CN110542505B - 一种滚珠丝杠副摩擦力矩测量装置、方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种滚珠丝杠副摩擦力矩测量装置、方法及应用，包括驱动器、传感器和控制器，驱动器用于连接滚珠丝杠副的预紧机构，驱动器能够调整预紧机构与丝杠之间的轴向间隙；传感器能够与预紧机构连接，以获得不同预紧力下的测量数据；传感器和驱动器均连接控制器。本发明通过调整滚珠丝杠副的预紧螺母的预紧力，测量不同预紧力下的滚珠丝杠副摩擦力矩测量。

Description

一种滚珠丝杠副摩擦力矩测量装置、方法及应用

技术领域

本发明涉及测量装置领域，具体的，涉及一种滚珠丝杠副摩擦力矩测量装置、方法及应用。

背景技术

随着航空航天国防工业领域、深海作业装备、高端数控装备的飞速发展，如航天飞行器舱门的开闭、飞机起落架的收放、深海作业的机械手臂摆动以及数控机床等许多重要应用场合都采用滚珠丝杠副作为传动元件。以滚珠丝杠副组成的机电伺服传动机构对滚珠丝杠副传动柔顺性、传动精度及稳定性等都提出了更高的要求。滚珠丝杠副的预紧力是滚珠丝杠副中产生丝杠摩擦力矩的主要因素，对螺母施加预紧力，可以提高滚珠丝杠副的轴向刚度和定位精度。若只考虑滚珠丝杠副的刚度及定位精度，预紧力则越大越有利，可以更好地消除由弹性变形所引起的轴向间隙。

但是，发明人认为，过大的预紧力会增大驱动力矩，降低传动效率，温度升高，加剧滚珠与滚道之间的接触疲劳和磨损，缩短工作寿命。因此可调控预紧力系统与其摩擦力矩测试对提高滚珠丝杠副的传动性能具有重要意义，二目前缺少一种能够精确测量滚珠丝杠副摩擦力矩的装置及方法。

发明内容

针对目前缺少一种能够精确测量滚珠丝杠副摩擦力矩的装置及方法的不足，本发明旨在提供一种滚珠丝杠副摩擦力矩测量装置、方法及应用，其通过调整滚珠丝杠副的预紧螺母的预紧力，测量不同预紧力下的滚珠丝杠副摩擦力矩测量。

本发明的第一目的，是提供一种滚珠丝杠副摩擦力矩测量装置。

本发明的第二目的，是提供一种滚珠丝杠副摩擦力矩测量方法。

本发明的第三目的，是提供一种滚珠丝杠副摩擦力矩测量装置的应用。

为实现上述发明目的，本发明公开了下述技术方案：

首先本发明公开了一种滚珠丝杠副摩擦力矩测量装置，包括驱动器、传感器和控制器，驱动器用于连接滚珠丝杠副的预紧机构，驱动器能够调整预紧机构与丝杠之间的轴向间隙进而调整预紧力；传感器能够与预紧机构连接，以获得不同预紧力下的测量数据；

传感器和驱动器均连接控制器。

进一步，所述预紧机构包括第一预紧螺母和第二预紧螺母，第一预紧螺母和第二预紧螺母均为法兰螺母，第一预紧螺母第一预紧螺母的法兰盘连接驱动器，第二预紧螺母第二预紧螺母的法兰盘连接驱动器；

所述传感器通过力测量杆连接测力安装套，测力安装套套接于第一预紧螺母的法兰盘。

进一步，力测量杆螺纹连接测力安装套。

进一步，所述丝杠还通过驱动螺母工作台板；

所述传感器为U型拉压力传感器，U型拉压力传感器通过U型拉力传感器座安装于工作台板。

进一步，还包括力测量架，力测量架安装于U型抗拉力传感器和U型拉力传感器座之间，用于连接U型抗拉力传感器和U型拉力传感器座。

进一步，所述工作台板的底侧连接滑块，滑块与导轨配合连接；导轨安装于所述丝杠的两侧，导轨高于所述丝杠。

进一步，所述驱动器为超磁致伸缩驱动器。

其次，本发明还公开了滚珠丝杠副摩擦力矩测量方法，通过控制驱动器的伸缩，实现第一预紧螺母与第二预紧螺母之间预紧力的调整，传感器可实时测量不同预紧力下预紧机构的扭转力的大小。

