光栅尺的输出数据计算得到安装标定杆时整个测量装置中的静刚度值；

步骤S2：支撑机构、加载机构与被测件标定杆为串联关系，计算求得支撑机构与加载机构总的静刚度值；

步骤S3：提供行星滚柱丝杠，拆除标定杆，安装被测件行星滚柱丝杠，对行星滚柱丝杠施加轴向恒定外载，测得该状态下整个测量装置总的静刚度；同理，应用串联结构各组件刚度值之间的关系即可计算得到行星滚柱丝杠的轴向静刚度值；步骤S4：对行星滚柱丝杠施加轴向正弦外载荷频率，测得安装行星滚柱丝杠时整个测量装置的动刚度值；在进行行星滚柱丝杠轴向动刚度的计算时，将支撑件和加载机构的总的动刚度值简化为其静刚度值并代入计算；同样利用串联结构各组件刚度之间的关系，即可求得行星滚柱丝杠的轴向动刚度值。

优选的，步骤S2中，支撑机构与加载机构总的静刚度值通过公式(1)计算求得：

其中，k_{静_标定杆}为步骤S1测量所得，利用拉压力传感器与直线光栅尺的输出数据与胡克定律可求得

代入上式即可求得支撑机构与加载机构总的静刚度值k_台；步骤S3中，对行星滚柱丝杠进行预加载、阶梯加载与卸载，对拉压力传感器的读数F_{静总_PRSM}与直线光栅尺的读数X_{静总_PRSM}进行实时的采集并存储于分析计算机；同理可得，

代入即可求得行星滚柱丝杠的轴向静刚度k_{静_PRSM}。

优选的，步骤S3中安装被测件行星滚柱丝杠时，利用止转装置限定行星滚柱丝杠的旋转自由度。

优选的，所述止转装置为在行星滚柱丝杠的支撑端用胀紧套将丝杠胀紧以防止行星滚柱丝杠转动。

优选的，步骤S4中，在计算行星滚柱丝杠轴向动刚度时，将除被测件外的测量结构总的动刚度值简化为相应的静刚度值。

与相关技术相比，本发明提供的可用于行星滚柱丝杠的轴向静动刚度测量的测量方法首先对标定杆施加恒定外载，测得安装标定杆时整个测量装置总的静刚度值，通过串联结构各组件刚度值之间的关系计算得除被测件标定杆之外测量装置其他各部件的总的静刚度值。然后将被测件替换为行星滚柱丝杠，对其施加轴向恒定外载，测得该状态下整个测量装置总的静刚度。同理，应用串联结构各组件间刚度值之间的关系即可计算得到行星滚柱丝杠的轴向静刚度值。最后，对行星滚柱丝杠施加某频率的轴向正弦外载，测得安装行星滚柱丝杠时整个测量装置的动刚度值。该方法测量准确，能提前发现不足，避免隐患。

附图说明

图1为本发明提供的可用于行星滚柱丝杠的轴向静动刚度测量的测量方法中静动刚度测量系统安装标定杆的原理简图；

图2为本发明提供的可用于行星滚柱丝杠的轴向静动刚度测量的测量方法中静动刚度测量系统安装行星滚柱丝杠的原理简图。

附图中：

1-支撑机构；2-加载机构；3-加载系统；301-拉压力传感器；303-液压缸；304复合控制器；305-载荷指令；4-直线光栅尺；5-分析计算机；6-标定杆；7-行星滚柱丝杠。

具体实施方式

以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

一种行星滚柱丝杠轴向静动刚度的测量方法，包括以下步骤：

步骤S1：提供支撑机构1、加载机构2、拉压力传感器301、液压缸303、复合控制器304、载荷指令305、直线光栅尺4、分析计算机5和标定杆6，将所述标定杆6沿轴线方向安装于支撑机构1与加载机构2之间。通过液压缸303对标定杆6施加恒定外载，通过拉压力传感器301与直线光栅尺4的输出数据计算得到安装标定杆6时整个测量装置中的静刚度值k_{静_标定杆}。

