CN110006574A - 滚珠丝杠副摩擦力矩测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种滚珠丝杠副摩擦力矩测量装置，包括：套杯；座部；推力球轴承；作动头；杠杆机构。依据本发明的滚珠丝杠副摩擦力矩测量装置基于杠杆机构，以及适配的套杯可以保证具备较高的测量精度。

Description

滚珠丝杠副摩擦力矩测量装置

技术领域

本发明涉及一种滚珠丝杠副摩擦力矩测量装置。

背景技术

滚珠丝杠副的摩擦力矩是指各种摩擦因素如丝杠副的结构尺寸、加工误差、工作载荷、运转速度、润滑条件及环境参数等相关因素对滚珠丝杠运动构成的阻力矩，摩擦力矩是滚珠丝杠的重要性能参数。

若滚珠丝杠副摩擦力矩波动过大，会直接降低滚珠丝杠副的传动效率,导致运动的波动增加。除此之外滚珠丝杠的加工精度和定位精度也会受到影响，摩擦力矩过大将导致能耗提高，并且产生温升，温升则会导致滚珠丝杠副产生热变形，从而会影响定位精度，同时使滚珠丝杠磨损速率上升、润滑效果下降,其有效寿命缩短。

现如今各种机械制造设备尤其是数控机床朝着高速度、高精度且高负载、智能化方向的发展，摩擦力矩严重阻碍高精度、高速度的发展，其波动大小将直接影响设备的动态性能。

我国对于丝杠副摩擦力矩的研究方面起步较晚，国外的研究水平优于国内。早期对滚珠丝杠副摩擦力矩的测量只是简单通过“手感”来判定。

早期，如中国专利文献CN2092751U，其公开了一种滚珠丝杠副动态摩擦力矩测量装置，其具有一个本体和铰接于本体的刚性杆，刚性杆中部压在一压电元件上，刚性杆的悬伸端与被测螺母之间连接，被测螺母受到的摩擦力矩而带动刚性杆绕铰接部旋转而压制压电元件，而被压电元件所采样。该种结构需要支撑刀口和销轴孔与被测螺母连接，需要在被测螺母上加工出相应的结构，实施起来相对困难。另外，由于其所使用铰链为弹簧铰链，在进行测量时，刚性杆并不能保持水平，压电元件的受力条件不一致，测量的重复性会受到较大的影响。

中国专利文献CN200986478Y公开了一种滚珠丝杠副摩擦力矩测量仪，其基础构造类同于卧式车床，其将滚珠丝杠副中的丝杠装夹在卧式车床的尾座与床头箱之间，但该文献中并没有给出如何约束滚珠丝杠副上的螺母。若螺母被周向约束，其必然要在丝杠的轴向移动，在此条件下进行丝杠转动所需扭矩的测量。该种测量仪的装配结构非常复杂，并且对丝杠的测量经过多种中间部件，势必会产生比较大的累积误差。

中国专利文献CN204115926U公开了一种轴向作用力下滚珠丝杠摩擦力矩测试试验装置，其整体上与卧式车床也非常类似，被测丝杠被转动地安装在其所提供固定座和尾座间，螺母则被一个力矩测量机构所支撑，螺母在转动时，所产生的转矩即摩擦力矩。该种测量方式尽管也有力臂的存在，但力臂主要用来提供支撑，而非放大，换言之，该种试验装置对称重传感器的精度要求相对较高，并且整体结构相对比较庞大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测量精度相对比较高的滚珠丝杠副摩擦力矩测量装置。

依据本发明的实施例，提供一种滚珠丝杠副摩擦力矩测量装置，包括：

套杯，配有一对，相应两套杯对合而将被测螺母夹持在中间，两套杯与被测螺母共轴线；

座部，该座部提供座孔；

推力球轴承，用于套杯在座孔内的安装；

作动头，安装在套杯上或与套杯一体，该作动头具有作动面，该作动面在作动头随套杯运动到给定转角位时处于水平状态；

杠杆机构，包括杠杆和铰支座，其中，杠杆具有水平部分和第一竖直部分，水平部分铰支在铰支座上，第一竖直部分连接于水平部分的一端，且该第一竖直部分的上端为承压端，以承持所述作动面；

