CN111947923B - 测量滚珠螺母相位误差的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量滚珠螺母相位误差的装置，该装置包括支撑部件，用于承载该装置的其他部件；工件夹持部件，用于夹持固定待测滚珠螺母，并能实现螺母旋转；测量部件，用于测量待测滚珠螺母的相位误差；轴向移动部件，用于携载所述测量部件轴向运动，该轴向垂直于滚珠螺母的基准面；横向移动部件，用于携载所述测量部件横向运动，该横向与所述轴向垂直。本装置可以精确高效稳定测量出螺母滚道与返向器滚道之间的相位误差。该装置通用性较强，能够对内循环螺母、外循环螺母、端盖循环螺母等不同类型和不同尺寸的滚珠螺母进行测量。本发明还公开了一种测量滚珠螺母相位误差的方法。

Description

测量滚珠螺母相位误差的装置及方法

技术领域

本发明属于珠丝杠性能检测领域，特别涉及一种测量滚珠螺母相位误差的装置。

背景技术

滚珠丝杠副是一种在丝杠和螺母之间放置适当滚珠作为中间体，借助滚珠返向器，构成滚珠可在回路中反复循环运动，将旋转运动转化为直线运动的传动部件。其高精度、高效率、高刚度及高承载等优点使得滚珠丝杠副在精密机床、石油钻井及科学测量等工业领域得到广泛的应用，按照其循环方式可分为内循环滚珠丝杠和外循环滚珠丝杠。

无论是外循环还是内循环，为保证滚珠循环回流顺畅，理想状态下螺纹滚道应与反向器滚道相切。但受加工误差以及工艺水平限制，螺纹滚道与返向器孔会存在一个相位差，从而导致滚珠循环不畅，与反向器发生碰撞磨损，严重影响滚珠丝杠副性能。

现有用于螺母相位测量的专利CN 104259933 A，从结构上来看，该装置为悬挂式测量装置，其垂直方向尺寸较其他方向尺寸过长，刚性较弱，稳定性较差，测量准确性难以保证。其次，该测量装置需安装在加工中心上，应用场合受限、不便捷。目前国内对于螺母相位误差的控制主要依靠熟练的操作工人，凭借经验人为评估调整而调整效果因人而异，对于实际误差值更无从得知。因此为提高滚珠丝杠副的综合性能，制造行业急需研发一种可准确测量不同规格螺母相位误差的装置。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术存在的问题，提供一种测量滚珠螺母相位误差的装置及方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种测量滚珠螺母相位误差的装置，所述装置包括：

支撑部件，用于承载该装置的其他部件；

工件夹持部件，用于夹持固定待测滚珠螺母，并能实现螺母旋转；

测量部件，用于测量待测滚珠螺母的相位误差；

轴向移动部件，用于携载所述测量部件轴向运动，该轴向垂直于滚珠螺母的基准面；

横向移动部件，用于携载所述测量部件横向运动，该横向与所述轴向垂直。

进一步地，所述支撑部件包括床身，以及安装于该床身上的支撑架、底座；所述支撑架的工作面与床身的表面垂直，所述底座位于所述工作面一侧。

进一步地，所述工件夹持部件包括设置于支撑架工作面上的旋转台，以及设置于旋转台上用于安装被测滚珠螺母的三爪卡盘。

进一步地，所述轴向移动部件包括一对轴向移动导轨、定位导轨、定位把手、微调螺母底座、微调块、微调螺杆和主平台；所述一对轴向移动导轨、定位导轨平行设置在底座上，且导轨的轴向与支撑架的工作面垂直；所述一对轴向移动导轨上设置主平台，该平台可沿导轨滑动；所述定位导轨上设置可沿导轨滑动的微调螺母底座，该微调螺母底座上侧开有U型槽，所述微调螺杆贯穿U型槽的两臂，可进行轴向移动；所述微调螺母底座通过微调块与主平台固连，微调块固连于微调螺杆，该微调螺杆用于微调主平台进行轴向移动；所述微调螺母底座的侧壁上设有定位把手，该定位把手用于锁紧微调螺母底座防止其沿导轨滑动。

