滾珠絲杠副摩擦力矩試驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)

(山東建筑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 山東 濟(jì)南 250101)

滾珠絲杠副摩擦力矩試驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)

陳洪建張英賞魯苑凱徐淑儉

(山東建筑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院山東濟(jì)南250101)

介紹了一種基于測(cè)力傳感器輸出信號(hào)為基準(zhǔn)的滾珠絲杠摩擦力矩測(cè)試系統(tǒng)，包括檢測(cè)系統(tǒng)方案，軟件流程和數(shù)據(jù)處理與分析等。按照標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試流程， 通過RS-232 通信接口實(shí)現(xiàn)了對(duì)滾珠絲杠副摩擦力矩的測(cè)試。為滾珠絲杠副摩擦力矩的深入研究，進(jìn)一步提高滾珠絲杠副的定位精度提供了技術(shù)方法及試驗(yàn)平臺(tái)。

滾珠絲杠副；摩擦力矩；檢測(cè)系統(tǒng)；數(shù)據(jù)處理與分析

前言

滾珠絲杠副是數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵部件。近幾年隨著數(shù)控機(jī)床的快速發(fā)展，對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)提出了更高的要求。如今，數(shù)控機(jī)床制造技術(shù)正在向著高精度、高可靠性、高速度、數(shù)字化及智能化方向發(fā)展[1]。滾珠絲杠副運(yùn)轉(zhuǎn)是否平穩(wěn), 主要取決于滾珠絲杠副摩擦力矩的變動(dòng)量。摩擦力矩的波動(dòng)直接影響驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的平穩(wěn)性, 尤其是在高速驅(qū)動(dòng)時(shí)對(duì)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(duì)絲杠的傳動(dòng)性能具有現(xiàn)實(shí)意義[2]。

一、滾珠絲杠副摩擦力矩檢測(cè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

滾珠絲杠副摩擦力矩試驗(yàn)在試驗(yàn)過程中會(huì)出現(xiàn)摩擦力矩喪失的情況，這就需要對(duì)被測(cè)絲杠的摩擦力矩進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，確保試驗(yàn)的順利進(jìn)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(jù)摩擦力矩檢測(cè)流程對(duì)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行調(diào)整，因此摩擦力矩的變化情況可通過扭矩測(cè)量值直接反映出來。摩擦力矩測(cè)量試驗(yàn)臺(tái)如圖1所示。

圖1 摩擦力矩測(cè)量試驗(yàn)臺(tái)

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

測(cè)量摩擦力矩時(shí)，首先由伺服電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠使工作臺(tái)移動(dòng)，工作臺(tái)通過拉壓桿帶動(dòng)加載工作臺(tái)7移動(dòng)。然后加載工作臺(tái)7帶動(dòng)螺母2沿著軸向移動(dòng)，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(yùn)動(dòng)的同時(shí)還會(huì)會(huì)發(fā)生自旋。撥桿3在螺母2的帶動(dòng)下會(huì)發(fā)生擺動(dòng)，擺動(dòng)端會(huì)對(duì)固定于傳感器座6上的壓力傳感器4產(chǎn)生壓力。擋板5固定在加載工作臺(tái)7上，用來限制撥桿3的軸向移動(dòng)。當(dāng)撥桿3末端壓力產(chǎn)生的力矩時(shí)與滾珠絲杠副的摩擦力矩相等時(shí)，螺母將停止旋轉(zhuǎn)。根據(jù)壓力傳感器4的顯示值，即可計(jì)算出滾珠絲杠副的摩擦力矩測(cè)量值。摩擦力矩測(cè)量原理圖如圖2所示。

圖2 摩擦力矩測(cè)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(tái)

由幾何關(guān)系得到摩擦力矩：

M=L×FNcosθ

(1)

其中:L是撥桿的長(zhǎng)度，F(xiàn)N為壓力傳感器的測(cè)量值，θ是撥桿與豎直方向的夾角。

因?yàn)棣确浅Ｐ。瑒tcosθ≈1，公式(1)可以簡(jiǎn)化為：

M=L×FN

(2)

二、摩擦力矩測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(一)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。測(cè)試系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)流程圖

根據(jù)被測(cè)滾珠絲杠的型號(hào)，可知摩擦力矩在5Nm以內(nèi)。由試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)擺桿的長(zhǎng)度為100mm，由公式(1.2)得到壓力傳感器的測(cè)量范圍在50N以內(nèi)。

(二)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。摩擦力矩的軟件測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)已做過相關(guān)研究，上位機(jī)使用Visual Basic6 .0 編寫軟件，下位機(jī)以單片機(jī)為硬件控制核心。本系統(tǒng)是運(yùn)用圖形化編程語言labview為軟件開發(fā)平臺(tái)，在程序的開發(fā)過程中運(yùn)用結(jié)構(gòu)化和模塊化的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)了不同功能模塊，并設(shè)計(jì)了一個(gè)主界面來實(shí)現(xiàn)各模塊的調(diào)用。

三、滾珠絲杠副摩擦力矩試驗(yàn)與結(jié)果分析

本試驗(yàn)選用國(guó)外A廠家、國(guó)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(dǎo)程是10mm，實(shí)際移動(dòng)量為1440mm。將國(guó)外A廠家、國(guó)外B廠家和山東博特的滾珠絲杠副安裝在試驗(yàn)臺(tái)上，以測(cè)定滾珠絲杠副的摩擦力矩。按照要求確保安裝正確，根據(jù)試驗(yàn)規(guī)范對(duì)摩擦力矩進(jìn)行測(cè)量，滾珠絲杠副摩擦力矩試驗(yàn)前檢測(cè)記錄如表1所示。

表1 滾珠絲杠副摩擦力矩試驗(yàn)前檢測(cè)記錄

測(cè)試完摩擦力矩后，對(duì)被測(cè)絲杠進(jìn)行加載跑合。三家公司的滾珠絲杠副試驗(yàn)運(yùn)行記錄如表2所示。

表2 滾珠絲杠副試驗(yàn)運(yùn)行記錄

試驗(yàn)結(jié)束以后，再對(duì)滾珠絲杠副的摩擦力矩進(jìn)行測(cè)量，滾珠絲杠副摩擦力矩試驗(yàn)后檢測(cè)記錄如表3所示。

表3 滾珠絲杠副摩擦力矩試驗(yàn)后檢測(cè)記錄

從試驗(yàn)記錄來看，國(guó)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(guó)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(jié)束語

摩擦力矩是滾珠絲杠副的重要性能參數(shù)，其變動(dòng)量對(duì)滾珠絲杠副的動(dòng)態(tài)性能有很大的影響。本文以Labview為系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了滾珠絲杠副摩擦力矩測(cè)試系統(tǒng)。

[1]肖正義. 滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)與性能發(fā)展動(dòng)態(tài)[J]. 機(jī)電信息，2001，(09):100-102.

[2]宋現(xiàn)春,張剛,厲超. 滾珠絲杠副摩擦力矩測(cè)量系統(tǒng)的研制[J]. 山東建筑大學(xué)學(xué)報(bào),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(xué)機(jī)電工程學(xué)院，研究方向：機(jī)電系統(tǒng)控制及自動(dòng)化。