步骤S2：参照附图1，将标定杆6沿轴线方向安装于支撑机构1与加载机构2之间。首先对标定杆进行预加载，以消除支撑机构1、标定杆6、加载机构2之间的间隙。拉压力传感器301通过数据传输302给复合控制器304，输入载荷指令305通过复合控制器304来控制液压缸303的输出轴向力，同时拉压力传感器301可对复合控制器进行反馈调节，以得到可靠的轴向输出载荷。完成预紧载荷的初始设置后，对拉压力传感器301与直线光栅尺4的读数进行调零。通过调整载荷指令305使得加载系统3以一定间隔对标定杆6施加轴向阶梯载荷，每次加载均需在拉压力传感器读数301和直线光栅尺4读数稳定一段时间后再进行下一步载荷的施加，在此过程中，对拉压力传感器301的读数F_{静总_标}与直线光栅尺4读数X_{静总_标}进行实时的采集并存储于分析计算机5中。待加载完成后，进行轴向载荷的阶梯卸载，注意事项与加载过程中相同，同时注意数据的采集并存储于分析计算机5。

在上述实验步骤中液压缸303输出的力作用在支撑机构1、标定杆6与加载机构2上，光栅尺4测得的变形量也是上述三者变形量的总和。参照附图，支撑机构1与加载机构2与被测件标定杆6为串联关系，设支撑机构1与加载机构2的总刚度值为k_台，则在标定状态下的总的静刚度值k_{静总_标}可表示为公式(1)

其中，k_{静_标定杆}已通过步骤一测的，为已知量；利用拉压力传感器301与直线光栅尺4的输出数据与胡克定律可求得

代入上式即可求得支撑机构1与加载机构2总的静刚度值k_台。

如图2所示，步骤S3：拆除标定杆，沿行星滚柱丝杠的轴线方向将被测行星滚柱丝杠7安装于支撑机构1与加载机构2之间，因行星滚柱丝杠7无自锁功能，当螺母受到轴向载荷后会将轴向力转化为扭矩，进而带动丝杠的转动。所以，必须增加止转装置(未图示)对丝杠的旋转自由度加以限制，才能保证行星滚柱丝杠7副静刚度以及动刚度试验的顺利进行。所述止转装置为在行星滚柱丝杠的支撑端用胀紧套将丝杠胀紧以防止行星滚柱丝杠转动。

同步骤S2中，对行星滚柱丝杠7进行预加载、阶梯加载与卸载，对拉压力传感器301的读数F_{静总_PRSM}与直线光栅尺4的读数X_{静总_PRSM}进行实时的采集并存储于分析计算机5。

同理可得，

代入即可求得行星滚柱丝杠7的轴向静刚度k_{静_PRSM}。

步骤S4：再次对行星滚柱丝杠7进行预加载，以消除支撑机构1、行星滚柱丝杠7、加载机构2之间的间隙，预加载的载荷初始设置为静刚度测试时的初始预紧值，也可根据实际测试状态调整初始预紧载荷的大小。完成预紧载荷的初始设置后，对力传感器301与光栅尺4的读数进行调零。调整载荷指令305使得加载系统3输出某一频率的正弦载荷，将该正弦载荷的频率、加载历程以及该动载频率下光栅尺位移4的变化量进行采集与存储，逐渐改变所施加正弦载荷的频率，并实时保存测得的液压缸303的输出力、频率以及相对应的位移。对拉压力传感器301的读数F_{动总_PRSM}与直线光栅尺4的读数X_{动总_PRSM}进行实时的采集并存储于分析计算机5。

在求解行星滚柱丝杠7的轴向动刚度k_{动_PRSM}时，做出如下简化，支撑机构1与加载机构2总的动刚度与其相应静刚度值相等，同为k_台。在正弦外载作用下，输出的拉压力传感器301的读数与直线光栅尺4的读数均为正弦分布。求得拉压力传感器301输出读数正弦分布的幅值