进一步地，所述横向移动部件包括弹性元件、连接螺栓、一对横向移动导轨、次平台、锁定装置、装夹板和测量导轨；所述一对横向移动导轨设置在主平台上，该对横向移动导轨的轴向与所述一对轴向移动导轨的轴向垂直；所述次平台设置在所述一对横向移动导轨上可沿该导轨滑动，该次平台上设置锁定装置，用于锁紧次平台防止其沿导轨滑动；所述次平台上设置与横向移动导轨平行的测量导轨，该测量导轨上设置装夹板，该装夹板以及次平台上分别设有一个连接螺栓，所述弹性元件连接两个连接螺栓，该弹性元件的伸缩会带动装夹板沿测量导轨滑动。

进一步地，所述测量部件包括测头、千分表、光栅尺和千分表挡块；所述测头设置在装夹板上靠近待测滚珠螺母的一侧，在测量滚珠螺母相位误差时，该测头会与滚珠螺母的基准面、螺母滚道最低点接触；所述千分表设置在次平台上，其测量头与固连于装夹板上的千分表挡块相接触，且所述弹性元件拉伸时，千分表挡块会挤压千分表的测量头；所述光栅尺位于一对轴向移动导轨之间，且其读数头设置于主平台底部。

一种测量滚珠螺母相位误差的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1，将待测滚珠螺母安装在三爪卡盘上，并调整螺母的基准面，推动主平台，使测头触碰到螺母基准面，之后锁紧定位把手以锁紧微调螺母底座；

步骤2，推动次平台，使测头抵压螺母滚道内壁，并使带钩弹簧拉伸一定长度，通过锁定装置锁紧次平台；

步骤3，调节微调螺杆轴向移动以带动主平台进行轴向移动，读取千分表读数，当千分表读数达到最大时，表示测头与螺母滚道最低点接触，停止调节微调螺杆，记录此时光栅尺的读数L_a，并在螺母上标记螺母与测头的相对位置；

步骤4，松开定位把手，转动旋转台，当测头到达返向器所在螺母滚道且与步骤3中标记位置重合时停止转动，锁紧定位把手；

步骤5，调节微调螺杆，读取千分表读数，当千分表读数最大时停止调节微调螺杆，记录此时光栅尺的读数L_b；

步骤6，计算轴向误差δ：

返向结构加工基准面与返向器孔中心之间的距离的理论值L_b1为：

L_b1＝L_a+nP_h

返向结构加工基准面与返向器孔中心之间的距离的测量值L_b2为：

L_b2＝L_a+nP_h+δ

则：

δ＝L_b2-L_b1

式中，P_h为待测滚珠螺母的导程，n为螺母旋转圈数；

步骤7，计算相位误差

步骤8，重复上述过程，测得多组相位误差数据，取平均值作为最终的相位误差值。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)该装置结构完善，操作简便；2)该装置在轴向和径向能微调，能显著提高测量精度；3)该装置能够实现多种类型螺母相位误差的测量；4)该装置可通过简单更换测头实现中径范围25-85mm的螺母相位误差的测量；5)该装置可连接外部测控系统，能够自动进行数据采集、计算、保存等；6)该装置稳定性好，刚性强，具有通用性。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为一个实施例中测量装置总体装配轴侧图。

图2为一个实施例中测量装置正视图。

图3为一个实施例中测量装置俯视图。

图4为一个实施例中测量装置测量平台轴测图。

图5为一个实施例中测头与螺母滚道任意位置接触示意图。

图6为一个实施例中测头与螺母滚道最低点接触示意图。

图7为本发明测量原理示意图。

具体实施方式

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

在一个实施例中，结合图1，提供了一种测量滚珠螺母相位误差的装置，所述装置包括：

支撑部件，用于承载该装置的其他部件；

工件夹持部件，用于夹持固定待测滚珠螺母，并能实现螺母旋转；

测量部件，用于测量待测滚珠螺母的相位误差；

轴向移动部件，用于携载所述测量部件轴向运动，该轴向垂直于滚珠螺母的基准面；

横向移动部件，用于携载所述测量部件横向运动，该横向与所述轴向垂直。

进一步地，在其中一个实施例中，所述支撑部件包括床身1，以及安装于该床身上的支撑架2、底座12；所述支撑架2的工作面与床身1的表面垂直，所述底座12位于所述工作面一侧。

