沈凯，祖莉

(南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094)



高速精密滚珠丝杠综合性能试验台设计

沈凯，祖莉

(南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094)

摘要：随着伺服技术的快速发展，加之电机技术已经相当成熟，高速驱动已经可以达到很高的水平。基于这个原因，在机床行业提出了快速进给这个要求。一般来说，高速进给的速度要达到60 m/min，加速度要达到1 g。作为传动链的重要一环，对滚珠丝杠高速化的研究显得越来越重要。在以往，试验环节被国内的丝杠生产厂家与研究机构严重忽视了，对丝杠的各种改进措施只有大概的、定性的了解，没有具体试验的支撑。近年来，基础参数的获取逐渐被国内重视。因此，高速滚珠丝杠副综合性能试验台的设计与开发显得越来越重要。研发了一种高速精密滚珠丝杠综合性能试验台，可以测量滚珠丝杠的众多参数。介绍了其通用性的机械结构，并简述了其测试系统的搭建。

关键词：精密滚珠丝杠；综合性能；试验

0引言

随着机械技术的不断发展，机床行业、工业机器人等领域对快速进给提出越来越高的要求。其要求可以总结为两点：1) 定位精度满足要求。2) 进给速度进一步提高。通过电机带动滚珠丝杠作为传动部件已成为这类场合的主要驱动方式。其中滚珠丝杠作为重要的传动部件，其性能直接影响传动系统工作的优劣。国内外对滚珠丝杠综合性能的提升已经作了大量的理论研究[1-2]，但对于一些设计参数、工艺参数的调整是否可以实际提升滚珠丝杠的综合性能，需要使用试验的方法来得以验证。为此，有必要设计高速精密滚珠丝杠综合性能试验台。对高速丝杠的诸多性能进行测试，其结果既可以作为丝杠订购者的选用依据；也可以作为丝杠生产厂家的参考数据，用以提高丝杠的品质。

1待测项目的确定

在试验台设计之初必须确定需要测量的参数。高速滚珠丝杠在使用过程中的性能可以从两个方面进行评价：

1) 滚珠丝杠的功能是否优秀。按照国标[3]对滚珠丝杠副的定义，滚珠丝杠副分为定位滚珠丝杠副(P型)和传动滚珠丝杠副(T型)。高速精密滚珠丝杠属于定位型，因此，对其定位功能是否满足要求需要进行测试。

2) 滚珠丝杠使用过程中是否流畅、稳定。在丝杠的功能满足条件的同时，滚珠丝杠的订购者也希望滚珠丝杠的实际工作表现更加优秀，比如滚珠丝杠的发热量与噪声，这些参数在丝杠高速运行后变得尤为重要。

借鉴现有的机械标准[4]并添加几个测试项目，确定本试验台测量滚珠丝杠以下几个参数：定位精度、温升、噪声、温位移、加速度、振动、摩擦扭矩、效率。

2试验台总体设计

试验台图1可以测量的丝杠的尺寸为：公称直径20~63mm，螺纹的有效长度小于2m。工作台运行的最大速度为1m/s，加速度最大为1g。为了模拟丝杠的实际使用工况：试验台采用伺服电机与丝杠直联的驱动方式，丝杠使用支撑单元两端固定，并对丝杠进行预拉伸。丝杠螺母与工作台固定成为一个整体。当电机带动丝杠转动后，丝杠螺母即可以拖动工作台往复运动。在试验台运行过程中对确定的测试项目进行实时地测量。传感器的信号接入数据采集卡，将模拟量转换为数字量。通过Visual Basic6.0编辑的软件将测试数据录入工控机，并可以实现数据的处理与打印。

1—伺服电机；2—圆磁栅及读数头；3—动态扭矩传感；4—丝杠支撑单元；5—噪音传感器; 6—被测丝杠; 7—被测丝杠螺母; 8—滑座; 9—静态扭矩传感器；10—传力环；11—激光位移传感器；12—直线光栅读数；13—限位装置；14—加速度传感器；15、16—振动传感器；17—工控机图1　试验台原理图

