高速空心滾珠絲杠副動態性能試驗平臺的研發*

劉永平 陳 禎 芮執元 花志雄 謝軍太

（蘭州理工大學機電工程學院，甘肅蘭州 730050）

高速進給系統的基本要求是高速度、高加速度、高剛度、高精度、輕量化［1］。目前，高速滾珠絲杠副傳動系統仍然是高速機床進給驅動系統的主要形式，一般認為:驅動速度達到60 m/min以上，加減速度在1g左右，精度達到國家標準GB/T18587.1.3中的p3級以上，性能指標達到設計要求者，可稱之為精密高速滾珠絲杠副［2］。隨著數控機床向高速化發展，滾珠絲杠副出現了溫度上升，噪聲增大，定位精度下降等現象［3］。為了解滾珠絲杠副在不同使用條件下的性能情況，只有通過模擬性實驗，對系統進行動態性能檢測，得到影響系統性能的主要原因，從而針對相關問題，提出切實可行的解決方案［4］。

目前，國內高速滾珠絲杠副的發展水平和國外存在不小的差距，除原材料和加工設備的精度因素外，缺乏完善的試驗檢測手段是制約其發展的一個重要因素［5］。肖正義［2］、宋現春［6］、張震宇［7］等通過試驗研究了滾珠絲杠副在高速運行狀態下的各種性能情況，然而，在高速運行狀態下，為了有效控制絲杠副的發熱，滾珠絲杠通常采用空心結構，因此，為了檢測空心滾珠絲杠副在高速運轉下的各種性能參數，筆者搭建了一套高速滾珠絲杠副動態性能檢測平臺。

1 實驗平臺總體方案

1.1 機械系統

本實驗平臺為單軸運行平臺，最大進給速度為60 m/min，進給加速度為1g。選用長度為800 mm的空心滾珠絲杠作為被測元件，滾動導軌、軸承、相應的支撐附件和密封附件、以及伺服電動機等依據滾珠絲杠和實驗平臺設計的技術要求通過計算進行選型，床身采用灰鑄鐵澆注而成。可完成負載狀態下滾珠絲杠副溫度、螺母表面溫度、絲杠變形、絲杠副振動、絲杠預緊力、絲杠驅動速度和加速度以及空心絲杠冷卻過程進出口油溫和壓力等的在線實時測量。數控系統采用日本FANUC數控系統，數據采集采用比利時LMS公司的LMS Test.Lab實驗測試數據采集系統。圖1所示為本實驗平臺系統結構組成圖。

如圖2所示，試驗臺安裝時嚴格保證兩直線導軌和滾珠絲杠在兩方向的平行度，前后軸承采用NSK推力角接觸球軸承，聯軸器采用德國KTR梅花型彈性聯軸器，絲杠螺母選用NSK高速機床專用螺母，絲杠選用NSK高速機床專用空心絲杠，支撐單元選用WBK30FD－31，軸端用密封單元采用 WSK25A－01，軸外周用密封單元采用WSK40B－01，選用FANUC交流伺服電動機αi系列電動機，Ⅲ型α22/3000i，額定功率為4 kW。圖3所示為實驗平臺機械系統三維模型。

1.2 控制系統

數控系統驅動伺服電動機順時針或逆時針旋轉，滾珠絲杠副將電動機的順、逆旋轉運動轉換為配重塊的往復直線運動。配重塊的重量可以根據絲杠副的實際負重加以調整。計算機中安裝采集和數據處理軟件，通過各種接口和A/D采集卡將傳感器輸出的信號采集到計算機中，然后用軟件進行數據存儲、曲線繪制和檢測報告的打印等。圖4所示為本實驗臺控制系統原理結構圖。

2 高速滾珠絲杠副動態性能參數測試

2.1 試驗臺性能參數測試原理

前端傳感器將需要檢測的溫度、加速度、位移、壓力、流量等信號傳遞給數據采集和控制部分;數據采集和控制部分完成對傳感器的數據同步采集，并同時控制伺服電動機按照設定的各種參數運行;采集到的數據通過各種接口實時記錄，然后對數據進行分析處理。圖5為本實驗平臺動態性能參數測試系統布線圖。

