CN108896297A - 一种滚珠丝杠副额定静载荷测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种滚珠丝杠副额定静载荷测试系统及方法，测试系统包括施力装置(1)、压力传感器(2)、丝杠防转装置(3)、待测滚珠丝杠副(4)、位移测量装置(5)和支撑固定装置(6)。利用该测试系统的滚珠丝杠副额定静载荷测试方法，步骤如下：确定施加载荷设定值的初始值和步进值、总轴向变形量、测试次数的初始值；通过施加压力、压力卸载求取每次测试的轴向变形量，并更新总轴向变形量；再根据总轴向变形量与额定静载荷允许最大变形量间的关系，判断是停止测试还是返回上一步继续测试；最后获取额定静载荷测试值。本发明实现对滚珠丝杠副额定静载荷的准确测量，填补了滚珠丝杠副额定静载荷测试领域的空白。

Description

一种滚珠丝杠副额定静载荷测试系统及方法

技术领域

本发明属于滚珠丝杠副性能测试领域，特别是一种滚珠丝杠副额定静载荷测试系统及方法。

背景技术

随着制造业的迅猛发展，提升数控机床的加工精度和精度保持时间成为行业的迫切需求。作为数控机床的核心基础零部件，滚珠丝杠副的定位精度和精度保持时间直接制约着整个数控机床的加工精度和精度保持时间。而额定静载荷作为滚珠丝杠副的重要性能指标，直接影响着滚珠丝杠副的承载性能和定位精度。因此，对滚珠丝杠副的额定静载荷进行理论研究以及测试有着重要意义。

通过查阅相关资料文献，目前国内外关于滚珠丝杠副额定静载荷测试方法的研究处于空白状态，而现行国际标准ISO 3408-5中额定静载荷的计算公式是直接引用自轴承，并没有得到试验验证。各厂家产品标注的额定静载荷数值都是根据国际标准ISO 3408-5中的计算公式估计而来，无法判断厂家的标注值与真实值之间的差距，使得产品的标注值失去可信度，以致于无法准确预判滚珠丝杠副产品性能。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种滚珠丝杠副额定静载荷测试系统及方法，填补领域空白，为额定静载荷的理论研究提供试验验证，进而提高预判滚珠丝杠副产品性能的准确性。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种滚珠丝杠副额定静载荷测试系统，包括施力装置1、压力传感器2、丝杠防转装置3、待测滚珠丝杠副4、位移测量装置5和支撑固定装置6；

支撑固定装置6的上方设置位移测量装置5，待测滚珠丝杠副4垂直贯穿位移测量装置5和支撑固定装置6，待测滚珠丝杠副4同时位于位移测量装置5和支撑固定装置6的轴心，待测滚珠丝杠副4的顶部伸出端设置丝杠防转装置3，丝杠防转装置3的上方设置压力传感器2，压力传感器2的上方设置施力装置1。

一种所述测试系统的滚珠丝杠副额定静载荷测试方法，包括以下步骤：

步骤1、确定施力装置1施加载荷设定值的初始值和步进值；确定总轴向变形量△l的初始值为0；确定测试次数i的初始值为1；

步骤2、施力装置1向下施加压力产生轴向力，通过压力传感器2读取轴向力数值，当轴向力达到施加载荷设定值时，进行压力卸载，通过位移测量装置5读取的数值求取该次压力卸载完成后滚珠丝杠副的轴向变形量；将该次求取的轴向变形量与总轴向变形量进行累加，用累加后的轴向变形量更新总轴向变形量；

步骤3、将步骤2中更新后的总轴向变形量与额定静载荷允许最大变形量进行比较，判断施加载荷是否达到额定静载荷，如果达到则停止测试，否则对施加载荷设定值增加一个步进值，更新施加载荷设定值，并更新测试次数i＝i+1，返回步骤2；

