CN217384699U - 一种基于斜床身的滚珠丝杠副故障模拟实验台 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于斜床身的滚珠丝杠副故障模拟实验台，包括驱动部件、头部部件、加载部件、尾部部件和斜床身；其中，驱动部件安装在斜床身一侧，头部部件、加载部件和尾部部件安装在斜床身上部，驱动部件与头部部件一端连接，头部部件另一端连接尾部部件，驱动部件驱动头部部件带动安装在其上的加载部件进行往复运动。本实用新型选用斜床身作为实验台基座，具有快速更换滚珠丝杠的功能，支持多种型号滚珠丝杠，具有设计可拆卸的轴承座，通过调整头部部件和尾部部件的距离适应不同长度的滚珠丝杠，通过更换固定轴承部件来适应不同直径的滚珠丝杠。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种基于斜床身的滚珠丝杠副故障模拟实验台，属于旋转机械中数控机床滚珠丝杠副故障检测技术领域。
背景技术
随着现代制造业向智能化、自动化、复杂化的方向发展。这就对制造装备的精度和可靠性提出了更高的要求。数控机床滚珠丝杠副作为数控机床的重要传动部件之一，它的精度直接影响到加工产品的质量。这就对滚珠丝杆副的故障诊断提出了更高的要求。
目前国内针对滚珠丝杠的试验装置主要集中在综合性能测定方面，大多数试验台并不具备负载的加载功能，不能模拟实际运行工况。西南交通大学的张筱辰，通过在线实时监测加速度、温度和电流信号，对滚珠丝杠进行的健康状况监测。北京机床所研制成功的GSZ2000高速滚珠丝杠副综合测试装置，用于采集高速时的定位精度、噪声和温升数据。由于数控机床加工工况复杂的多样性，开发一种能够基于数控机床实际基座，具有滚珠丝杠故障模拟的实验平台非常重要。
发明内容
本实用新型提供了一种基于斜床身的滚珠丝杠副故障模拟实验台，通过该平台可以实现不同直径、长度的滚珠丝杠的更换，支持多种实际运行工况，多种故障的模拟，支持加速度、温度、噪声、扭矩、位移数据等多种数据的采集。
本实用新型的技术方案是：基于斜床身的滚珠丝杠副故障模拟实验台，包括驱动部件、头部部件、加载部件、尾部部件和斜床身17；其中，驱动部件安装在斜床身17一侧，头部部件、加载部件和尾部部件安装在斜床身17上部，驱动部件与头部部件一端连接，头部部件另一端连接尾部部件，驱动部件驱动头部部件带动安装在其上的加载部件进行往复运动。
所述驱动部件包括伺服电机1、同步带轮Ⅰ15-1、同步带16；其中，同步带轮Ⅰ15-1通过键安装在伺服电机1的输出轴上，通过同步带16连接同步带轮Ⅰ15-1与头部部件中的同步带轮Ⅱ15-2。
所述头部部件包括同步带轮Ⅱ15-2、头架轴21、圆磁栅2、联轴器Ⅰ3、动态扭矩传感器4、联轴器Ⅱ5、轴承座Ⅰ6、滚珠丝杠8；其中，通过键安装在头架轴21上的同步带轮Ⅱ15-2用于连接驱动部件中的同步带16，头架轴21一端从同步带轮Ⅱ15-2伸出安装圆磁栅2，头架轴21另一端通过联轴器Ⅰ3连接动态扭矩传感器4一端，动态扭矩传感器4另一端通过联轴器Ⅱ5连接滚珠丝杠8一端，滚珠丝杠8通过轴承座Ⅰ6、尾部部件中的轴承座Ⅱ12固定在斜床身17上。
所述轴承座Ⅰ6上安装防撞挡板22和防撞垫片Ⅰ7，用于防止轴承座Ⅰ6被撞；所述轴承座Ⅱ12上安装防撞垫片Ⅱ20，用于防止轴承座Ⅱ12被撞。
所述轴承座Ⅰ6、轴承座Ⅱ12均包括轴承座外壳6-1和固定轴承部件6-2；其中，轴承座外壳6-1底部设有凹槽与斜床身17上的凸起24配合，轴承座外壳6-1底部设有开口用于安装固定轴承部件6-2且固定轴承部件6-2与轴承座外壳6-1非开口面贴合。