如圖5所示:①、②接電渦流位移傳感器，用于檢測絲杠左右兩側軸承座位移;③、④分別接三向加速度傳感器，用于檢測工作臺X、Y、Z三個方向加速度和床身X、Y、Z三個方向加速度;⑤接流量傳感器，用于檢測空心絲杠進口冷卻油流量;⑥接數據采集計算機網線接口;⑦、⑧分別接絲杠左右兩側溫度傳感器，用于檢測空心絲杠進出口冷卻油溫度;⑨、⑩分別接絲杠左右兩側貼片式溫度傳感器，用于檢測左右兩側軸承座上表面溫度。

圖6所示為本試驗臺數據采集系統軟件界面。

2.2 加速度測量

采用美國PCB公司的加速度傳感器，用來測量檢測點位置X、Y和Z三個方向的加速度，軟件中加速度的方向設置應該由加速度傳感器上顯示的方向與試驗平臺本身的方向共同確定。加速度傳感器的測量分辨率為0.000 1 g。圖7、8所示，分別為進給速度為50 m/min時，床身加速度頻域圖譜和加速度時域圖譜。

2.3 溫升測量

通過在絲杠螺母，空心絲杠進出口和前后軸承座等處設置多路高精度溫度傳感器，實現了滾珠絲杠副在工作狀態下的溫升實時測量。進出口油溫采用接觸式溫度傳感器，分辨率為0.1℃;左右軸承座溫升測量采用PT100貼片式高精度溫度傳感器，分辨率為0.1℃，通過RS232串口，將各路溫度采樣點數據依次讀入上位機中，并且顯示實時的溫度變化。圖9、10分別為進給速度為50 m/min時，空心絲杠進出口油溫曲線和左右軸承座溫升曲線。

2.4 熱位移測量

采用非接觸式的電渦流位移傳感器，測量滾珠絲杠在運動過程中的熱變形，其分辨率為0.1 μm。電渦流位移傳感器分別安裝在空心滾珠絲杠兩個端面，安裝時需保證被測端面光滑，并且傳感器與被測端面垂直，傳感器探頭距被測端面的距離為0.1～1 mm。

2.5 定位精度測量

采用光柵尺和激光干涉儀，實現了高速滾珠絲杠副工作狀態下定位精度和重復定位精度的測量。圖12所示為通過測試系統獲得的定位精度測試軟件顯示界面。

由于系統的溫升引起的變形量，與絲杠拉升或壓縮引起的變形量、絲杠扭轉變形引起的軸向變形量、絲杠受自重彎曲引起的軸向變形量、支撐滾珠絲杠軸承軸向變形量和絲杠任意行程內變形量，共同構成了滾珠絲杠的軸向變形量，引起滾珠絲杠系統精度的變化。

通過理論計算得到的精度變化結果，與采用系統測試獲得的結果對比，后者不大于前者，則說明設計滿足要求，否則應該查找原因予以解決。

3 結語

利用本試驗平臺，可以實現對高速運轉下的空心滾珠絲杠副的加速度、速度、溫升、熱定位、定位精度等動態性能參數進行測試，為空心滾珠絲杠副產品的改進提供可靠的試驗數據參考。由于研究還剛剛開始，大量實驗有待進一步深入分析，希望通過進一步的試驗研究、理論研究和經驗積累，不斷探索滾珠絲杠副動態性能改進的方法，為我國高速滾珠絲杠的產品質量提升有所幫助。

［1］宋現春，劉劍，王兆坦，等.高速滾珠絲杠副綜合性能試驗臺的研制開發［J］.工具技術，2005，39（3）.

［2］肖正義，焦潔.高速滾珠絲杠副的研發和測試技術［J］.制造技術與機床，2004（4）:95－98.

［3］袁帥.高速精密滾珠絲杠副綜合檢測技術研究［D］.大連:大連理工大學，2004.

［4］夏軍勇.熱彈性效應和數控機床進給系統熱動態特性的研究［D］.武漢:華中科技大學，2008.

［5］張伯霖，黃曉明，范夢吾，等.高速機床進給系統的發展趨勢［J］.組合機床與自動化加工技術，2002（10）:7－11.

［6］宋現春，林明星，艾興，等.誤差輸入前饋補償控制及其在滾珠絲杠磨削中的應用［J］.機械工程學報，2002（4）:100－102.

［7］張震宇.高速滾珠絲杠副綜合性能檢測系統開發與應用［D］.南京:南京理工大學，2008.