被测丝杠使用丝杠支撑单元两端支撑，并由伺服电机驱动正、反转动。圆磁栅与伺服电机输出轴周向紧固，用来测量电机转过的角度。动态扭矩传感器测量输入扭矩。噪声传感器测量丝杠运行过程中的噪声。被测丝杠螺母与传力环相连，传力环通过限位装置拖动滑座来回移动。与传力环相连的静态扭矩传感器可以将读取的扭矩信号换算为丝杠运行过程中的摩擦扭矩。激光位移传感器测量丝杠运行后因为温度上升造成的伸长量。直线光栅读数头与滑座固连，测量丝杠运行过程中的实际位置。加速度传感器测量滑座运行过程中的沿丝杠轴线方向的加速度；振动传感器与分别测量垂直于丝杠轴线方向的水平与竖直方向上的振动。动态扭矩传感器、噪声传感器、静态扭矩传感器、激光位移传感器、加速度传感器、振动传感器及的信号进入工控机。

3试验台机械结构设计

试验台需要测量不同规格的滚珠丝杠，具体来说即需要在试验台上安装轴端、长度及丝杠螺母尺寸不同的各类丝杠。为此，需要针对以上3个丝杠参数设计通用的、方便反复拆装的工装结构，以达到高效测试的目的。

3.1支撑单元的设计

当测量不同轴端尺寸的滚珠丝杠时，需要一种通用的支撑单元。如图2 所示为试验台支撑单元剖视图。装配时，先安装内锥套及螺纹套。内锥套放置在支撑座内孔中，并通过支撑座的定位面限制轴向移动，待压紧螺母压紧弹簧锥套后将力传递给内锥套实现定位夹紧。螺纹套通过螺钉固定在支撑座上(图中未画出)，螺纹套内孔中加工有内螺纹。若内螺纹出现磨损，则可以更换一个新零件从而避免整个支撑座报废。 弹簧锥套内部安装有轴承。为了使轴承轴向定位，在靠近弹簧锥套与内锥套配合的锥面小端处有一定位面；同时，在弹簧锥套另一侧有一弹性挡圈，弹性挡圈通过螺钉与弹簧锥套固定，弹性挡圈的端面即可夹紧轴承，实现轴承的轴向定位、夹紧。将按照上述方式安装好的弹簧锥套、轴承及弹性挡圈这几个零件整体安装到支撑座内部，弹簧锥套与内锥套通过锥面配合，实现准确定心。压紧螺母即可通过螺纹副与螺纹套拧紧，压紧螺母的锥面即可与弹簧锥套配合，实现弹簧锥套的定位、夹紧。锁紧螺母通过和丝杠轴端的螺纹部分旋合即可将丝杠轴向固定锁紧。为了避免转动部件与锁紧螺母和固定部件、弹簧锥套直接接触，在锁紧螺母和弹簧锥套之间安装一个隔套。隔套一端与锁紧螺母接触，另一端与轴承的内圈接触，这样就保证了只有转动部件之间接触。

在更换不同轴端尺寸的滚珠丝杠时，拧松压紧螺母并将其拆下，将内部的弹簧锥套及弹簧挡圈与内部的轴承一起拿出，并拆下锁紧螺母及隔套。换上与新丝杠轴端尺寸相配合的新弹簧锥套、弹簧锥套和轴承以及新锁紧螺母和隔套。

1—支撑座；2—内锥套；3—弹簧锥套；4锁紧螺母；5—隔套；6—轴承；7—压紧螺母；8—弹性挡圈；9—螺纹套图2　支撑单元结构

3.2尾座设计

当测量不同长度的丝杠时，如果采用通常的两端固定式支座，不能满足通用性要求。为此，必须让丝杠的两个支撑座中至少有一个可以移动。考虑到驱动电机安装后不宜再反复移动位置，所以丝杠与电机的连接处采用固定的支座，而尾座设计为可移式。因为尾座在移动到位后需要锁紧，为了保证丝杠的安装刚度，往往需要较大的正向压力来保证尾座紧固在试验台上，如果将尾座架设在供滑座使用的直线导轨上，其较长时间的压力可能会对直线导轨的精度产生影响。为此，在床身上加工了“平—V”导轨和T型槽，在安装不同长度的丝杠时，可以将尾座在“平—V” 导轨上移动到位，然后使用T行槽螺钉将尾座固定。尾座实物见图3。

图3　尾座

3.3滑座设计

当测量不同尺寸的丝杠螺母时，需要一种通用的滑座结构。为此，试验台采用一种特殊的丝杠螺母安装结构，如图4所示。丝杠螺母采用通常的外圆定位方式安装进入螺母套筒，同时在端面将丝杠螺母与螺母套筒固定。然后使用上、下V块将螺母套筒压紧，以实现丝杠螺母与工作台固连成为一个整体。采用V型块定位安装时定心精度可以得到保证，同时拆卸方便。在上、下V块之间有调整垫片，其作用是通过刮磨其厚度以保证上、下V块的接触，使得螺母套筒的安装可靠。