与直线光栅尺4输出读数正弦分布的幅值

并代入公式(4)、(5)中，

即可求得行星滚柱丝杠7的轴向动刚度k_{动_PRSM}。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种可用于行星滚柱丝杠的轴向静动刚度测量的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：提供支撑机构(1)、加载机构(2)、拉压力传感器(301)、液压缸(303)、复合控制器(304)、载荷指令(305)、直线光栅尺(4)、分析计算机(5)和标定杆(6)，将所述标定杆(6)沿轴线方向安装于支撑机构(1)与加载机构(2)之间；通过液压缸(303)对标定杆(6)施加恒定外载，通过拉压力传感器(301)与直线光栅尺(4)的输出数据计算得到安装标定杆(6)时整个测量装置中的静刚度值，标定杆(6)沿轴线方向安装于支撑机构(1)与加载机构(2)之间，拉压力传感器(301)通过数据传输(302)给复合控制器(304)，输入载荷指令(305)通过复合控制器(304)来控制液压缸(303)的输出轴向力，同时拉压力传感器(301)可对复合控制器进行反馈调节，以得到可靠的轴向输出载荷，完成预紧载荷的初始设置后，对拉压力传感器(301)与直线光栅尺(4)的读数进行调零，通过调整载荷指令(305)使得加载系统(3)以一定间隔对标定杆(6)施加轴向阶梯载荷，每次加载均需在拉压力传感器(301)读数和直线光栅尺(4)读数稳定一段时间后再进行下一步载荷的施加；

步骤S2：支撑机构(1)、加载机构(2)与被测件标定杆(6)为串联关系，计算求得支撑机构(1)与加载机构(2)总的静刚度值；步骤S3：提供行星滚柱丝杠(7)，拆除标定杆(6)，安装被测件行星滚柱丝杠(7)，对行星滚柱丝杠(7)施加轴向恒定外载，测得该状态下整个测量装置总的静刚度；同理，应用串联结构各组件刚度值之间的关系即可计算得到行星滚柱丝杠(7)的轴向静刚度值；

步骤S4：对行星滚柱丝杠(7)施加轴向正弦外载荷频率，测得安装行星滚柱丝杠(7)时整个测量装置的动刚度值；在进行行星滚柱丝杠(7)轴向动刚度的计算时，将支撑件和加载机构的总的动刚度值简化为其静刚度值并代入计算；同样利用串联结构各组件刚度之间的关系，即可求得行星滚柱丝杠(7)的轴向动刚度值。

2.根据权利要求1所述的可用于行星滚柱丝杠的轴向静动刚度测量的测量方法，其特征在于，步骤S2中，支撑机构与加载机构总的静刚度值通过公式(1)计算求得：

其中，k_{静总_标}为步骤S1测量所得，利用拉压力传感器与直线光栅尺的输出数据与胡克定律可求得

代入上式即可求得支撑机构与加载机构总的静刚度值k_台；步骤S3中，对行星滚柱丝杠进行预加载、阶梯加载与卸载，对拉压力传感器的读数F_{静总_PRSM}与直线光栅尺的读数x_{静总_PRSM}进行实时的采集并存储于分析计算机；

同理可得，

代入步骤S1即可求得行星滚柱丝杠的轴向静刚度k_{静_PRSM}。

3.根据权利要求1所述的可用于行星滚柱丝杠的轴向静动刚度测量的测量方法，其特征在于，步骤S3中安装被测件行星滚柱丝杠时，利用止转装置限定行星滚柱丝杠的旋转自由度。

4.根据权利要求3所述的可用于行星滚柱丝杠的轴向静动刚度测量的测量方法，其特征在于，所述止转装置为在行星滚柱丝杠的支撑端用胀紧套将丝杠胀紧以防止行星滚柱丝杠转动。

5.根据权利要求1所述的可用于行星滚柱丝杠的轴向静动刚度测量的测量方法，其特征在于，步骤S4中，在计算行星滚柱丝杠轴向动刚度时，将除被测件外的测量结构总的动刚度值简化为相应的静刚度值。

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