步骤4、对测试过程中不断更新的施加载荷设定值进行数据处理，获取额定静载荷测试值。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明提供一种滚珠丝杠副额定静载荷测试方法，填补了滚珠丝杠副额定静载荷测试方法的空白；2)本发明利用位移传感器记录滚珠丝杠副的轴向永久变形量，以此判断轴向力是否达到额定静载荷，测试精度高；3)本发明的方法简单易行，能够实现对额定静载荷的快速测试；4)本发明为额定静载荷的理论研究提供试验验证，进而提高预判滚珠丝杠副产品性能的准确性。

附图说明

图1为本发明的滚珠丝杠副额定静载荷测试系统图。

图2为本发明的滚珠丝杠副额定静载荷测试方法的流程图。

具体实施方式

结合图1，本发明的一种滚珠丝杠副额定静载荷测试系统，包括施力装置1、压力传感器2、丝杠防转装置3、待测滚珠丝杠副4、位移测量装置5和支撑固定装置6。

支撑固定装置6的上方设置位移测量装置5，待测滚珠丝杠副4垂直贯穿位移测量装置5和支撑固定装置6，待测滚珠丝杠副4同时位于位移测量装置5和支撑固定装置6的轴心，待测滚珠丝杠副4的顶部伸出端设置丝杠防转装置3，丝杠防转装置3的上方设置压力传感器2，压力传感器2的上方设置施力装置1。其中位移测量装置5包括3个接触式位移传感器，该3个接触式位移传感器呈120°均匀分布；支撑固定装置6通过螺钉与待测滚珠丝杠副4的螺母连接，使得螺母固定不动；压力传感器2通过螺钉与施力装置1连接。

结合图2，本发明的滚珠丝杠副额定静载荷测试方法，包括以下步骤：

步骤1、确定施力装置1施加载荷设定值的初始值和步进值；确定总轴向变形量△l的初始值为0；确定测试次数i的初始值为1。其中，确定施力装置(1)施加载荷设定值的初始值和步进值，是以国际标准ISO 3408-5中滚珠丝杠副额定静载荷计算公式所得的标称额定静载荷值为参考值，取所述参考值的10％为施加载荷设定值的初始值，表示为：10％C_oa，取参考值的10％为施加载荷设定值的步进值，表示为10％C_oa；其中，ISO3408-5中滚珠丝杠副额定静载荷计算公式为：

式中，C_oa为滚珠丝杠副标称额定静载荷，D_pw为节圆直径，f_rs为滚珠丝杠滚道的适应度，α为接触角，D_w为滚珠直径，为导程角，z为滚珠承载个数。

步骤2、施力装置1向下施加压力产生轴向力，通过压力传感器2读取轴向力数值，当轴向力达到施加载荷设定值时，进行压力卸载，通过位移测量装置5读取的数值求取该次压力卸载完成后滚珠丝杠副的轴向变形量；将该次求取的轴向变形量与总轴向变形量进行累加，用累加后的轴向变形量更新总轴向变形量。具体过程为：

步骤2-1、施力装置1向下施加压力产生轴向力，直至压力传感器2读取的轴向力数值达到施加载荷设定值；

步骤2-2、对施力装置1进行压力卸载；

步骤2-3、根据位移测量装置的记录值，计算位移测量装置记录的初始值l₁与步骤2-2压力卸载完成后位移测量装置记录的最终值l₂的差值，获取该次压力卸载完成后滚珠丝杠副的轴向变形量：

△l_i＝|l₁-l₂|

式中，i为测试次数，△l_i为第i次测试后滚珠丝杠副的轴向变形量；

步骤2-4、将步骤2-3求取的轴向变形量与总轴向变形量进行累加，更新总轴向变形量：

△l＝△l+△l_i。

步骤3、将步骤2中更新后的总轴向变形量与额定静载荷允许最大变形量进行比较，判断施加载荷是否达到额定静载荷，如果达到则停止测试，否则对施加载荷设定值增加一个步进值，更新施加载荷设定值，并更新测试次数i＝i+1，返回步骤2。具体为：比较步骤2中更新后的总轴向变形量△l与额定静载荷允许最大变形量0.0001D_w的大小，如果△l<0.0001D_w，则对施加载荷设定值增加一个步进值，更新施加载荷设定值，并更新测试次数i＝i+1，返回步骤2；否则停止测试；其中D_w为滚珠直径。