进一步地，在其中一个实施例中，所述工件夹持部件包括设置于支撑架2工作面上的旋转台3，以及设置于旋转台3上用于安装被测滚珠螺母的三爪卡盘4

进一步地，在其中一个实施例中，所述轴向移动部件包括一对轴向移动导轨9、定位导轨11、定位把手13、微调螺母底座14、微调块24、微调螺杆15和主平台16；所述一对轴向移动导轨9、定位导轨11平行设置在底座12上，且导轨的轴向与支撑架2的工作面垂直；所述一对轴向移动导轨9上设置主平台16，该平台可沿导轨滑动；所述定位导轨11上设置可沿导轨滑动的微调螺母底座14，该微调螺母底座14上侧开有U型槽，所述微调螺杆15贯穿U型槽的两臂，可进行轴向移动；所述微调螺母底座14通过微调块24与主平台16固连，微调块24固连于微调螺杆15，该微调螺杆15用于微调主平台16进行轴向移动；所述微调螺母底座14的侧壁上设有定位把手13，该定位把手13用于锁紧微调螺母底座14防止其沿导轨滑动。

进一步地，在其中一个实施例中，所述横向移动部件包括弹性元件5、连接螺栓6、一对横向移动导轨17、次平台18、锁定装置20、装夹板21和测量导轨23；所述一对横向移动导轨17设置在主平台16上，该对横向移动导轨17的轴向与所述一对轴向移动导轨9的轴向垂直；所述次平台18设置在所述一对横向移动导轨17上可沿该导轨滑动，该次平台18上设置锁定装置20，用于锁紧次平台18防止其沿导轨滑动；所述次平台18上设置与横向移动导轨17平行的测量导轨23，该测量导轨23上设置装夹板21，该装夹板21以及次平台18上分别设有一个连接螺栓6，所述弹性元件5连接两个连接螺栓6，该弹性元件5的伸缩会带动装夹板21沿测量导轨23滑动。具体地，次平台18运动时，其上的连接螺栓6通过弹性元件5带动另一个连接螺栓6运动，进而带动装夹板21沿测量导轨23滑动。

进一步优选地，所述次平台18上的连接螺栓6设置在固连于次平台18的立板上，两连接螺栓6位于同一水平面，弹性元件5的伸缩方向与次平台18的表面平行。

进一步优选地，所述弹性元件5采用带钩弹簧，锁定装置20采用螺栓。

进一步地，在其中一个实施例中，所述导轨的两端均安装限位挡板10，以防止导轨上的平台滑出导轨。

进一步地，在其中一个实施例中，所述测量部件包括测头22、千分表7、光栅尺8和千分表挡块19；所述测头22设置在装夹板21上靠近待测滚珠螺母的一侧，在测量滚珠螺母相位误差时，该测头会与滚珠螺母的基准面、螺母滚道最低点接触；所述千分表7设置在次平台18上，其测量头与固连于装夹板21上的千分表挡块19相接触，且所述弹性元件5拉伸时，千分表挡块19会挤压千分表7的测量头；所述光栅尺8位于一对轴向移动导轨9之间，且其读数头设置于主平台16底部。

这里，在测量滚珠丝杠相位误差时测头22应与图6所示螺母滚道最低点接触，为避免在测量过程中测头22与螺母滚道出现图5所示接触状态而产生测量误差，本发明测量装置加入由弹性元件5、连接螺栓6、千分表7、千分表挡块19、装夹板21、测头22、测量导轨23构成的自适应微调系统，弹性元件5拉伸产生的压力可以使测头22自适应滑动到与螺母滚道最低点接触。

这里，测头22可替换，与待测滚珠螺母的类型、尺寸相匹配。

这里，测头22为球形。

这里，为提高测头22刚性，其测杆部分使用高强度合金钢，并通过淬火提高其硬度，其长度在满足结构要求的基础上尽可能短。测头球形部分采用硬质合金，测量时涂抹润滑油，以减少其磨损。

