CN206832196U - 一种滚珠丝杠间隙与刚度的测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种滚珠丝杠间隙与刚度的测量装置，包括滚珠丝杠传动单元、位移检测单元及阻尼加载单元；所述滚珠丝杠传动单元，包括伺服电机、联轴器、滚珠丝杠、滑块和两条直线导轨；所述位移检测单元包括光栅尺位移传感器及用于测量伺服电机和滚珠丝杠旋转角位移的伺服电机编码器，所述阻尼加载单元包括电磁阻尼器、阻尼基座及浮动接头，在大小阻尼力的作用下，本装置可实现对滚珠丝杠间隙和刚度的测量。

Description

一种滚珠丝杠间隙与刚度的测量装置

技术领域

本实用新型涉及测量技术领域，具体涉及一种滚珠丝杠间隙与刚度的测量装置。

背景技术

滚珠丝杠是由螺杆、滚珠和滚珠螺母组成的机械元件，其主要功能是将旋转运动转化成线性运动，获将转矩转换成轴向反复作用力。由于它具有高精度、可逆性和高效性的特点，所以被广泛应用于各种工业设备和精密仪器中，是机械工业使用广泛、要求严格的配套件和基础件。

在实际生产中，为了提高丝杠传动的精度，除了保证各个传动部件的制造以及装配精度外，还要采取合理的措施消除滚珠丝杠的间隙，测量出丝杠的间隙对于间隙控制有很大作用；滚珠丝杠的轴向静刚度反映了滚珠丝杠抵抗轴向变形的能力，其定义为在轴向力作用下，产生单位变形量所需的轴向力，轴向静刚度作为丝杠的性能指标，直接影响到设备的定位精度和重复定位精度，标明丝杠的轴向静刚度，提供给使用者作为参考很有必要。

因为目前国内对滚珠丝杠的研究不太成熟，跟国外先进水平仍有差距，因此开发出高精度、高通用性的测量装置和方法实现对滚珠丝杠间隙和刚度测量，具有很好的实用价值。

实用新型内容

为了克服现有技术存在的精度低以及操作麻烦的缺点，本实用新型提供一种滚珠丝杠间隙与刚度的测量装置。

本实用新型采用如下技术方案：

一种滚珠丝杠间隙与刚度的测量装置，包括滚珠丝杠传动单元、位移检测单元及阻尼加载单元；

所述滚珠丝杠传动单元，包括伺服电机、联轴器、滚珠丝杠、滑块和两条直线导轨；所述伺服电机的输出端与联轴器的输入端连接，所述联轴器的输出端与滚珠丝杠一端连接，所述滚珠丝杠位于丝杠底座上，两端通过丝杠底座内的滚动轴承支承，所述滚珠丝杠的螺母与滑块连接，所述两条直线导轨等距平行设置在滚珠丝杠两侧，并与丝杠底座固定，所述伺服电机通过联轴器带动滚珠丝杠转动，滚珠丝杠的螺母将丝杠转动转换为滑块沿直线导轨直线运动；

所述位移检测单元，包括光栅尺位移传感器及用于测量伺服电机和滚珠丝杠旋转角位移的伺服电机编码器，所述伺服电机编码器为伺服电机自带，所述光栅尺位移传感器由标尺光栅和光栅尺读数头构成，所述标尺光栅固定在实验台上，所述光栅尺读数头通过连接板与滑块连接，随着滑块移动，

所述阻尼加载单元包括电磁阻尼器、阻尼基座及浮动接头，所述电磁阻尼器放置在阻尼基座上，电磁阻尼器的推杆一端与浮动接头连接，所述浮动接头通过连接块与滑块连接。

所述电磁阻尼器和浮动接头均设置在滑块移动方向上，且位于伺服电机安装位置的相对一侧，其中心与滚珠丝杠轴线一致。

还包括电机座，所述伺服电机与电机座的一端机械连接，所述电机座的另一端与丝杠底座机械连接，电机座的地板通过螺栓固定在实验台上，所述电机座为U字形，联轴器位于电机座的中空位置，所述丝杠底座固定在实验台上。

所述标尺光栅的长度与丝杠底座长度相同，与丝杠底座平行设置。

上述测量装置的滚珠丝杠间隙与刚度的测量方法，包括如下步骤：

步骤一装置初始化，保证滚珠丝杠、滑块、光栅尺及电磁阻尼器正常工作；

步骤二电磁阻尼器对滑块施加一个较小的阻尼力，使得丝杠螺母始终与丝杠螺纹紧密接触，而不会自由滑动，也不会引起丝杠的弹性变形；伺服电机先正转然后反转，驱动滚珠丝杠带动滑块往电磁阻尼器方向移动，然后又反向移动，待滑块停止运动后，记录此时光栅尺位移传感器位移读数x₁和伺服电机编码器的角位移读数θ₁，根据得到的读数便可计算滚珠丝杠间隙δ；