所述尾部部件包括轴承座Ⅱ12；轴承座Ⅱ12与头部部件中轴承座Ⅰ6配合用于安装头部部件中的滚珠丝杠8，并通过锁紧螺母13锁紧。
所述加载部件包括滚珠螺母9、螺母座10、受力滑台11、导轨14、导轨滑块23；其中，滚珠螺母9通过螺母座10与受力滑台11连接，受力滑台11的底部设有导轨滑块23，导轨滑块23与斜床身17上的导轨14配合且沿导轨14滑动。
所述斜床身17上安装光栅尺18，光栅尺18与驱动部件运动方向平行。
还包括加速度传感器、温度传感器、电流传感器、噪声传感器中的一种或多种，加速度传感器、温度传感器分别同时安装在头部部件中的轴承座Ⅰ6、尾部部件中的轴承座Ⅱ12以及加载部件中的滚珠螺母9上，电流传感器连接在驱动部件中伺服电机1的导线处，噪声传感器安装在斜床身17且位于滚珠螺母9行程的中间处。
本实用新型的有益效果是：
(1)本实用新型适用于直径在20-63mm，螺纹长度小于等于2000mm的数控机床滚珠丝杠的测试分析需求，适用于工业上大多数的滚珠丝杠型号。
(2)本实用新型选用斜床身作为实验台基座，具有快速更换滚珠丝杠的功能，支持多种型号滚珠丝杠，具有设计可拆卸的轴承座，通过调整头部部件和尾部部件的距离适应不同长度的滚珠丝杠，通过更换固定轴承部件来适应不同直径的滚珠丝杠。
(3)可以采集滚珠丝杠在不同负载和转速工况下的数据和行程误差的测量。
附图说明
图1为本实用新型整体装配示意图；
图2为本实用新型驱动部件结构示意图；
图3为本实用新型头部部件结构示意图；
图4为本实用新型轴承座Ⅰ结构示意图；
图5为本实用新型轴承座外壳结构示意图；
图6为本实用新型固定轴承部件结构示意图；
图7为本实用新型斜床身部件结构示意图；
图8为本实用新型尾部部件结构示意图；
图9为本实用新型加载部件结构示意图；
图10为本实用新型整体装配去掉驱动部件后的示意图
图中各标号为：1为伺服电机，2为圆磁栅，3为联轴器Ⅰ，4为动态扭矩传感器，5为联轴器Ⅱ，6为轴承座Ⅰ，6-1为轴承座外壳，6-2为固定轴承部件，7为防撞垫片Ⅰ，8为滚珠丝杠，9为滚珠螺母，10为螺母座，11为受力滑台，12为轴承座Ⅱ，13为锁紧螺母，14为导轨，15-1为同步带轮Ⅰ，15-2为同步带轮Ⅱ，16为同步带，17为斜床身，18为光栅尺，19为读数头，20为防撞垫片Ⅱ，21为头架轴，22为防撞挡板，23为导轨滑块，24为凸起。
具体实施方式
实施例1：如图1-10所示，一种基于斜床身的滚珠丝杠副故障模拟实验台，包括驱动部件、头部部件、加载部件、尾部部件和斜床身17；其中驱动部件安装在斜床身17一侧，头部部件、加载部件和尾部部件安装在斜床身17上部，驱动部件与头部部件一端连接，头部部件另一端连接尾部部件，驱动部件驱动头部部件带动安装在其上的加载部件进行往复运动。
可选地，所述驱动部件包括伺服电机1、同步带轮Ⅰ15-1、同步带16；其中，同步带轮Ⅰ15-1通过键安装在伺服电机1的输出轴上，通过同步带16连接同步带轮Ⅰ15-1与头部部件中的同步带轮Ⅱ15-2。驱动部件设置在斜床身17的一侧(以图1所示，设置在左侧)，用于给实验台提供动力。驱动部件如图2所示，本实用新型通过选择电动机-同步带-丝杠间接相连的方式对丝杠进行驱动，该种连接方式下，由于伺服电机可通过同步齿形带16与滚珠丝杠8一侧的同步带轮Ⅱ15-2进行连接，可以使得电动机的安装位置比较灵活，同时还可以通过同步带16隔离伺服电机1的振动和发热。