步骤4、对测试过程中不断更新的施加载荷设定值进行数据处理，获取额定静载荷测试值。具体为：

取最后两次测试的施加载荷设定值的平均值为额定静载荷测试值，即：

式中，C'_oa为额定静载荷测试值，F_N为最后一次测试的施加载荷设定值，F_N-1为倒数第二次测试的施加载荷设定值。

下面结合实施例对本发明进行具体描述：

实施例

本发明的一种滚珠丝杠副额定静载荷测试系统，包括施力装置1、压力传感器2、丝杠防转装置3、待测滚珠丝杠副4、位移测量装置5和支撑固定装置6。其中，压力传感器2采用美国Celtron公司LCD-60tM型号的力传感器，位移测量装置4中的位移传感器采用瑞士Pretec公司2940型号的位移传感器。表1为测试所选取滚珠丝杠副样件的参数：

表1滚珠丝杠副样件参数

本发明的滚珠丝杠副额定静载荷测试方法，包括以下步骤：

步骤1、根据国际标准ISO 3408-5中滚珠丝杠副额定静载荷的计算公式可得标称额定静载荷值为：

式中，C_oa为滚珠丝杠副标称额定静载荷。由此确定施力装置施加载荷设定值的初始值为10％C_oa＝13.83KN，施加载荷设定值的步进值为10％C_oa＝13.83KN。确定总轴向变形量△l的初始值为0；确定测试次数i的初始值为1。

步骤2、施力装置向下施加压力产生轴向力，通过压力传感器读取轴向力数值，当轴向力达到施加载荷设定值时，进行压力卸载。

根据位移测量装置的记录值，计算位移测量装置记录的初始值l₁与压力卸载完成后位移测量装置记录的最终值l₂的差值，获取该次压力卸载完成后滚珠丝杠副的轴向变形量：

△l_i＝|l₁-l₂|

式中，i为测试次数，△l_i为第i次测试后滚珠丝杠副的轴向变形量；

将上述求取的轴向变形量与总轴向变形量进行累加，更新总轴向变形量：

△l＝△l+△l_i

步骤3、比较步骤2中更新后的总轴向变形量△l与额定静载荷允许最大变形量0.0001D_w＝0.635μm的大小，如果△l<0.635μm，则对施加载荷设定值增加一个步进值13.83KN，更新施加载荷设定值，并更新测试次数i＝i+1，返回步骤2；否则停止测试；其中D_w为滚珠直径。

步骤4、对测试过程中不断更新的施加载荷设定值进行数据处理，获取额定静载荷测试值。取最后两次测试的施加载荷设定值的平均值为额定静载荷测试值，即：

将测试的各项数据整理好，进行存档。

式中，C'_oa为额定静载荷测试值。

本发明的滚珠丝杠副额定静载荷测试系统及方法，填补了滚珠丝杠副额定静载荷测试方法的空白，测试所得结果为额定静载荷的理论研究提供试验验证，进而提高预判滚珠丝杠副产品性能的准确性。

Claims (9)

1.一种滚珠丝杠副额定静载荷测试系统，其特征在于，包括施力装置(1)、压力传感器(2)、丝杠防转装置(3)、待测滚珠丝杠副(4)、位移测量装置(5)和支撑固定装置(6)；

支撑固定装置(6)的上方设置位移测量装置(5)，待测滚珠丝杠副(4)垂直贯穿位移测量装置(5)和支撑固定装置(6)，待测滚珠丝杠副(4)同时位于位移测量装置(5)和支撑固定装置(6)的轴心，待测滚珠丝杠副(4)的顶部伸出端设置丝杠防转装置(3)，丝杠防转装置(3)的上方设置压力传感器(2)，压力传感器(2)的上方设置施力装置(1)。

