CN111855196A - 滚珠丝杠副扭转刚性测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种滚珠丝杠副扭转刚性测试方法，包括以下步骤：搭建滚珠丝杠副扭转刚性测试系统；确定施加的最大扭矩，具体为：以轴向载荷为滚珠丝杠副30％额定动载荷时所对应的扭矩作为施加的最大扭矩；对滚珠丝杠副进行扭转刚性测试，获得扭转刚性测试值。本发明填补了滚珠丝杠副扭转刚性测试方法的空白，且通过不同位置处角位移的测量，可同时测得丝杠轴扭转刚度，丝杠副扭转接触刚度以及整体扭转刚度。本发明方法简单易行，能够实现对扭转刚性的快速测试，为扭转刚性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。

Description

滚珠丝杠副扭转刚性测试方法

技术领域

本发明属于滚珠丝杠副性能测试领域，特别涉及一种滚珠丝杠副扭转刚性测试方法。

背景技术

滚珠丝杠副作为数控机床的核心传动部件，其刚度特性将直接影响传动系统的定位精度，从而影响产品的质量。对于滚珠丝杠副这种承受扭矩的细长轴类零件而言，其刚度特性不止包括轴向静刚度，同时需要考虑其扭转刚度。滚珠丝杠副的扭转刚性反映了丝杠副抵抗扭转变形的能力。扭转刚度不足，在丝杠副运动时会产生扭转误差，进而影响进给系统的传动精度。因此，对滚珠丝杠副的扭转刚性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，目前国内外滚珠丝杠副刚性的测量大多集中在轴向静刚度，如中国专利CN 102944472 A提出了一种滚珠丝杠副轴向静刚度测量装置及其方法，该专利介绍了一种拉压兼顾的轴向静刚度测量方法，但无法对滚珠丝杠副的扭转刚度进行测量。由于缺乏理论与试验基础，现在对滚珠丝杠副扭转刚度的研究只是简单地将丝杠等效为圆轴来计算丝杠轴的扭转刚度，缺少试验验证。因此，滚珠丝杠副扭转刚性测试方法的研究尚属空白，有待填补。

发明内容

本发明的目的在于提供一种滚珠丝杠副扭转刚性测试方法，填补领域空白，为扭转刚性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：一种滚珠丝杠副扭转刚性测试方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1，搭建滚珠丝杠副扭转刚性测试系统；

步骤2，确定施加的最大扭矩，具体为：以轴向载荷为滚珠丝杠副30％额定动载荷时所对应的扭矩作为施加的最大扭矩；

步骤3，对滚珠丝杠副进行扭转刚性测试，获得扭转刚性测试值。

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扭转刚性测试方法，填补了滚珠丝杠副扭转刚性测试方法的空白；2)本发明通过不同位置处角位移的测量，可同时测得丝杠轴扭转刚度，丝杠副扭转接触刚度以及整体扭转刚度；3)本发明的方法简单易行，能够实现对扭转刚性的快速测试；4)本发明为扭转刚性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。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为一个实施例中滚珠丝杠副扭转刚性测试方法的流程图。

图2为一个实施例中滚珠丝杠副扭转刚性测试系统图。

图3为一个实施例中角度测量装置简图。

图4为一个实施例中扭转刚性测试流程图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在一个实施例中，结合图1，提供了一种滚珠丝杠副扭转刚性测试方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1，搭建滚珠丝杠副扭转刚性测试系统；

步骤2，确定施加的最大扭矩，具体为：以轴向载荷为滚珠丝杠副30％额定动载荷时所对应的扭矩作为施加的最大扭矩；

步骤3，对滚珠丝杠副进行扭转刚性测试，获得扭转刚性测试值。

进一步地，在其中一个实施例中，结合图2，步骤1中所述的滚珠丝杠副扭转刚性测试系统包括：沿轴向依次设置的轴向加压装置1、待测滚珠丝杠副3以及扭矩施加装置9；所述轴向加压装置1对待测滚珠丝杠副3施加并测量压力，所述扭矩施加装置9对待测滚珠丝杠副3施加并测量扭矩；