可选地，所述头部部件如图3所示，包括同步带轮Ⅱ15-2、头架轴21、圆磁栅2、联轴器Ⅰ3、动态扭矩传感器4、联轴器Ⅱ5、轴承座Ⅰ6轴承支撑单元、滚珠丝杠8；其中，通过键安装在头架轴21上的同步带轮Ⅱ15-2用于连接驱动部件中的同步带16，头架轴21一端从同步带轮Ⅱ15-2伸出安装圆磁栅2，头架轴21另一端通过联轴器Ⅰ3连接动态扭矩传感器4一端，动态扭矩传感器4另一端通过联轴器Ⅱ5连接滚珠丝杠8一端，滚珠丝杠8通过轴承座Ⅰ6、尾部部件中的轴承座Ⅱ12固定在斜床身17上(即将轴承座Ⅰ6、轴承座Ⅱ12通过螺栓与斜床身17凹处固定)。
可选地，所述轴承座Ⅰ6上安装防撞挡板22和防撞垫片Ⅰ7，用于防止轴承座Ⅰ6被撞；所述轴承座Ⅱ12上安装防撞垫片Ⅱ20，用于防止轴承座Ⅱ12被撞。
可选地，所述轴承座Ⅰ6、轴承座Ⅱ12(如图4所示)，均包括轴承座外壳6-1和固定轴承部件6-2；其中，轴承座外壳6-1底部设有凹槽与斜床身17上的凸起24配合，轴承座外壳6-1底部设有开口用于安装固定轴承部件6-2且固定轴承部件6-2与轴承座外壳6-1非开口面贴合。
为了更好的模拟实际加工时的工况，所述斜床身17部件可以采用实际机床的斜床身的形状。如选择CY-K45D系列数控排刀车床的斜床身形状，在放置丝杠的凹处加入两个条状凸起24和轴承座Ⅰ6、轴承座Ⅱ12上的凹槽相对应并通过螺栓旋入轴承座外壳抵住斜床身17，通过设置凸起24与凹槽，便于轴承座Ⅰ6、轴承座Ⅱ12滑动实现支撑导向，同时可以保证平衡度，能适应不同长度的滚珠丝杠8。轴承座Ⅰ6的固定轴承部件6-2中设有两个轴承，轴承座Ⅱ12的固定轴承部件6-2中设有一个轴承，通过轴承安装滚珠丝杠8，在固定轴承部件6-2顶部有两个螺纹孔，通过螺钉连接固定轴承部件6-2的螺纹孔，提起固定轴承部件，从而更换轴承；通过更换不同轴承的固定轴承座部件6-2来适应的滚珠丝杠8的直径的变化。
驱动部件产生的动力通过同步带-同步带轮Ⅱ-头架轴-联轴器Ⅰ-动态扭矩传感器-联轴器Ⅱ-滚珠丝杠，从而带动滚珠丝杠8转动。头部部件如图3所示，其功能主要是支撑滚珠丝杠并且将驱动部件产生的动力传递到滚珠丝杠上。通过将圆磁栅2装在头架轴21一端而非电机的输出轴上可以减少由于同步带传递造成的误差。通过两个联轴器既可以用于将头架轴与滚珠丝杠进行动力传递，同时还可以用于安装动态扭矩传感器，从而满足扭矩数据与转角数据的同时测量，且联轴器作为可拆卸的连接方式，可以便于更换实验部件。
可选地，所述尾部部件(如图8所示)包括轴承座Ⅱ12；轴承座Ⅱ12与头部部件中轴承座Ⅰ6配合用于安装头部部件中的滚珠丝杠8，并通过锁紧螺母13锁紧。
可选地，所述加载部件(如图9所示)包括滚珠螺母9、螺母座10、受力滑台11、导轨14、导轨滑块23；其中，滚珠螺母9通过螺母座10与受力滑台11连接(通过螺母座10与受力滑台11通过螺栓连接)，受力滑台11的底部通过螺栓安装四个导轨滑块23，导轨滑块23与斜床身17上的导轨14配合且沿导轨14滑动，通过导轨滑块23进行导向。当模拟实际切削工况时，可以在带有导轨的受力滑台11上放置另一组数控机床滚珠丝杠副即可以采用本实用新型中公开的驱动部件、头部部件、加载部件、尾部部件构成的滚珠丝杠副，安装方式相似，只是安装在受力滑台上面。通过控制两个丝杠的运动实现X和Z轴的联动。砝码放置在最上的受力滑台上面，由于机床倾斜45°放置，所以滚珠丝杠8的轴向载荷和径向载荷通过放置的砝码来实现。