具体的，滚珠丝杠副摩擦力矩测量方法包括以下步骤：

动力源驱动丝杠旋转，驱动螺母驱动工作台板运行，U型拉力传感器座通过力测量架带动U型拉压力传感器跟随工作台板运动；

预紧机构和驱动器具有旋转动能，套接在预紧螺母上的测力安装套亦具有旋转动能，螺纹连接在测力安装套的力测量杆拨动传感器，传感器阻止预紧机构和驱动器旋转，传感器可实时测量扭转力的大小。

再次，本发明还公开了滚珠丝杠副摩擦力矩测量装置在跑和磨损领域的应用，对滚珠丝杠副进行跑和磨损试验，通过驱动器的反馈实时监测因跑和磨损引起的预紧力退化状况。

与现有技术相比，本发明取得了以下有益效果：

1)通过本发明所公开的装置和方法，本领域技术人员可以通过控制超磁致伸缩驱动器的伸缩，实现第一预紧螺母与第二预紧螺母之间预紧力的调整，传感器可实时测量不同预紧力下扭转力的大小，从而可指导精密滚珠丝杠副传动柔顺性设计，以及提高其定位精度。

2)本发明中，使用超磁致伸缩器来改变预紧机构的预紧力大小，其所使用的超磁致伸缩器，能够在短时间内改变丝杠的转向，还能更精确地调整丝杠的转速，从而满足传感器的测量要求，实现第一预紧螺母与第二预紧螺母之间预紧力的调整，从而使得传感器可实时测量不同预紧力下扭转力的大小。

3)本发明中，，第一预紧螺母通过滚珠与丝杠配合；而第一预紧螺母又与超磁致伸缩器连接，磁致伸缩器与第二预紧螺母连接；传感器测量的是由第一预紧螺母、超磁致伸缩驱动器和第二预紧螺母组成的双螺母预紧系统摩擦力矩的大小，因此第一预紧螺母的法兰盘传感器所能反映出的扭转力矩大小是最接近于双螺母预紧系统摩擦力矩的大小。

4)本发明所公开的装置还能用于监测因跑和磨损引起的预紧力退化状况，因此本发明所公开的装置能在多种场合使用。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为展示了实施例1内部结构的剖视图，

图2为展示了实施例1外部结构的第一角度立视图，

图3为展示了实施例1外部结构的第二角度立视图。

图中，1、伺服电机，2、联轴器，3、前轴承座，4、导轨，5、丝杠，6、底座，7、第一预紧螺母，8、第一预紧螺母的法兰盘，9、超磁致伸缩器，10、第二预紧螺母的法兰盘，11、第二预紧螺母，12、驱动螺母，13、后轴承座，14、滑块，15、U型拉压力传感器，16、力测量架，17、U型拉力传感器座，18、测力安装套，19、力测量杆，20、电机座，21、工作台板，22、驱动螺母连接板。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所述，针对现有的缺少一种能够精确测量滚珠丝杠副摩擦力矩的装置及方法的不足，本发明旨在提供缺少一种能够精确测量滚珠丝杠副摩擦力矩的装置及方法，其预紧力可调，可适用于多种环境中，现结合附图和具体实施方式对本发明进一步进行说明。

实施例1

本实施例公开了一种用于测量滚珠丝杠副摩擦力矩测量的装置，包括驱动器、传感器和控制器，驱动器用于连接滚珠丝杠副的预紧机构，驱动器能够调整预紧机构与丝杠之间的轴向间隙；传感器能够与预紧机构连接，以获得不同预紧力下的测量数据；

传感器和驱动器均连接控制器，控制器可选用MCU、PC或PDA。

本实施例用于测量滚珠丝杠副的摩擦力矩，本实施例中的滚珠丝杠副的具体结构为包括预紧机构、丝杠和驱动机构，预紧机构和驱动机构均与丝杠5套接；其中，预紧机构包括第一预紧螺母7和第二预紧螺母11，第一预紧螺母7和第二预紧螺母11均与丝杠5配合；驱动机构包括驱动螺母12，驱动螺母12连接于丝杠5，驱动螺母12的还通过驱动螺母连接板22连接工作台板21；可以理解的是，驱动螺母连接板22是用于连接驱动螺母12与工作台板21的板状件，驱动螺母连接板22用于将驱动螺母12的螺旋直线运动转化为直线运动，因此驱动螺母连接板22具有用于套接驱动螺母12的安装孔；可以理解的是，第一预紧螺母7、第二预紧螺母11与丝杠5之间的滚道内具有滚珠。