步骤三进行滚珠丝杠刚度的测量，调节电磁阻尼器的阻尼力大小，阻尼力F的大小大概为滚子丝杠额定动载荷的50％左右，此时阻尼力的存在能够使得丝杠产生弹性形变；同步骤二中的操作，当滑块停止运动后，记录此时光栅尺位移读数x₂和编码器的角位移读数θ₂，计算出丝杠的变形量△l，已知阻尼力F大小，则可求得滚珠丝杠刚k。

所述滚珠丝杠间隙：

变形量：

滚珠丝杠刚度：

式中：S为滚珠丝杠的导程。

本实用新型的有益效果：

(1)本实用新型装置结构简单，各零部件加工和装配方便，实验过程易操作，很方便的完成对滚珠丝杠间隙和刚度的测量；

(2)本实用新型采用了光栅尺对滑块位移进行测量，光栅尺具有检测范围大，检测精度高，响应速度快等优点；

(3)本实用新型采用电动缸作为电磁阻尼器，其阻尼大小可调，且可以通过配套的显示设备直接读出，使用非常方便，且采用浮动接头连接，防止阻尼力作用线偏移；

(4)本实用新型测量滚珠丝杠间隙和刚度的方法简单，仅需两个步骤即可完成实验，且测量的精度较高。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是图1的前视图；

图4是图1中滚珠丝杠传动单元的局部结构示意图；

图5是图1中阻尼加载单元的局部结构示意图；

图6是图1中位移检测单元的局部结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例

如图1-图5所示，一种滚珠丝杠间隙与刚度的测量装置，包括滚珠丝杠传动单元、位移检测单元及阻尼加载单元；

所述滚珠丝杠传动单元，包括伺服电机1、联轴器3、滚珠丝杠5、滑块7和两条直线导轨6，所述伺服电机与电机座2的一端机械连接，电机座的另一端与丝杠底座4的一端机械连接，电机座的底板通过螺栓固定在实验台14上，所述电机座U型结构，所述联轴器3位于电机座的中空处，联轴器的输入端直接与伺服电机输出端连接，所述联轴器的输出端与滚丝杠杆一端连接，所述滚珠丝杠放置在丝杠底座上，两端通过丝杠底座内的滚动轴承支承，滚珠丝杠的螺母与滑块固定连接，两条直线导轨等间距平行设置在滚珠丝杠两侧，通过螺钉与丝杠底座固定，所述丝杠底座通过螺栓螺母固定在实验台上，其中实验台由型材板和型材架组成；伺服电机1通过联轴器3直接带动滚珠丝杠5转动，丝杠螺母将丝杠转动转换为滑块7沿直线导轨6的直线移动；

所述位移检测单元，包括光栅尺位移传感器和足够高分辨率伺服电机编码器，所述光栅尺位移传感器由标尺光栅13和光栅尺读数头12构成，所述标尺光栅固定在实验台上，所述光栅尺读数头通过连接板与滑块连接，随着滑块移动，实现对滑块直线位移的测量。伺服电机自带的伺服电机编码器可以实时测量伺服电机1和滚珠丝杠5旋转的角位移，滑块、连接板和读数头上端面对齐；光栅尺的安装布置相对简单，操作方便，测量滑块位移的精度较高；

所述阻尼加载单元包括电磁阻尼器10、阻尼基座11及浮动接头9，所述电磁阻尼器10放置在阻尼基座11上，电磁阻尼器10的推杆一端与浮动接头9连接，所述浮动接头9通过连接块8与滑块7连接，电磁阻尼器10和浮动接头9均布置在滑块7移动方向的和电机安装位置相反的一侧，中心线与滚珠丝杠5轴线一致；电磁阻尼器10通过浮动接头9将阻尼力作用在滑块7上，阻尼力大小易调整，且可以实时读出阻尼力大小。

如图6所示，采用的电磁阻尼器10实质是一个电动缸，其可以通过调控，输出不同大小的推力即阻尼力，且阻尼力大小可以很方便的通过仪器读出；浮动接头9连接滑块7和电磁阻尼器10，可以保证同轴度，使得阻尼力作用线与丝杠轴线一致，防止电磁阻尼器10作用弯矩在滑块7上；