2.根据权利要求1所述的滚珠丝杠副额定静载荷测试系统，其特征在于，位移测量装置(5)包括3个接触式位移传感器，该3个接触式位移传感器呈120°均匀分布。

3.根据权利要求1所述的滚珠丝杠副额定静载荷测试系统，其特征在于，支撑固定装置(6)通过螺钉与待测滚珠丝杠副(4)的螺母连接。

4.根据权利要求1所述的滚珠丝杠副额定静载荷测试系统，其特征在于，压力传感器(2)通过螺钉与施力装置(1)连接。

5.一种利用权利要求1所述测试系统的滚珠丝杠副额定静载荷测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、确定施力装置(1)施加载荷设定值的初始值和步进值；确定总轴向变形量△l的初始值为0；确定测试次数i的初始值为1；

步骤2、施力装置(1)向下施加压力产生轴向力，通过压力传感器(2)读取轴向力数值，当轴向力达到施加载荷设定值时，进行压力卸载，通过位移测量装置(5)读取的数值求取该次压力卸载完成后滚珠丝杠副的轴向变形量；将该次求取的轴向变形量与总轴向变形量进行累加，用累加后的轴向变形量更新总轴向变形量；

步骤3、将步骤2中更新后的总轴向变形量与额定静载荷允许最大变形量进行比较，判断施加载荷是否达到额定静载荷，如果达到则停止测试，否则对施加载荷设定值增加一个步进值，更新施加载荷设定值，并更新测试次数i＝i+1，返回步骤2；

步骤4、对测试过程中不断更新的施加载荷设定值进行数据处理，获取额定静载荷测试值。

6.根据权利要求5所述的滚珠丝杠副额定静载荷测试方法，其特征在于，步骤1确定施力装置(1)施加载荷设定值的初始值和步进值，是以国际标准ISO 3408-5中滚珠丝杠副额定静载荷计算公式所得的标称额定静载荷值为参考值，取所述参考值的10％为施加载荷设定值的初始值，表示为：10％C_oa，取参考值的10％为施加载荷设定值的步进值，表示为10％C_oa；其中，ISO 3408-5中滚珠丝杠副额定静载荷计算公式为：

式中，C_oa为滚珠丝杠副标称额定静载荷，D_pw为节圆直径，f_rs为滚珠丝杠滚道的适应度，α为接触角，D_w为滚珠直径，为导程角，z为滚珠承载个数。

7.根据权利要求5所述的滚珠丝杠副额定静载荷测试方法，其特征在于，步骤2的具体过程为：

步骤2-1、施力装置(1)向下施加压力产生轴向力，直至压力传感器(2)读取的轴向力数值达到施加载荷设定值；

步骤2-2、对施力装置(1)进行压力卸载；

步骤2-3、根据位移测量装置的记录值，计算位移测量装置记录的初始值l₁与步骤2-2压力卸载完成后位移测量装置记录的最终值l₂的差值，获取该次压力卸载完成后滚珠丝杠副的轴向变形量：

△l_i＝|l₁-l₂|

式中，i为测试次数，△l_i为第i次测试后滚珠丝杠副的轴向变形量；

步骤2-4、将步骤2-3求取的轴向变形量与总轴向变形量进行累加，更新总轴向变形量：

△l＝△l+△l_i。

8.根据权利要求5所述的滚珠丝杠副额定静载荷测试方法，其特征在于，步骤3的具体过程为：

比较步骤2中更新后的总轴向变形量△l与额定静载荷允许最大变形量0.0001D_w的大小，如果△l<0.0001D_w，则对施加载荷设定值增加一个步进值，更新施加载荷设定值，并更新测试次数i＝i+1，返回步骤2；否则停止测试；其中D_w为滚珠直径。

9.根据权利要求5所述的滚珠丝杠副额定静载荷测试方法，其特征在于，步骤4对测试过程中不断更新的施加载荷设定值进行数据处理，获取额定静载荷测试值具体为：

取最后两次测试的施加载荷设定值的平均值为额定静载荷测试值，即：

式中，C'_oa为额定静载荷测试值，F_N为最后一次测试的施加载荷设定值，F_N-1为倒数第二次测试的施加载荷设定值。