可以理解的，超磁致伸缩驱动器9是一种特殊的驱动器，其定子采用管状非磁性材料，并与圆柱形超磁致伸缩棒具有相同的直径。当移动线圈通入电流且未知发生变化时，超磁致伸缩棒运动部分分别在轴向上产生磁致伸缩变化，蠕动前进，以上为现有技术，在此不再做过多阐释。

需要指出的是，本实施例中，超磁致伸缩驱动器9的作用是传统的步进电机所替代不了的，超磁致伸缩驱动器9在其运动过程中可以通过控制器轻易做到毫米级、微米级的位移控制，从而与丝杠5的运动精度相匹配。

第一预紧螺母7通过第一预紧螺母的法兰盘8连接超磁致伸缩驱动器9，第二预紧螺母11通过第二预紧螺母的法兰盘10连接超磁致伸缩驱动器9，从而，超磁致伸缩驱动器9实际上是连接第一预紧螺母7和第二预紧螺母11的连接件，其作用是连接第一预紧螺母7和第二预紧螺母11，从而控制第一预紧螺母7和第二预紧螺母11之间的预紧力，超磁致伸缩驱动器9与第一预紧螺母7和第二预紧螺母11的具体的连接关系为，超磁致伸缩驱动器9的管状非磁性材料套于第一预紧螺母的法兰盘8和第二预紧螺母的法兰盘10的外侧，超磁致伸缩驱动器9的圆筒形超磁致伸缩棒连接第一预紧螺母的法兰盘8或第二预紧螺母的法兰盘10，从而控制第一预紧螺母7和第二预紧螺母11的预紧力。

更为具体的，滚珠丝杠副的预紧力调整原理是，通过调整使法兰盘与预紧螺母，使得其中的滚珠在承受载荷前就以一定的压力分别压向滚珠螺母与滚珠丝杠5滚道相反的侧面，产生一定的变形，以达到消除轴向间隙与预紧的目的。

所述传感器为U型拉压力传感器15，U型拉压力传感器15通过U型拉力传感器座17安装于工作台板21。

本实施例所示的装置还包括力测量架16，力测量架16安装于U型抗拉力传感器和U型拉力传感器座17之间，用于连接U型抗拉力传感器和U型拉力传感器座17。

所述丝杠5可拆卸的连接动力源，所述丝杆的第一端和第二端分别连接第一轴承座3和第二轴承座13。具体的，所述丝杠5的第一端通过联轴器2连接伺服电机1。

所述工作台板21的底侧连接滑块14，滑块14与导轨4配合连接；导轨4安装于所述丝杠5的两侧，导轨4高于所述丝杠5。

可以理解的是，本实施例中的导轨4是用于辅助工作台板21的运动的。

所述传感器通过力测量杆19与预紧机构连接；

本实施例所示的装置还包括测力安装套18，测力安装套18套结在第一预紧螺母的法兰盘的外圆，力测量杆19螺纹连接测力安装套18。

需要注意的是，本实施例中驱动器选用超磁致伸缩驱动器，还可以选择其他能够达到微米级位移控制的驱动器。

实施例2

实施例2公开了滚珠丝杠副摩擦力矩测量方法，通过控制超磁致伸缩驱动器9的伸缩，实现第一预紧螺母7与第二预紧螺母11之间预紧力的调整，传感器可实时测量不同预紧力下扭转力的大小。

具体的，所述滚珠丝杠副摩擦力矩测量方法包括以下步骤：

动力源驱动丝杠5旋转，驱动螺母12驱动工作台板21运行，U型拉力传感器座17通过力测量架16带动U型拉压力传感器15跟随工作台板21运动；

此时动力源驱动预紧机构和超磁致伸缩驱动器9同时旋转，螺纹连接在测力安装套18的力测量杆19拨动传感器，传感器阻止预紧机构和超磁致伸缩驱动器9旋转，传感器可实时测量扭转力的大小。