压力传感器，通过给定的支座安装在座部的杠杆另一端所在侧，并为杠杆另一端所抵压。

上述滚珠丝杠副摩擦力矩测量装置，可选地，套杯对合的一端具有法兰，两套杯通过法兰连接。

可选地，套杯对合的一端具有沉孔，以用于被测螺母的定位。

可选地，两套杯所对应两沉孔深度之和小于被测螺母的厚度。

可选地，座部配有一对，相应两座部间留有给定距离；

两法兰位于两座部间的空间内；

杠杆的水平部分位于两法兰的下方。

可选地，杠杆机构配有一对；

相应两水平部分平行设置，且相互间留有避干涉间隙；

相应两第一竖直部分分居在座部两侧，两第一竖直部分分居于对合所确定两对合部分间中分面的两侧；

适配地，作动头配有一对，两作动头在套杯上具有给定转角差；两作动头其一用于逆时针作动，另一用于顺时针作动。

可选地，所述转角差为90度。

可选地，杠杆的另一端连接有第二竖直部分。

可选地，于套杯两侧，铰支座偏置在第二竖直部分所在侧。

可选地，所述支座具有向套杯侧水平悬伸并具有定位螺钉孔的安装板；

提供配合于定为螺钉孔的定位螺钉，

所述压力传感器安装在定位螺钉与杠杆另一端对位的一端。

本发明实施例所提供滚珠丝杠副摩擦力矩测量装置使用一对套杯将被测螺母夹装，形成一总成，然后将该总成通过轴承安装在座部上，套杯相当于对被测螺母提供了特定的支撑，不会使被测丝杠产生附加力矩，所测对象更精准的表现为滚珠丝杠副的摩擦力矩。进一步在套杯上安装作动头，作动头在套杯处于给定的转角时所提供作动面是水平的。适配一杠杆机构，该杠杆机构具有水平部分和第一竖直部分，其中第一竖直部分上端承压作动面，杠杆可提供力的放大，设计空间相对较大，基于放大，可以保证测力部分的测量精度。

附图说明

图1为一实施例中示意杠杆机构在滚珠丝杠副摩擦力矩测量装置的构造示意图。

图2为一实施例中滚珠丝杠副摩擦力矩测量装置左视结构示意图。

图3为一实施例中滚珠丝杠副摩擦力矩测量装置立体结构示意图。

图4为一实施例中滚珠丝杠副摩擦力矩测量装置俯剖结构示意图。

图中：1.水平部分，2.第一竖直部分，3.作动头，4.法兰，5.螺栓，6.作动头，7.转轴，8.铰支座，9.定位螺钉，10.压力传感器，11.竖架，12.第二竖直部分，13.底座，14.螺钉，15.托架，16.螺栓，17.螺钉，18.基座，19.被测丝杠，20.座套，21.套杯，22.推力球轴承，23.被测螺母，24.螺栓，25.座孔，26.环形压力传感器。

具体实施方式

关于丝母丝杠副，其丝杠，如图3和4中所示的被测丝杠19，其在机械领域主要实现直线拖动，把旋转运动转换成直线运动，所适配的被测螺母23与其间形成丝杠副。在拖动过程中，被测螺母23要沿着被测丝杠19的轴向移动，如果被测螺母23缺少支撑，会在被测丝杠19上产生弯矩，会产生压力角的微量变形，影响测量精度。而如果提供支撑则会引入其他的误差，也会影响测量精度。

在优选的实施例中，关于摩擦力矩的测定，除了直观的由压力传感器10的测定外，还可以有进一步的由摩擦副参数的确定，即摩擦力根据摩擦力矩可以确定的条件下，如果能够进一步确定作用于摩擦副上的正压力，则摩擦副的摩擦系数可被确定。

