滾珠絲杠副摩擦力矩試驗系統開發

(山東建筑大學機電工程學院 山東 濟南 250101)

滾珠絲杠副摩擦力矩試驗系統開發

陳洪建張英賞魯苑凱徐淑儉

(山東建筑大學機電工程學院山東濟南250101)

介紹了一種基于測力傳感器輸出信號為基準的滾珠絲杠摩擦力矩測試系統，包括檢測系統方案，軟件流程和數據處理與分析等。按照標準測試流程， 通過RS-232 通信接口實現了對滾珠絲杠副摩擦力矩的測試。為滾珠絲杠副摩擦力矩的深入研究，進一步提高滾珠絲杠副的定位精度提供了技術方法及試驗平臺。

滾珠絲杠副；摩擦力矩；檢測系統；數據處理與分析

前言

滾珠絲杠副是數控機床的關鍵部件。近幾年隨著數控機床的快速發展，對進給系統提出了更高的要求。如今，數控機床制造技術正在向著高精度、高可靠性、高速度、數字化及智能化方向發展[1]。滾珠絲杠副運轉是否平穩, 主要取決于滾珠絲杠副摩擦力矩的變動量。摩擦力矩的波動直接影響驅動系統的平穩性, 尤其是在高速驅動時對噪聲、溫升、定位精度等影響更為突出。而且摩擦力矩影響絲杠的定位精度,研究滾珠絲杠副摩擦力矩對絲杠的傳動性能具有現實意義[2]。

一、滾珠絲杠副摩擦力矩檢測系統方案設計

滾珠絲杠副摩擦力矩試驗在試驗過程中會出現摩擦力矩喪失的情況，這就需要對被測絲杠的摩擦力矩進行實時的監測，確保試驗的順利進行[3]。

分開螺母法蘭盤與螺母座的連接，將撥桿與拉壓傳感器相連接。依據摩擦力矩檢測流程對試驗臺進行調整，因此摩擦力矩的變化情況可通過扭矩測量值直接反映出來。摩擦力矩測量試驗臺如圖1所示。

圖1 摩擦力矩測量試驗臺

1-伺服電機;2-力矩轉換器;3-螺母;4-加載工作臺;5-滾珠絲杠;6-傳感器拉壓桿;7-螺母座

測量摩擦力矩時，首先由伺服電機帶動滾珠絲杠使工作臺移動，工作臺通過拉壓桿帶動加載工作臺7移動。然后加載工作臺7帶動螺母2沿著軸向移動，由于滾珠絲杠1、滾珠以及螺母2之間的摩擦力作用，螺母2在直線運動的同時還會會發生自旋。撥桿3在螺母2的帶動下會發生擺動，擺動端會對固定于傳感器座6上的壓力傳感器4產生壓力。擋板5固定在加載工作臺7上，用來限制撥桿3的軸向移動。當撥桿3末端壓力產生的力矩時與滾珠絲杠副的摩擦力矩相等時，螺母將停止旋轉。根據壓力傳感器4的顯示值，即可計算出滾珠絲杠副的摩擦力矩測量值。摩擦力矩測量原理圖如圖2所示。

圖2 摩擦力矩測量原理圖

1-滾珠絲杠;2-螺母;3-撥桿;4-壓力傳感器;5-擋板;6-傳感器座;7-加載工作臺

由幾何關系得到摩擦力矩：

M=L×FNcosθ

(1)

其中:L是撥桿的長度，FN為壓力傳感器的測量值，θ是撥桿與豎直方向的夾角。

因為θ非常小，則cosθ≈1，公式(1)可以簡化為：

M=L×FN

(2)

二、摩擦力矩測量系統設計

(一)系統硬件設計。測試系統流程圖如圖3所示。

圖3 測試系統流程圖

根據被測滾珠絲杠的型號，可知摩擦力矩在5Nm以內。由試驗臺的結構設計擺桿的長度為100mm，由公式(1.2)得到壓力傳感器的測量范圍在50N以內。

(二)系統軟件設計。摩擦力矩的軟件測量系統設計已做過相關研究，上位機使用Visual Basic6 .0 編寫軟件，下位機以單片機為硬件控制核心。本系統是運用圖形化編程語言labview為軟件開發平臺，在程序的開發過程中運用結構化和模塊化的設計思想，設計了不同功能模塊，并設計了一個主界面來實現各模塊的調用。

三、滾珠絲杠副摩擦力矩試驗與結果分析

本試驗選用國外A廠家、國外B廠家和山東博特的滾珠絲杠副，它們的公稱直徑為40mm，導程是10mm，實際移動量為1440mm。將國外A廠家、國外B廠家和山東博特的滾珠絲杠副安裝在試驗臺上，以測定滾珠絲杠副的摩擦力矩。按照要求確保安裝正確，根據試驗規范對摩擦力矩進行測量，滾珠絲杠副摩擦力矩試驗前檢測記錄如表1所示。

表1 滾珠絲杠副摩擦力矩試驗前檢測記錄

測試完摩擦力矩后，對被測絲杠進行加載跑合。三家公司的滾珠絲杠副試驗運行記錄如表2所示。

表2 滾珠絲杠副試驗運行記錄

試驗結束以后，再對滾珠絲杠副的摩擦力矩進行測量，滾珠絲杠副摩擦力矩試驗后檢測記錄如表3所示。

表3 滾珠絲杠副摩擦力矩試驗后檢測記錄

從試驗記錄來看，國外B廠家和山東博特的滾珠絲杠副的摩擦力矩在加載跑合后，國外B廠家絲杠副摩擦力矩有了明顯下降，而山東博特絲杠副摩擦力矩的損失量較小。

四、結束語

摩擦力矩是滾珠絲杠副的重要性能參數，其變動量對滾珠絲杠副的動態性能有很大的影響。本文以Labview為系統開發平臺，設計了滾珠絲杠副摩擦力矩測試系統。

[1]肖正義. 滾珠絲杠副結構與性能發展動態[J]. 機電信息，2001，(09):100-102.

[2]宋現春,張剛,厲超. 滾珠絲杠副摩擦力矩測量系統的研制[J]. 山東建筑大學學報,2007,(03):240-242.

陳洪建(1992-)，男，漢族，山東日照市人，在讀碩士研究生，山東建筑大學機電工程學院，研究方向：機電系統控制及自動化。