可选地，所述斜床身17上安装光栅尺18，光栅尺18与驱动部件运动方向平行。如图7所示，光栅尺18与导轨14呈平行布置，光栅尺的长度大于导轨长度或者一致，光栅尺通过读数头19与受力滑台11相连。圆磁栅2主要用于测量头架轴的转角，在导轨14的一侧安装光栅尺18，圆磁栅2测得的角位移信号乘以丝杠的导程即得到受力滑台11的位置。通过比较计算的位置和光栅尺测量的工作台的实际位置计算行程误差。
可选地，还可以包括加速度传感器、温度传感器、电流传感器、噪声传感器中的一种或多种，加速度传感器、温度传感器分别同时安装在头部部件中的轴承座Ⅰ6、尾部部件中的轴承座Ⅱ12以及加载部件中的滚珠螺母9上，电流传感器连接在驱动部件中伺服电机1的导线处，噪声传感器安装在斜床身17且位于滚珠螺母9行程的中间处。具体的：
(1)通过加速度传感器，采集滚珠丝杠在运动过程中振动信号的变化。加速度传感器同时安装在轴承座Ⅰ6、轴承座Ⅱ12以及滚珠螺母9上，通过同时安装在三处的传感器既可以采集最明显的振动信号，也可采集较弱位置处的振动信号。
(2)通过温度传感器，采集滚珠丝杠在运动过程中温度的变化。温度传感器同时安装在轴承座Ⅰ6、轴承座Ⅱ12以及滚珠螺母9上。比如轴承座Ⅰ6安装的加速度传感器、温度传感器处于轴承座上不同位置，其它同理；
(3)通过扭矩传感器，采集滚珠丝杠在运动过程中电机施加于丝杠的扭矩变化。扭矩传感器安装两个联轴器之间。
(4)通过电流传感器，采集滚珠丝杠在运动过程中电流的变化。电流传感器连接在伺服电机的导线处。
(5)通过噪声传感器，采集滚珠丝杠在运动过程中噪声的变化。噪声传感器安装在斜床身17且位于滚珠螺母9行程的中间处。
可以根据需要选择上述的全部或者部分传感器进行同时安装，不同类型的传感器，可以使得采集的数据更多样化。
本实用新型的使用过程为：伺服电机1通过同步带16带动头架轴21经过联轴器带动滚珠丝杠8旋转，进而通过滚珠螺母9、螺母座10带动受力滑台11沿导轨14进行往复移动。在螺母座10上装有受力滑台11，其上可放置砝码，亦可装一滚珠丝杠副。如果装有两组滚珠丝杠副，则通过控制两个滚珠丝杠副的运动，控制X轴和Z轴时的运动，从而实现模拟机床斜车的工况。通过在两端轴承座和中间滚珠螺母9上安装温度传感器和加速度传感器，采集温度和加速度信号。在电机上布置电流传感器，用来监测运行过程中电流的变化。在螺母行程的中间位置布置噪声传感器，来测量运行过程中噪声信号。
具体的更换可以为：
1、更换丝杠。拆下受力滑台11和螺母座10，松开联轴器Ⅱ5和锁紧螺母13，选择轴承座Ⅰ6和轴承座Ⅱ12中合适的固定轴承部件，更换滚珠螺母9，装上滚珠丝杠8，锁紧联轴器5，固定轴承座Ⅰ6和轴承座Ⅱ12，固定螺母座10和受力滑台11。
2、检查设备电源及信号接线是否正确；安全装置是否起作用；系统急停、消除复位按钮能否起作用；检查受力滑台移动是否正常。
3、试验台空载运行，检查机械的振动，噪声及温升情况。
4、将标定后的传感器安装在指定的位置。
5、根据指定的工况添加负载，启动试验台并开始采集数据。
上面结合附图对本实用新型的具体实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (9)
1.一种基于斜床身的滚珠丝杠副故障模拟实验台，其特征在于：包括驱动部件、头部部件、加载部件、尾部部件和斜床身(17)；其中，驱动部件安装在斜床身(17)一侧，头部部件、加载部件和尾部部件安装在斜床身(17)上部，驱动部件与头部部件一端连接，头部部件另一端连接尾部部件，驱动部件驱动头部部件带动安装在其上的加载部件进行往复运动。