关于轴向力的加载，可用直线电机对被测螺母23的加载。具体加载方式如下，座套20一方面起支撑作用，另一方面是基座18通过螺钉17固定在底座13上，而底座13与直线电机的驱动轴连接，当直线电机工作时提供与被测丝杠19进给方向相反的力，基座18与座套20是一体结构，此力通过座套20均匀加载到环形压力传感器26上。压力传感器26位于座套20内，由推力球轴承22所承压。

直线电机产生的驱动力与被测螺母23进给方向相反，直线电机产生的驱动力通过基座18、座套20传递到环形压力传感器26，进而由推力球轴承22、套杯21传递到被测螺母23，受力过程中各部分彼此贴合从而达到给被测螺母23轴向加载的目的。假设被测螺母23向右进给，为产生与其相反的轴向力，此时图4右边的座套20应该与环形压力传感器26贴合，其实现方式为被测螺母23向右进给时会连带着推力球轴承22和环形压力传感器26向右移动，此时由于直线电机带动座套20向左运动以产生加载力，最终座套20会与环形压力传感器26贴合完成轴向力加载。

当被测螺母23向左进给时的轴向力加载原理同上。

参见说明书附图1~4所示的一种滚珠丝杠副摩擦力矩测量装置，其具有一对套杯21，套杯21在图中是一个一端带有凸缘（图示的法兰4）的圆套状部件，套杯21带有凸缘的一端设有沉孔，以用于被测螺母23的定位，图4中可见，被测螺母23的外径小于沉孔的孔径，换言之，被测螺母23的径向并没有被沉孔所定位，不过在一些实施例中，针对特定的被测螺母23，所提供套杯21可以对被测螺母23的径向进行定位。

在图4所示的结构中，被测螺母23主要在被测丝杠19的轴向被定位在沉孔内。

关于套杯21，其配有一对，对被测螺母23的定位方式采用两套杯21对合的方式将被测螺母23夹持在两者之间，并使两套杯21与被测螺母23共轴线。

两套杯21间的同轴度容易保证，两者对合可以基于沟槽凸缘进行相互间的同轴定位，如果两者不适宜直接机械接触，图中的法兰4除了螺栓孔外，还包括一对定位销孔，通过一对定位销以保证两套杯21间的同轴度。

关于被测螺母23与两套杯21间的同轴度，可以通过一阶梯型的定位柱作为被测螺母23和一套杯21的定位工装，在两套杯21与被测螺母23装配完成后，撤除定位柱即可。

被测螺母23与两套杯21间装配后形成一个总成，其需要在被测丝杠19的轴向移动。提供一个座部，该座部在图4中表现为一个座套20，也构成套件，套内具有管孔，管孔在适配于前述总成的位置开有座孔25。

关于被测螺母23，其游动距离无需太大，为克服静摩擦和初始爬行阶段的影响，被测螺母23在被测量时被测丝杠19应有转动，转动量最好大于30度，但不宜过大，否则会导致被测螺母23的游动量过大，不利于测量机构的布设，优选地，被测丝杠19的转动量小于等于120度。

在图4所示的结构中两推力球轴承22在被测丝杠19的轴向。于两座孔25内有一定量的活动空间，该一定量的活动空间适配被测丝杠19的最大转角差。

关于轴承，本装置选用图4中所示的推力球轴承22，以向右进给为例，当被测螺母23有转动或转动趋势时，会连带着法兰4跟套杯21一起有转动或具有转动趋势，此时推力球轴承22右边的保持架也会有转动或转动趋势，由于左边的保持架与套杯21存在间隙并与环形压力传感器26和座套20贴合，而座套20固定在底座13上，此时推力球轴承22的左保持架不动，右保持架有转动趋势，这就利用了推力球轴承22自身的摩擦力矩测量丝杠副的摩擦力矩。最后测得的摩擦力矩是推力球轴承22的自身摩擦力矩和丝杠副摩擦力矩的矢量和，其转动或有转动趋势时推力球轴承22的摩擦力矩是一个阻力矩，被测螺母23有转动趋势时首先要克服推力球轴承22的摩擦力矩，真实的摩擦力矩应该加上推力球轴承22的摩擦力矩，而推力球轴承22的摩擦力矩可事先通过计算标定处理。