滚珠丝杠副扭转刚性测试系统还包括第一角度测量装置4、第二角度测量装置6以及第三角度测量装置7，所述待测滚珠丝杠副3的螺母通过螺栓与螺母固定装置5连接，所述第一角度测量装置4、第二角度测量装置6分别安装在螺母两端，所述第三角度测量装置7安装在丝杠上远离轴向加压装置1的一端，三个角度测量装置分别测量各自所在位置处滚珠丝杠副的周向变形量。

进一步地，在其中一个实施例中，所述轴向加压装置1包括可移动杆、压力传感器2，所述压力传感器2上靠近待测滚珠丝杠副3的一侧设有钢球。

进一步地，在其中一个实施例中，所述扭矩施加装置9包括动态扭矩传感器8、电机，所述电机用于对待测滚珠丝杠副3施加扭矩，动态扭矩传感器8用于测量扭矩。

进一步地，在其中一个实施例中，结合图3，所述角度测量装置包括锥套结构10、位移传感器11以及传感器测量基准12，所述锥套结构10固套于待测滚珠丝杠副的3丝杠上，与丝杠保持相对静止，所述位移传感器11安装在锥套结构10上。

进一步地，在其中一个实施例中，结合图4，步骤2所述确定施加的最大扭矩，所用公式为：

式中，T为滚珠丝杠副的驱动扭矩，F_a为滚珠丝杠副所受工作轴向载荷，P_h为滚珠丝杠的导程，η为滚珠丝杠副的传动效率。

进一步地，在其中一个实施例中，步骤3所述对滚珠丝杠副进行扭转刚性测试，获得扭转刚性测试值，具体过程包括：

步骤3-1，沿所述待测滚珠丝杠副的轴向推动可移动杆以使轴向加压装置移动，直至钢球与待测滚珠丝杠副轴端产生接触，以限制滚珠丝杠副的轴向位移；

步骤3-2，由扭矩施加装置缓慢施加扭矩，直至达到设定的最大扭矩，动态扭矩传感器实时测量扭矩数值T；记录第一角度测量装置、第二角度测量装置以及第三角度测量装置中位移传感器的示值分别为δ₁，δ₂，δ₃；

步骤3-3，加载结束后，扭矩施加装置以相反的方向缓慢卸载，直至扭矩为零，各传感器同时采集扭矩与变形量数据分别为T’，δ₁’，δ₂’，δ₃’；

步骤3-4，将位移传感器示值转化为丝杠扭转角度值，记位移传感器到丝杠轴线的距离分别为L₁，L₂，L₃，则转化后的丝杠扭转角度为：

式中，

为丝杠加载时的扭转角度，

为丝杠卸载时的扭转角度；

步骤3-5，分别计算加、卸载时滚珠丝杠副丝杠轴的相对角位移为：

式中，θ_s、θ_s'分别为加、卸载时滚珠丝杠副丝杠轴的相对角位移；

分别计算加、卸载时滚珠与滚道接触段的相对角位移为：

式中，θ_b/t、θ_b/t'分别为加、卸载时滚珠与滚道接触段的相对角位移；

分别计算加、卸载时滚珠丝杠副总体的相对角位移为：

式中，θ_bs、θ_bs'分别为加、卸载时滚珠丝杠副总体的相对角位移；

步骤3-6，以扭矩为纵坐标，以三种相对角位移分别为横坐标，分别绘制坐标图，利用最小二乘法的线性拟合，获得扭矩与相对角位移曲线，曲线的斜率即为该相对角位移对应的位移传感器在待测滚珠丝杠副所处位置处的扭转刚度值，由此同时测得丝杠轴扭转刚度、丝杠副扭转接触刚度以及整体扭转刚度。