一种滚珠丝杠间隙与刚度的测量方法，包括如下步骤：

步骤一：按要求完成装置的装配，确保滚珠丝杠5正常转动以及滑块7正常移动，同时也要检测光栅尺以及电磁阻尼器10是否正常工作，完成这些准备工作后，进行滚珠丝杠间隙和刚度的测量；

步骤二电磁阻尼器对滑块施加一个较小的阻尼力，阻尼力大小大概在滚珠丝杠额定动载荷的3％左右，此时小阻尼的存在使得丝杠螺母始终与丝杠螺纹紧密接触，而不会自由滑动，也不会引起丝杠的弹性变形；然后伺服电机先正转然后反转，驱动滚珠丝杠带动滑块往电磁阻尼器方向移动，然后又反向移动，待滑块停止运动后，记录此时光栅尺位移传感器位移读数x₁和伺服电机编码器的角位移读数θ₁，根据得到的读数便可计算滚珠丝杠间隙δ；

步骤三进行滚珠丝杠刚度的测量，调节电磁阻尼器的阻尼力大小，阻尼力F的大小大概为滚子丝杠额定动载荷的50％左右，此时阻尼力的存在能够使得丝杠产生弹性形变；伺服电机先正转然后反转，驱动滚珠丝杠带动滑块往电磁阻尼器方向移动，然后又反向移动，当滑块停止运动后，记录此时光栅尺位移读数x₂和编码器的角位移读数θ₂，计算出丝杠的变形量△l，已知阻尼力F大小，则可求得滚珠丝杠刚k。

具体公式如下：滚珠丝杠间隙：

变形量：

滚珠丝杠刚度：

式中：S为滚珠丝杠的导程。

伺服电机1属于安川电机有限公司，型号为：SGMAV-08ADA61，额定功率750W，工作电压为200V，增量式编码器精度是20位。联轴器(3)选用米思米高刚性双膜片式联轴器，型号为C-SCPW46，d₁为16mm，d₂为12mm，L为44mm。

滚珠丝杠5选用压轧型，标准螺帽，轴径20mm，导程20mm，总长度600mm，其有效行程为400mm。电磁阻尼器10采用的是美国Parker公司的电动缸，其型号为ETT050S3，最大行程为540mm；峰值力为746N，最大加速度为337m/s²，电源电压为230VAC。

实验台由三种长度分别为1260mm、380mm、500mm的铝型材组装而成，台面为一块1400mm×500mm×8mm的不锈钢板，通过螺钉与型材连接，型材的每个连接处都有角铁固定。

光栅尺选用PASEKIAI公司生产的型号为PLS35的封闭式光栅尺，还可以选用更高精度的光栅尺，以满足测量精度要求。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，本实用新型中涉及的软件方法均为现有技术，但本实用新型的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种滚珠丝杠间隙与刚度的测量装置，其特征在于，包括滚珠丝杠传动单元、位移检测单元及阻尼加载单元；

所述滚珠丝杠传动单元，包括伺服电机、联轴器、滚珠丝杠、滑块和两条直线导轨；所述伺服电机的输出端与联轴器的输入端连接，所述联轴器的输出端与滚珠丝杠一端连接，所述滚珠丝杠位于丝杠底座上，两端通过丝杠底座内的滚动轴承支承，所述滚珠丝杠的螺母与滑块连接，所述两条直线导轨等距平行设置在滚珠丝杠两侧，并与丝杠底座固定，所述伺服电机通过联轴器带动滚珠丝杠转动，滚珠丝杠的螺母将丝杠转动转换为滑块沿直线导轨直线运动；

所述位移检测单元，包括光栅尺位移传感器及用于测量伺服电机和滚珠丝杠旋转角位移的伺服电机编码器，所述伺服电机编码器为伺服电机自带，所述光栅尺位移传感器由标尺光栅和光栅尺读数头构成，所述标尺光栅固定在实验台上，所述光栅尺读数头通过连接板与滑块连接，随着滑块移动，

所述阻尼加载单元包括电磁阻尼器、阻尼基座及浮动接头，所述电磁阻尼器放置在阻尼基座上，电磁阻尼器的推杆一端与浮动接头连接，所述浮动接头通过连接块与滑块连接。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述电磁阻尼器和浮动接头均设置在滑块移动方向上，且位于伺服电机安装位置的相对一侧，其中心与滚珠丝杠轴线一致。

3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，还包括电机座，所述伺服电机与电机座的一端机械连接，所述电机座的另一端与丝杠底座机械连接，电机座的地板通过螺栓固定在实验台上，所述电机座为U字形，联轴器位于电机座的中空位置，所述丝杠底座固定在实验台上。

4.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述标尺光栅的长度与丝杠底座长度相同，与丝杠底座平行设置。