轴承主要用于套杯21在座孔25内的安装。

关于被测丝杠19的装设，可以在被测螺母23装配上之后再穿设。

在图2和图3所示的结构中，配有两个作动头3，作动头3是力矩输出结构或部件，在图中表现为一个块或者片状的结构体通过螺栓5装配在法兰4上，其作动面为平面，从而可适配于图1所示的作动状态，使杠杆机构动作。

图1中为简化的结构，图中反应出一套杠杆机构，减少其他结构体的干扰，在一些实施例中也可以仅采用一套杠杆机构。在本发明的实施例中，选用两套杠杆机构的情形，可以用于丝母丝杠副的正反转摩擦力矩的测量。

图1中，为保证采样的准确性，作动头3或作动头6处于作动状态时其作动面应恰好水平或者大致水平。相应地，作动面在作动头随套杯21运动到给定转角位时处于水平状态。

图1中比较清晰的反应出一杠杆机构，图中的杠杆机构中的杠杆为三节段结构，杠杆的基础部分为图中的水平部分1，图中，水平部分1的铰支座8偏置在法兰4的右侧，即图中作动头3较小的力可以产生较大的力臂，从而图中的压力传感器10所承受的力比较大的，易于对微量的力的变化有比较灵敏的采样。

图1中可见，杠杆的水平部分1左右两端的力臂处于最大状态，杠杆因此还具有位于水平部分1左端的第一竖直部分2和位于水平部分1右端的第二竖直部分12。

其中，第一竖直部分2为杠杆机构的动力输入端，第一竖直部分2的上端为承压端，用于承受作动头3的下压力，即第一竖直部分2的上端用来承持所述作动面。

图1中的压力传感器为高灵敏压力传感器10，图中，将其安装在定位螺钉9的下端，并与第二竖直部分12对位，为第二竖直部分12的上端所抵压。

关于压力传感器所采样信号的处理属于常规的处理，在此不再赘述，在本发明的实施例中仅提供测量装置的机械部分。

关于两个套杯21的对合，对是端端连接，合是机械中的锁合，对合可以基于连接头直接连接，例如一套杯21的对合端具有螺纹头，另一套杯21的对合端具有螺套，两者可以直接旋合。

在图4所示的结构中，套杯21均是对合端具有凸缘的套杯21，凸缘为法兰盘，表示在图中为法兰4，法兰4具有多个螺栓孔，通过若干螺栓5实现两套杯21间的固定连接。

法兰4易于实现两个套杯21间的对中，如前所述，可以可通过一对定位销进行法兰4间的初始定位，然后再通过螺栓5锁紧。两定位销间关于套杯21的对称。

关于前述的沉孔，从图4中可以比较清楚的看出，被测螺母23的两端相应被容置在沉孔内从而被可靠定位，沉孔孔径可以相对较大，以适配不同大小的被测螺母23。

沉孔的深度应不影响被测螺母23基于对合的压紧，因此，两个沉孔深度之和应小于被测螺母23的厚度。螺母的厚度在机械领域是指其轴向的长度。

从图3和图4中可以看出，作为座部的座套20配有一对，两座套20间留有给定距离，凸缘，即图中的法兰4介于两座套20间，从给定距离所确定出的空间中探出，用于两套杯21装配的螺栓5位于座套20径向外侧，可避免装配干涉。

杠杆的水平部分1位于两法兰的下方，相对而言，两座套20的座部即图3中所示的基座18间也留有间隙，以用于杠杆机构装配。

座套20的基座18通过螺钉17安装在图3中所示的底座13上，分别装配有利于前述总成在座套20上的装配。

在图2~4所示为优选实施例中滚珠丝杠副摩擦力矩测量装置杠杆机构的配置，杠杆机构配有一对，其一用于被测丝杠19顺时针转动时的测量，另一用于被测丝杠19逆时针转动时的测量。