这里，光栅尺8和其读数头通过线缆连接外部PC机，用于记载和存储、计算所测数据。

在一个实施例中，提供了一种测量滚珠螺母相位误差的方法，结合图7，测量原理为：相位误差不方便直接测量，要采用相对测量的方式，在返向结构对应的母线上，测量返向结构加工基准面与该母线上返向器孔中心之间的距离。

所述方法包括以下步骤：

步骤1，将待测滚珠螺母安装在三爪卡盘4上，并调整螺母的基准面，推动主平台16，使测头22触碰到螺母基准面，之后锁紧定位把手13以锁紧微调螺母底座14；

步骤2，推动次平台18，使测头22抵压螺母滚道内壁，并使带钩弹簧5拉伸一定长度，通过锁定装置20锁紧次平台18；

步骤3，调节微调螺杆15轴向移动以带动主平台16进行轴向移动，读取千分表7读数，当千分表7读数达到最大时，表示测头22与螺母滚道最低点接触，停止调节微调螺杆15，记录此时光栅尺8的读数L_a，并在螺母上标记螺母与测头22的相对位置；

步骤4，松开定位把手13，转动旋转台3，当测头22到达返向器所在螺母滚道且与步骤3中标记位置重合时停止转动，锁紧定位把手13；

步骤5，调节微调螺杆15，读取千分表7读数，当千分表读数最大时停止调节微调螺杆15，记录此时光栅尺8的读数L_b；

步骤6，计算轴向误差δ：

返向结构加工基准面与返向器孔中心之间的距离的理论值L_b1为：

L_b1＝L_a+nP_h

返向结构加工基准面与返向器孔中心之间的距离的测量值L_b2为：

L_b2＝L_a+nP_h+δ

则：

δ＝L_b2-L_b1

式中，P_h为待测滚珠螺母的导程，n为螺母旋转圈数；

步骤7，计算相位误差

步骤8，重复上述过程，测得多组相位误差数据，取平均值作为最终的相位误差值。

经过实验测试，本发明装置测量误差保持在5μm以内。

综上，本发明的测量装置能够快速高效稳定地测出滚珠螺母与返向器滚道之间的相位误差，而且能够保证其测量精度。本发明的测量装置不受螺母类型的限制，通过简单更换测头可以测量不同滚珠直径的螺母。本发明的测量装置为滚珠螺母相位误差的测量提供了新的设计思路，对于滚珠丝杠副的性能提升具有重要意义。

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 (5)