实施例3

实施例3公开了一种将实施例1所公开的滚珠丝杠副摩擦力矩测量装置应用于磨损领域的应用，对滚珠丝杠副进行跑和磨损试验，通过超磁致伸缩驱动器9的反馈，实时监测因跑和磨损引起的预紧力退化状况。

具体的，本实施例中的跑和磨损试验是指，将实施例1中的驱动螺母连接板22分别与驱动螺母12、工作台板21脱开拆下，将测力安装套18与第一预紧螺母7脱开拆下；通过拆下驱动螺母连接板22与工作台板21，可现实由第一预紧螺母7、第一预紧螺母的法兰盘8、超磁致伸缩驱动器9、后法兰盘、预紧螺母组成的双螺母预紧系统的跑和磨损试验，通过超磁致伸缩驱动器9的反馈，即可实时监测因跑和磨损引起的预紧力退化状况，对滚珠丝杠副磨损补偿有着重要作用。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (7)

1.一种滚珠丝杠副摩擦力矩测量装置，其特征在于，包括驱动器、传感器和控制器，驱动器用于连接滚珠丝杠副的预紧机构，驱动器能够调整预紧机构与丝杠之间的轴向间隙进而调整预紧力；传感器能够与预紧机构连接，以获得不同预紧力下的测量数据；

所述预紧机构包括第一预紧螺母和第二预紧螺母，第一预紧螺母和第二预紧螺母均为法兰螺母，第一预紧螺母通过第一预紧螺母的法兰盘连接驱动器，第二预紧螺母通过第二预紧螺母的法兰盘连接驱动器；

所述驱动器为超磁致伸缩驱动器，超磁致伸缩驱动器的管状非磁性材料套于第一预紧螺母的法兰盘和第二预紧螺母的法兰盘的外侧，超磁致伸缩驱动器的圆筒形超磁致伸缩棒连接第一预紧螺母的法兰盘和第二预紧螺母的法兰盘，从而控制第一预紧螺母和第二预紧螺母的预紧力；

所述传感器通过力测量杆连接测力安装套，测力安装套套接于第一预紧螺母的法兰盘；

所述丝杠还通过驱动螺母驱动工作台板；所述传感器为U型拉压力传感器，U型拉压力传感器通过U型拉力传感器座安装于工作台板；

传感器和驱动器均连接控制器。

2.如权利要求1所述的滚珠丝杠副摩擦力矩测量装置，其特征在于，力测量杆螺纹连接测力安装套。

3.如权利要求1所述的滚珠丝杠副摩擦力矩测量装置，其特征在于，还包括力测量架，力测量架安装于U型抗拉力传感器和U型拉力传感器座之间，用于连接U型抗拉力传感器和U型拉力传感器座。

4.如权利要求1所述的滚珠丝杠副摩擦力矩测量装置，其特征在于，所述工作台板的底侧连接滑块，滑块与导轨配合连接；导轨安装于所述丝杠的两侧，导轨高于所述丝杠。

5.如权利要求1～4任意一项所述的一种滚珠丝杠副摩擦力矩测量装置的测量方法，其特征在于，通过控制驱动器的伸缩，实现第一预紧螺母与第二预紧螺母之间预紧力的调整，传感器实时测量不同预紧力下预紧机构的扭转力的大小。

6.如权利要求5所述的滚珠丝杠副摩擦力矩测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

动力源驱动丝杠旋转，驱动螺母驱动工作台板运行，U型拉力传感器座通过力测量架带动U型拉压力传感器跟随工作台板运动；

预紧机构和驱动器具有旋转动能，套接在预紧螺母上的测力安装套亦具有旋转动能，螺纹连接在测力安装套的力测量杆拨动传感器，传感器阻止预紧机构和驱动器旋转，传感器实时测量扭转力的大小。

7.如权利要求1～4任意一项所述的一种滚珠丝杠副摩擦力矩测量装置在跑和磨损实验领域的应用，其特征在于，对滚珠丝杠副进行跑和磨损试验，通过驱动器的反馈实时监测因跑和磨损引起的预紧力退化状况。

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