配置为两个杠杆机构时，相应两水平部分1平行设置，且相互间留有避干涉间隙。

相应两第一竖直部分2分居在座部两侧，两第一竖直部分2分居于对合所确定两对合部分间中分面的两侧。

适配地，图中有作动头3和作动头6，两作动头在套杯上具有给定转角差，图中所示的转角差为90度，所需要的被测丝杠19的连续转动量不大，所适配的被测螺母23的连续移动量也相对较小，有利于其定位和杠杆机构的配置。

两作动头其一用于逆时针作动，另一用于顺时针作动。

关于压力传感器的位置，如图1所示，图中，所述支座即图中所示的竖架11，其具有向套杯侧水平悬伸并具有定位螺钉孔的安装板。

相应地，提供配合于定为螺钉孔的定位螺钉9；

所述压力传感器安装在定位螺钉9与杠杆另一端对位的一端。

定位螺钉9可以用来调整压力传感器的位置，以确保其与杠杆另一端正对。

Claims (10)

1.一种滚珠丝杠副摩擦力矩测量装置，其特征在于，包括：

套杯，配有一对，相应两套杯对合而将被测螺母夹持在中间，两套杯与被测螺母共轴线；

座部，该座部提供座孔；

轴承，用于套杯在座孔内的安装；

作动头，安装在套杯上或与套杯一体，该作动头具有作动面，该作动面在作动头随套杯运动到给定转角位时处于水平状态；

杠杆机构，包括杠杆和铰支座，其中，杠杆具有水平部分和第一竖直部分，水平部分铰支在铰支座上，第一竖直部分连接于水平部分的一端，且该第一竖直部分的上端为承压端，以承持所述作动面；

压力传感器，通过给定的支座安装在座部的杠杆另一端所在侧，并为杠杆另一端所抵压。

2.根据权利要求1所述的滚珠丝杠副摩擦力矩测量装置，其特征在于，套杯对合的一端具有法兰，两套杯通过法兰连接。

3.根据权利要求2所述的滚珠丝杠副摩擦力矩测量装置，其特征在于，套杯对合的一端具有沉孔，以用于被测螺母的定位。

4.根据权利要求3所述的滚珠丝杠副摩擦力矩测量装置，其特征在于，两套杯所对应两沉孔深度之和小于被测螺母的厚度。

5.根据权利要求2~4任一所述的滚珠丝杠副摩擦力矩测量装置，其特征在于，座部配有一对，相应两座部间留有给定距离；

两法兰位于两座部间的空间内；

杠杆的水平部分位于两法兰的下方。

6.根据权利要求5所述的滚珠丝杠副摩擦力矩测量装置，其特征在于，杠杆机构配有一对；

相应两水平部分平行设置，且相互间留有避干涉间隙；

相应两第一竖直部分分居在座部两侧，两第一竖直部分分居于对合所确定两对合部分间中分面的两侧；

适配地，作动头配有一对，两作动头在套杯上具有给定转角差；两作动头其一用于逆时针作动，另一用于顺时针作动。

7.根据权利要求6所述的滚珠丝杠副摩擦力矩测量装置，其特征在于，所述转角差为90度。

8.根据权利要求1所述的滚珠丝杠副摩擦力矩测量装置，其特征在于，杠杆的另一端连接有第二竖直部分。

9.根据权利要求8所述的滚珠丝杠副摩擦力矩测量装置，其特征在于，于套杯两侧，铰支座偏置在第二竖直部分所在侧。

10.根据权利要求1、8或9所述的滚珠丝杠副摩擦力矩测量装置，其特征在于，所述支座具有向套杯侧水平悬伸并具有定位螺钉孔的安装板；

提供配合于定为螺钉孔的定位螺钉，

所述压力传感器安装在定位螺钉与杠杆另一端对位的一端。