CN110146285B

CN110146285B - 基于受载变形曲线的滚珠丝杠副最大轴向载荷测量方法

Info

Publication number: CN110146285B
Application number: CN201910372833.3A
Authority: CN
Inventors: 周长光; 王凯; 张鲁超; 聂从辉; 冯虎田; 欧屹
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2019-05-06
Filing date: 2019-05-06
Publication date: 2020-10-30
Anticipated expiration: 2039-05-06
Also published as: CN110146285A

Abstract

本发明公开了基于单螺母受载变形曲线的双螺母滚珠丝杠副最大轴向载荷测量方法，包括以下步骤：测量待测双螺母滚珠丝杠副摩擦力矩，并据此计算双螺母滚珠丝杠副的预紧力F_P；再将双螺母滚珠丝杠副的副螺母拆下，利用轴向加载测试系统测得主螺母的实际载荷‑形变曲线；然后重新组装主副螺母，恢复之前的预紧力。分析测量得到的载荷‑形变曲线，设定轴向载荷为预紧力F_P时对应的形变为δ，则形变为2δ对应的载荷即为双螺母滚珠丝杠副的最大轴向载荷。本发明能实测双螺母滚珠丝杠副的最大轴向载荷，测量结果涵盖了滚道几何误差、螺纹变形量以及垫片等弹性元件的变形量带来的影响，测量结果准确。

Description

基于受载变形曲线的滚珠丝杠副最大轴向载荷测量方法

技术领域

本发明属于滚珠丝杠副性能测试领域，特别是基于单螺母受载变形曲线的双螺母滚珠丝杠副最大轴向载荷测量方法。

背景技术

滚珠丝杠副是数控机床的核心功能部件，其精度保持时间决定了机床的可靠使用寿命，而滚珠丝杠副的预紧力对其精度保持时间有很大影响。当双螺母滚珠丝杠副所受的轴向载荷达到最大轴向载荷时，滚珠丝杠副一端螺母的滚道会与滚珠脱开，此时达到卸载状态，所有载荷都由另一端的螺母承受。卸载状态的滚珠与滚道之间的接触处于极其不稳定的状态，滚珠丝杠副会产生反向间隙，定位精度无法保证，基本失去了精度保持能力。因此，双螺母滚珠丝杠副的最大轴向载荷的准确测量对防止卸载状态的出现至关重要。

通过查阅相关资料文献，由于装配调试完成的双螺母滚珠丝杠副内部空间封闭，无法获取内部接触情况，对滚珠丝杠副的最大轴向载荷的实测十分困难，目前国内外尚未形成有效的测量方法。现有关于最大轴向载荷的计算都是基于理论分析，但是滚珠丝杠副在加工过程中存在几何误差，承载后丝杠、螺母滚道及其他弹性元件也会发生形变，这些都会使得最大轴向载荷的理论值和实际值存在较大偏差。因此，现阶段急需提供一种双螺母滚珠丝杠副最大轴向载荷的准确测量方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于受载变形曲线的双螺母滚珠丝杠副最大轴向载荷的测量方法，为滚珠丝杠副的最大轴向载荷的理论研究提供试验验证，为判断滚珠丝杠副的卸载状态提供依据。

实现本发明目的的技术解决方案为：基于受载变形曲线的滚珠丝杠副最大轴向载荷测量方法，包括以下步骤：

步骤1、将待测双螺母滚珠丝杠副安装在摩擦力矩测量系统中测得其摩擦力矩，并根据摩擦力矩求解其预紧力F_P；

步骤2、将待测双螺母滚珠丝杠副的两个螺母沿垫片拆开，将副螺母拆下，保留主螺母在丝杠轴上，此后待测滚珠丝杠副视为单螺母滚珠丝杠副；

步骤3、将待测滚珠丝杠副的保留部分安装于轴向加载测试系统中，通过移动加载部件完成预加载和卸载，消除加载部件和待测滚珠丝杠副之间的间隙；

步骤4、控制加载部件持续加载，根据压力传感器和位移传感器的示值，绘制完整加载过程的载荷形变关系曲线L；

步骤5、重新组装滚珠丝杠副，通过调整垫片调节预紧力至初始状态F_P，结合F_P和载荷形变曲线，求取待测滚珠丝杠副最大轴向载荷。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)通过实际测量单螺母滚珠丝杠副受载变形曲线，准确获得双螺母滚珠丝杠副的实际最大轴向载荷，解决了目前无法测量双螺母滚珠丝杠副最大轴向载荷的问题；2)考虑了滚珠丝杠副中滚道几何误差带来的变形量、螺纹变形量以及垫片等其他弹性元件的变形恢复量，相较于传统理论分析结果更为准确有效，同时为理论分析提供试验验证，提高对双螺母滚珠丝杠副卸载状态预判的准确性；3)本发明的方法不仅适用于完成装配出厂的滚珠丝杠副产品的最大轴向载荷研究，同样适用于未完成装配的滚珠丝杠副。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明基于受载变形曲线的滚珠丝杠副最大轴向载荷测量方法流程图。