2.根据权利要求1所述的基于斜床身的滚珠丝杠副故障模拟实验台，其特征在于：所述驱动部件包括伺服电机(1)、同步带轮Ⅰ(15-1)、同步带(16)；其中，同步带轮Ⅰ(15-1)通过键安装在伺服电机(1)的输出轴上，通过同步带(16)连接同步带轮Ⅰ(15-1)与头部部件中的同步带轮Ⅱ(15-2)。
3.根据权利要求1所述的基于斜床身的滚珠丝杠副故障模拟实验台，其特征在于：所述头部部件包括同步带轮Ⅱ(15-2)、头架轴(21)、圆磁栅(2)、联轴器Ⅰ(3)、动态扭矩传感器(4)、联轴器Ⅱ(5)、轴承座Ⅰ(6)、滚珠丝杠(8)；其中，通过键安装在头架轴(21)上的同步带轮Ⅱ(15-2)用于连接驱动部件中的同步带(16)，头架轴(21)一端从同步带轮Ⅱ(15-2)伸出安装圆磁栅(2)，头架轴(21)另一端通过联轴器Ⅰ(3)连接动态扭矩传感器(4)一端，动态扭矩传感器(4)另一端通过联轴器Ⅱ(5)连接滚珠丝杠(8)一端，滚珠丝杠(8)通过轴承座Ⅰ(6)、尾部部件中的轴承座Ⅱ(12)固定在斜床身(17)上。
4.根据权利要求3所述的基于斜床身的滚珠丝杠副故障模拟实验台，其特征在于：所述轴承座Ⅰ(6)上安装防撞挡板(22)和防撞垫片Ⅰ(7)，用于防止轴承座Ⅰ(6)被撞；所述轴承座Ⅱ(12)上安装防撞垫片Ⅱ(20)，用于防止轴承座Ⅱ(12)被撞。
5.根据权利要求3所述的基于斜床身的滚珠丝杠副故障模拟实验台，其特征在于：所述轴承座Ⅰ(6)、轴承座Ⅱ(12)均包括轴承座外壳(6-1)和固定轴承部件(6-2)；其中，轴承座外壳(6-1)底部设有凹槽与斜床身(17)上的凸起(24)配合，轴承座外壳(6-1)底部设有开口用于安装固定轴承部件(6-2)且固定轴承部件(6-2)与轴承座外壳(6-1)非开口面贴合。
6.根据权利要求1所述的基于斜床身的滚珠丝杠副故障模拟实验台，其特征在于：所述尾部部件包括轴承座Ⅱ(12)；轴承座Ⅱ(12)与头部部件中轴承座Ⅰ(6)配合用于安装头部部件中的滚珠丝杠(8)，并通过锁紧螺母(13)锁紧。
7.根据权利要求1所述的基于斜床身的滚珠丝杠副故障模拟实验台，其特征在于：所述加载部件包括滚珠螺母(9)、螺母座(10)、受力滑台(11)、导轨(14)、导轨滑块(23)；其中，滚珠螺母(9)通过螺母座(10)与受力滑台(11)连接，受力滑台(11)的底部设有导轨滑块(23)，导轨滑块(23)与斜床身(17)上的导轨(14)配合且沿导轨(14)滑动。
8.根据权利要求1所述的基于斜床身的滚珠丝杠副故障模拟实验台，其特征在于：所述斜床身(17)上安装光栅尺(18)，光栅尺(18)与驱动部件运动方向平行。
9.根据权利要求1所述的基于斜床身的滚珠丝杠副故障模拟实验台，其特征在于：还包括加速度传感器、温度传感器、电流传感器、噪声传感器中的一种或多种，加速度传感器、温度传感器分别同时安装在头部部件中的轴承座Ⅰ(6)、尾部部件中的轴承座Ⅱ(12)以及加载部件中的滚珠螺母(9)上，电流传感器连接在驱动部件中伺服电机(1)的导线处，噪声传感器安装在斜床身(17)且位于滚珠螺母(9)行程的中间处。
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| GR01 | Patent grant | ||
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