进一步地，在其中一个实施例中，步骤3还包括：

步骤3-7，重复步骤3-1至3-6过程n次；

步骤3-8，对n个丝杠轴扭转刚度、n个丝杠副扭转接触刚度以及n个整体扭转刚度分别求平均，获得最终的丝杠轴扭转刚度、丝杠副扭转接触刚度以及整体扭转刚度，结束测试。

作为一种具体示例，在其中一个实施例中，对本发明的滚珠丝杠副扭转刚性测试方法进行进一步验证说明，包括以下内容：

1、搭建滚珠丝杠副扭转刚性测试系统：

在搭建的滚珠丝杠副扭转刚性测试系统中，将滚珠丝杠副螺母与螺母固定装置连接，使螺母固定不动；轴向加压装置缓慢向右移动，直至钢球与待测滚珠丝杠副轴端产生接触，即压力传感器产生微小的示值；扭矩施加装置为滚珠丝杠副提供测试所需要的扭矩载荷；安装螺母左端，螺母右端以及丝杠轴端三个位置处的角度测量装置，用于测试滚珠丝杠副的角位移。

2、确定施加的最大扭矩：

本实施例测试选用4010型滚珠丝杠副，其导程为10mm，额定动载荷为36.565kN，传动效率取η＝0.85。根据驱动扭矩与轴向载荷间的转化关系，确定施加的最大扭矩为：

3、对滚珠丝杠副进行扭转刚性测试：

按照设定的最大扭矩对滚珠丝杠副进行扭转刚性测试，待滚珠丝杠副完成一次加卸载，停止该次测试。以扭矩为纵坐标，以产生的相对角位移为横坐标，绘制在坐标图中，经过最小二乘法的线性拟合，得到扭矩与其相对角位移曲线，曲线的斜率即为样本的扭转刚度值。测量三次，分别计算出这三次滚珠丝杠副的扭转刚度，取三次计算结果的平均值作为该样本的扭转刚度。

本发明提供一种滚珠丝杠副扭转刚性测试方法，填补了滚珠丝杠副扭转刚性测试方法的空白，且通过不同位置处角位移的测量，可同时测得丝杠轴扭转刚度，丝杠副扭转接触刚度以及整体扭转刚度。本发明方法简单易行，能够实现对扭转刚性的快速测试，为扭转刚性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。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种滚珠丝杠副扭转刚性测试方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1，搭建滚珠丝杠副扭转刚性测试系统；

步骤2，确定施加的最大扭矩，具体为：以轴向载荷为滚珠丝杠副30％额定动载荷时所对应的扭矩作为施加的最大扭矩；

步骤3，对滚珠丝杠副进行扭转刚性测试，获得扭转刚性测试值。

2.根据权利要求1所述的滚珠丝杠副扭转刚性测试方法，其特征在于，步骤1中所述的滚珠丝杠副扭转刚性测试系统包括：沿轴向依次设置的轴向加压装置(1)、待测滚珠丝杠副(3)以及扭矩施加装置(9)；所述轴向加压装置(1)对待测滚珠丝杠副(3)施加并测量压力，所述扭矩施加装置(9)对待测滚珠丝杠副(3)施加并测量扭矩；

滚珠丝杠副扭转刚性测试系统还包括第一角度测量装置(4)、第二角度测量装置(6)以及第三角度测量装置(7)，所述待测滚珠丝杠副(3)的螺母通过螺栓与螺母固定装置(5)连接，所述第一角度测量装置(4)、第二角度测量装置(6)分别安装在螺母两端，所述第三角度测量装置(7)安装在丝杠上远离轴向加压装置(1)的一端，三个角度测量装置分别测量各自所在位置处滚珠丝杠副的周向变形量。

3.根据权利要求2所述的滚珠丝杠副扭转刚性测试方法，其特征在于，所述轴向加压装置(1)包括可移动杆、压力传感器(2)，所述压力传感器(2)上靠近待测滚珠丝杠副(3)的一侧设有钢球。