图2为本发明中滚珠丝杠副轴向加载测试系统结构图。

图3为本发明滚珠丝杠副最大轴向载荷在载荷形变曲线上的分析示意图。

图4为本发明实施例滚珠丝杠副最大轴向载荷在载荷形变曲线上的分析示意图。

具体实施方式

结合图1，本发明基于受载变形曲线的滚珠丝杠副最大轴向载荷测量方法，包括以下步骤：

进一步地，步骤1中F_P的计算公式为：

式中，M_test为待测滚珠丝杠副空载摩擦力矩，α₀为接触角，μ为待测滚珠丝杠副摩擦系数，r_m为丝杠轴的半径，r_b为滚珠的半径。

进一步地，步骤3、步骤4是基于轴向加载测试系统进行测量，结合图2，轴向加载测试系统包括从上至下依次同轴设置的加载部件1、压力传感器2、待测件防转装置3、位移传感器4、待测滚珠丝杠副5、待测件固定装置6。

进一步地，结合图3，步骤5中结合F_P和载荷形变曲线，求取待测滚珠丝杠副最大轴向载荷，具体为：

载荷形变关系曲线L表示为：

F＝f(x)

式中，F为轴向载荷，x为对应的形变；

将步骤1获得的待测滚珠丝杠副的预紧力F_P代入上述曲线L的公式，即获得待测滚珠丝杠副在轴向载荷F_P作用下的形变量δ，则待测滚珠丝杠副最大轴向载荷F_max为形变量2δ对应的轴向载荷，即F_max＝f(2δ)。特别说明，具体原理如下：由于待测滚珠丝杠副中主螺母与副螺母经同一厂家同一批次加工完成，其在相同载荷下变形量基本一致。因待测滚珠丝杠副出厂时有预紧力F_P，所以待测滚珠丝杠副的主螺母和副螺母在轴向载荷F_P下的形变量均为δ。当待测滚珠丝杠副的轴向受载达到最大轴向载荷F_max时，主螺母的弹性压缩量刚好抵消副螺母的弹性恢复量，此时主螺母形变量为预紧力时的两倍即为2δ。

实施例

本实施例中，利用本发明的方法测量一根长度740mm的40-10型双螺母垫片预紧滚珠丝杠副的最大轴向载荷。该双螺母垫片预紧滚珠丝杠副主要参数如下表1所示：

表1双螺母垫片预紧滚珠丝杠副主要参数

参数	数值
		滚珠半径r<sub>b</sub>(mm)	3.175
丝杠半径r<sub>m</sub>(mm)	20
		接触角α<sub>0</sub>(ο)	45
摩擦系数μ	0.0045

利用本发明基于受载变形曲线的滚珠丝杠副最大轴向载荷测量方法进行测量，包括以下内容：

1、将滚珠丝杠副安装在摩擦力矩测量系统中，测得摩擦力矩平均值为2.83Nm，通过公式计算获得预紧力F_P：

2、从垫片处拆开双螺母，保留主螺母在丝杠上形成单螺母滚珠丝杠副。

3、将单螺母滚珠丝杠副固定在如图2所示的轴向加载测试系统上，完成三次预加载试验消除间隙。

4、通过加载装置对单螺母滚珠丝杠副施加载荷，获得载荷形变曲线如图4所示。

5、重新组装滚珠丝杠副，调节其预紧力至初始状态。

在载荷形变曲线上找到纵坐标为10kN的点对应的横坐标，标记为形变δ，则形变为2δ的点对应的纵坐标为F_max＝33kN。至此完成对双螺母滚珠丝杠副最大轴向载荷的测量。

本发明能实测双螺母滚珠丝杠副的最大轴向载荷，测量结果涵盖了滚道几何误差、螺纹变形量以及垫片等弹性元件的变形量带来的影响，相较于传统的理论分析更为准确有效，且解决了国内目前无法测量的问题。

Claims

1.基于受载变形曲线的滚珠丝杠副最大轴向载荷测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤5、重新组装滚珠丝杠副，通过调整垫片调节预紧力至初始状态F_P，结合F_P和载荷形变曲线，获取待测滚珠丝杠副最大轴向载荷；其中，结合F_P和载荷形变曲线，获取待测滚珠丝杠副最大轴向载荷，具体为：

将步骤1获得的待测滚珠丝杠副的预紧力F_P代入载荷形变关系曲线L的公式，即获得待测滚珠丝杠副在轴向载荷F_P作用下的形变量δ，则待测滚珠丝杠副最大轴向载荷F_max为形变量2δ对应的轴向载荷，即F_max＝f(2δ)；

其中，载荷形变关系曲线L表示为：

F＝f(x)

式中，F为轴向载荷，x为对应的形变。

2.根据权利要求1所述的基于受载变形曲线的滚珠丝杠副最大轴向载荷测量方法，其特征在于，步骤1所述F_P的计算公式为：

3.根据权利要求1或2所述的基于受载变形曲线的滚珠丝杠副最大轴向载荷测量方法，其特征在于，步骤3、步骤4是基于轴向加载测试系统进行测量，所述轴向加载测试系统包括从上至下依次同轴设置的加载部件(1)、压力传感器(2)、待测件防转装置(3)、位移传感器(4)、待测滚珠丝杠副(5)、待测件固定装置(6)。