1.一种测量滚珠螺母相位误差的装置，其特征在于，所述装置包括：

支撑部件，用于承载该装置的其他部件；

工件夹持部件，用于夹持固定待测滚珠螺母，并能实现螺母旋转；

测量部件，用于测量待测滚珠螺母的相位误差；

轴向移动部件，用于携载所述测量部件轴向运动，该轴向垂直于滚珠螺母的基准面；

横向移动部件，用于携载所述测量部件横向运动，该横向与所述轴向垂直；

所述支撑部件包括床身(1)，以及安装于该床身上的支撑架(2)、底座(12)；所述支撑架(2)的工作面与床身(1)的表面垂直，所述底座(12)位于所述工作面一侧；

所述工件夹持部件包括设置于支撑架(2)工作面上的旋转台(3)，以及设置于旋转台(3)上用于安装被测滚珠螺母的三爪卡盘(4)；

所述轴向移动部件包括一对轴向移动导轨(9)、定位导轨(11)、定位把手(13)、微调螺母底座(14)、微调块(24)、微调螺杆(15)和主平台(16)；所述一对轴向移动导轨(9)、定位导轨(11)平行设置在底座(12)上，且导轨的轴向与支撑架(2)的工作面垂直；所述一对轴向移动导轨(9)上设置主平台(16)，该平台可沿导轨滑动；所述定位导轨(11)上设置可沿导轨滑动的微调螺母底座(14)，该微调螺母底座(14)上侧开有U型槽，所述微调螺杆(15)贯穿U型槽的两臂，可进行轴向移动；所述微调螺母底座(14)通过微调块(24)与主平台(16)固连，微调块(24)固连于微调螺杆(15)，该微调螺杆(15)用于微调主平台(16)进行轴向移动；所述微调螺母底座(14)的侧壁上设有定位把手(13)，该定位把手(13)用于锁紧微调螺母底座(14)防止其沿导轨滑动；所述横向移动部件包括弹性元件(5)、连接螺栓(6)、一对横向移动导轨(17)、次平台(18)、锁定装置(20)、装夹板(21)和测量导轨(23)；所述一对横向移动导轨(17)设置在主平台(16)上，该对横向移动导轨(17)的轴向与所述一对轴向移动导轨(9)的轴向垂直；所述次平台(18)设置在所述一对横向移动导轨(17)上可沿该导轨滑动，该次平台(18)上设置锁定装置(20)，用于锁紧次平台(18)防止其沿导轨滑动；所述次平台(18)上设置与横向移动导轨(17)平行的测量导轨(23)，该测量导轨(23)上设置装夹板(21)，该装夹板(21)以及次平台(18)上分别设有一个连接螺栓(6)，所述弹性元件(5)连接两个连接螺栓(6)，该弹性元件(5)的伸缩会带动装夹板(21)沿测量导轨(23)滑动；

所述测量部件包括测头(22)、千分表(7)、光栅尺(8)和千分表挡块(19)；所述测头(22)设置在装夹板(21)上靠近待测滚珠螺母的一侧，在测量滚珠螺母相位误差时，该测头会与滚珠螺母的基准面、螺母滚道最低点接触；所述千分表(7)设置在次平台(18)上，其测量头与固连于装夹板(21)上的千分表挡块(19)相接触，且所述弹性元件(5)拉伸时，千分表挡块(19)会挤压千分表(7)的测量头；所述光栅尺(8)位于一对轴向移动导轨(9)之间，且其读数头设置于主平台(16)底部。

2.根据权利要求1所述的测量滚珠螺母相位误差的装置，其特征在于，所述次平台(18)上的连接螺栓(6)设置在固连于次平台(18)的立板上，两连接螺栓(6)位于同一水平面，弹性元件(5)的伸缩方向与次平台(18)的表面平行。

3.根据权利要求1所述的测量滚珠螺母相位误差的装置，其特征在于，所述弹性元件(5)采用带钩弹簧，锁定装置(20)采用螺栓。

4.根据权利要求1所述的测量滚珠螺母相位误差的装置，其特征在于，所述导轨的两端均安装限位挡板(10)。

5.基于权利要求1至4任意一项所述测量滚珠螺母相位误差的装置的测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1，将待测滚珠螺母安装在三爪卡盘(4)上，并调整螺母的基准面，推动主平台(16)，使测头(22)触碰到螺母基准面，之后锁紧定位把手(13)以锁紧微调螺母底座(14)；

步骤2，推动次平台(18)，使测头(22)抵压螺母滚道内壁，并使带钩弹簧(5)拉伸一定长度，通过锁定装置(20)锁紧次平台(18)；

步骤3，调节微调螺杆(15)轴向移动以带动主平台(16)进行轴向移动，读取千分表(7)读数，当千分表(7)读数达到最大时，表示测头(22)与螺母滚道最低点接触，停止调节微调螺杆(15)，记录此时光栅尺(8)的读数L_a，并在螺母上标记螺母与测头(22)的相对位置；

步骤4，松开定位把手(13)，转动旋转台(3)，当测头(22)到达返向器所在螺母滚道且与步骤3中标记位置重合时停止转动，锁紧定位把手(13)；

步骤5，调节微调螺杆(15)，读取千分表(7)读数，当千分表读数最大时停止调节微调螺杆(15)，记录此时光栅尺(8)的读数L_b2；

步骤6，计算轴向误差δ：

返向结构加工基准面与返向器孔中心之间的距离的理论值L_b1为：

L_b1＝L_a+nP_h

返向结构加工基准面与返向器孔中心之间的距离的测量值L_b2为：

L_b2＝L_a+nP_h+δ

则：

δ＝L_b2-L_b1

式中，P_h为待测滚珠螺母的导程，n为螺母旋转圈数；

步骤7，计算相位误差

步骤8，重复上述过程，测得多组相位误差数据，取平均值作为最终的相位误差值。

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