4.根据权利要求2所述的滚珠丝杠副扭转刚性测试方法，其特征在于，所述扭矩施加装置(9)包括动态扭矩传感器(8)、电机，所述电机用于对待测滚珠丝杠副(3)施加扭矩，动态扭矩传感器(8)用于测量扭矩。

5.根据权利要求2所述的滚珠丝杠副扭转刚性测试方法，其特征在于，所述角度测量装置包括锥套结构(10)、位移传感器(11)以及传感器测量基准(12)，所述锥套结构(10)固套于待测滚珠丝杠副的(3)丝杠上，与丝杠保持相对静止，所述位移传感器(11)安装在锥套结构(10)上。

6.根据权利要求1所述的滚珠丝杠副扭转刚性测试方法，其特征在于，步骤2所述确定施加的最大扭矩，所用公式为：

式中，T为滚珠丝杠副的驱动扭矩，F_a为滚珠丝杠副所受工作轴向载荷，P_h为滚珠丝杠的导程，η为滚珠丝杠副的传动效率。

7.根据权利要求1至6任意一项所述的滚珠丝杠副扭转刚性测试方法，其特征在于，步骤3所述对滚珠丝杠副进行扭转刚性测试，获得扭转刚性测试值，具体过程包括：

步骤3-1，沿所述待测滚珠丝杠副的轴向推动可移动杆以使轴向加压装置移动，直至钢球与待测滚珠丝杠副轴端产生接触，以限制滚珠丝杠副的轴向位移；

步骤3-2，由扭矩施加装置缓慢施加扭矩，直至达到设定的最大扭矩，动态扭矩传感器实时测量扭矩数值T；记录第一角度测量装置、第二角度测量装置以及第三角度测量装置中位移传感器的示值分别为δ₁，δ₂，δ₃；

步骤3-3，加载结束后，扭矩施加装置以相反的方向缓慢卸载，直至扭矩为零，各传感器同时采集扭矩与变形量数据分别为T’，δ₁’，δ₂’，δ₃’；

步骤3-4，将位移传感器示值转化为丝杠扭转角度值，记位移传感器到丝杠轴线的距离分别为L₁，L₂，L₃，则转化后的丝杠扭转角度为：

式中，

为丝杠加载时的扭转角度，

为丝杠卸载时的扭转角度；

步骤3-5，分别计算加、卸载时滚珠丝杠副丝杠轴的相对角位移为：

式中，θ_s、θ_s'分别为加、卸载时滚珠丝杠副丝杠轴的相对角位移；

分别计算加、卸载时滚珠与滚道接触段的相对角位移为：

式中，θ_b/t、θ_b/t'分别为加、卸载时滚珠与滚道接触段的相对角位移；

分别计算加、卸载时滚珠丝杠副总体的相对角位移为：

式中，θ_bs、θ_bs'分别为加、卸载时滚珠丝杠副总体的相对角位移；

步骤3-6，以扭矩为纵坐标，以三种相对角位移分别为横坐标，分别绘制坐标图，利用最小二乘法的线性拟合，获得扭矩与相对角位移曲线，曲线的斜率即为该相对角位移对应的位移传感器在待测滚珠丝杠副所处位置处的扭转刚度值，由此同时测得丝杠轴扭转刚度、丝杠副扭转接触刚度以及整体扭转刚度。

8.根据权利要求7所述的滚珠丝杠副扭转刚性测试方法，其特征在于，步骤3还包括：

步骤3-7，重复步骤3-1至3-6过程n次；

步骤3-8，对n个丝杠轴扭转刚度、n个丝杠副扭转接触刚度以及n个整体扭转刚度分别求平均，获得最终的丝杠轴扭转刚度、丝杠副扭转接触刚度以及整体扭转刚度，结束测试。

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