1—丝杠螺母；2—螺母套筒；3—上V块；4—调整垫片；5—下V块支座图4　滑座结构

4滚珠丝杠综合性能的测试

试验台使用动态扭矩传感器测量丝杠的输入扭矩；圆磁栅测量电机的输入转角；直线光栅测量工作台的实际位置；加速度传感器测量工作台的实际加速度(X轴方向)；振动传感器测量运行过程中的振动(垂直于丝杠轴线的竖直Y轴与水平Z轴)；静态扭矩传感器测量丝杠的摩擦扭矩；温度传感器测量丝杠的温升；激光位移传感器测量丝杠发热后的伸长量。其中圆磁栅测得的丝杠转角，通过换算可以得到工作台的理论位置；直线光栅可以测量工作台的实际位置，这两个量进行对比即可以计算出丝杠在不同位置的偏差[5]，基于这些偏差就可以计算出丝杠的定位精度[6]。这些传感器输出都为模拟量，所以需要使用数据采集卡进行A/D转换，将数字量计入工控机。

为了确保数据的完整性，各传感器在丝杠运转前应该已经开启并进入待机状态，而其采集的数据从何时开始有效，即传感器采集的数据何时为工作台开始运动，需要给工控机一个激励信号。试验台使用西门子828D数控系统，系统有快速输出接口，在控制工作台运动的数控代码的最开始阶段，即通过此快速输出接口给数据采集卡一个高电平信号，工控机从此时开始将采集的数据计入数据库。测试系统的原理如图5所示。

图5　测试系统原理图

5结语

试验台采用更换工装的方式，可以方便地测量各种型号的丝杠，其创新的结构使得通用性大大增强。可以测量的丝杠参数丰富，功能强大。试验台机械结构及传感器选用都遵循国标，其测试结果具有很强的参考价值。此高速精密滚珠丝杠综合性能试验台将为丝杠的制造商与订购商提供重要的性能参数，从而为丝杠的制造与选型提供有力的试验基础。

参考文献:

[1] 安虎平, 芮执元, 冯瑞成, 等.高速机床滚珠丝杠副及其热特性分析[J]. 机械制造, 2012, 1: 006.

[2] 冯勇敢, 查初亮, 张怀存.一种新型高速滚珠丝杠副返向器的设计[J]. 机电信息, 2012, 6: 083.

[3] GB/T 17587.1. 滚珠丝杠副 第1部分：术语和符号[S].

[4] JB/T 10890.1-2008. 高速精密滚珠丝杠副 第1部分：性能试验规范[S].

[5] 周超, 殷爱华, 冯虎田. 滚珠丝杠副综合性能动态测量系统设计[J]. 机械设计与制造, 2012 (4): 32-34.

[6] GB-T 17421.2-2000. 机床检验通则 第2部分：数控轴线的定位精度和重复定位精度的确定[S].

Design of Iest Instrument for Comprehensive Performance of

High-Speed and Precision Ball Screw

SHEN Kai，ZU Li

(School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094,China)

Abstract:As the servo technology develops rapidly, and motor technology becomes more mature, the high speed driving reaches a very high level. For this reason, a new concept-High Speed Feed is introduced into machine tool industry. In general, high speed feed means that the speed reaches 60 m/min and the acceleration reaches 1 g. With it as an important part of transmission chains, it is more and more important to study the high speed ball screw(HSBS), but the importance of its tests is ignored ly the factories in our country. they just know the parameters which may have influence on the performance. New more and more attention is paid to the basic data. So it is important to develop the test: Instrument (HSBSPTI) for the high speed ball screw performance. This paper introduces its test instrument which can be used to test many parameters of the ball screw, its main common mechanical structure. and the development of the test system.

Keywords:high-speed precession ball screw; comprehensive performance; test

收稿日期：2014-12-22

中图分类号：TH131

文献标志码：B

文章编号：1671-5276(2015)03-0030-03

作者简介：沈凯(1988-)，男，江苏南京人，硕士研究生，主要研究方向为滚珠丝杠副检测试验，精密机电测控技术。