模擬實際工況絲杠導軌可靠性試驗臺設計試驗*

魯苑凱 宋現春 徐加壘 姜洪奎 李彥鳳 許向榮

(山東建筑大學機電工程學院，山東 濟南 250101)

滾珠絲杠副和導軌是數控機床的關鍵部件，其質量很大程度上決定了數控機床質量的優劣。近些年國內關于滾珠絲杠副和導軌的研究方法層出不窮，通過不同手段來研究絲杠和導軌的精度、摩擦力、可靠性、直線度等性能參數，但是這些研究主要是單一的針對絲杠或者導軌進行研究，這些研究成果具有一定的參考價值。但是在實際生產中工況復雜，作用于導軌和絲杠上的力在不斷變化。為了能夠得到更加接近實際工況的數據，研發了模擬實際工況絲杠導軌可靠性試驗臺。

1 可靠性試驗臺設計方案

可靠性試驗臺的基本原理是對絲杠和導軌進行模擬實際工況的加載，即模擬在實際加工過程中絲杠受到不斷變化的軸向力以及導軌受到周期性變化的作用力，從而得到絲杠和導軌在實際工況下的可靠性數據。該試驗臺主要由控制系統、液壓加載系統、測量系統三部分組成[1]。控制系統采用先進的西門子828D數控系統，可以準確控制絲杠的運行與液壓系統的壓力變化，上位機軟件采用LabView編寫，各項檢測數據經計算機處理后可保存并輸出檢測報告。液壓加載系統使用4個液壓缸實現水平、豎直和軸向的加載力，通過控制系統調節比例閥控制壓力變化以模擬實際加工過程中絲杠受到的不斷變化的軸向力以及導軌受到的不斷變化的豎直壓力和水平方向的應力。在線測量系統可以在系統運行時對導軌的溫度、振動等數據進行實時檢測與顯示處理。該試驗臺結構示意圖如圖1所示，軸向液壓缸所在位置為前側，伺服電動機所在位置為后側，伺服電動機通過轉矩/轉速傳感器連接撓性聯軸器然后連接絲杠，絲杠的螺母通過螺釘安裝在螺母座上，工作臺與螺母座相連接，絲杠轉動時可帶動螺母與工作臺同步運動。前側液壓缸通過拉壓傳感器與工作臺相連接，導軌液壓加載測力傳感器安裝在龍門架與工作臺之間，龍門架與工作臺通過4個連桿相連接，可同步運動，工作臺下方導軌為試驗導軌，試驗導軌安裝在可以快速更換的安裝基體上，龍門架下方導軌為機床的工作導軌，工作導軌將龍門架固定在機床上并沿導軌做直線運動。

運行時，伺服電動機帶動絲杠轉動，工作臺在螺母座的帶動下一起運動，前側液壓缸加壓，產生推力或拉力作用在工作臺上，通過工作臺實現對絲杠的軸向加載。龍門架與工作臺的相對位置保持固定，控制兩者之間的3個液壓缸實現對導軌的不同方向的加載。試驗臺實物照片如圖2所示。

1.1 液壓加載系統設計方案

常見的加載方式主要以機械加載、電加載和液壓加載為主，但大多為恒力加載且需要手動操作，改變加載力時需要先停止試驗臺的運行才能改變加載力，費時費力，調節不夠靈活[2]。為實現模擬實際工況的加載方式，試驗臺采用前側液壓缸實現對試驗絲杠的軸向加載，液壓缸的拉壓力可由拉壓傳感器傳輸至電腦，其拉壓力由比例伺服閥連續可調；導軌加載通過安裝在工作臺和移動龍門架之間3個加載油缸(左右兩側2個、上側1個)實現，加載力大小由比例伺服閥連續可調。該加載系統可以在不停機的狀態下實時進行壓力調節，可根據提前編寫的程序連續調節壓力，程序運行后不需要人員在現場進行調壓操作。液壓加載系統原理圖如圖3所示。

導軌3個加載油缸規格相同，都為缸徑φ80 mm，行程100 mm，工作壓力4 MPa，可產生2 t壓力，滾珠絲杠軸向加載油缸缸徑φ80 mm，活塞桿外徑φ45 mm，行程1 200 mm，工作壓力4 MPa，可產生2 t壓力。4個油缸通過數控系統編程給予比例伺服閥不斷變化的模擬電壓，便可以模擬實際加工中不斷變化的橫向力和軸向力。

1.2 測量系統設計方案

導軌加載力測量系統傳感器使用GY-2型輪輻式稱重傳感器，顯示導軌受到的橫向壓力；絲杠加載力測量系統傳感器使用AMS-1型號傳感器，該傳感器是采用S型梁結構，拉、壓力均可用之測量，可實時顯示絲杠受到的軸向載荷，導軌副溫升測量系統選用的是pt100溫度傳感器[3]。

上位機采用LabView編程，主要實現參數設置、數據實時采集與顯示、數據與圖像保存、試驗報告打印等功能。使用流程如圖4所示。

該測量系統可以實時顯示試驗臺運行時絲杠受到的軸向力以及導軌受到的加載力并將數據處理為曲線圖，直觀的顯示壓力變化，同時檢測絲杠和導軌運行時的溫度變化，并為試驗臺下階段升級提供軟件保障。

2 模擬實際工況運行測試

為驗證模擬實際工況絲杠導軌可靠性試驗臺的檢測準確性與可靠性，現進行對比試驗，對比內容為該試驗臺加載運行后絲杠導軌的性能與實際生產使用的機床上絲杠導軌的性能。

選取兩根型號為GD4010×2000的絲杠，在檢測完摩擦力矩和運動精度后，分別安裝在試驗臺和生產用的機床上，設置其實際移動量為1 000 mm，兩副型號為DA35AL的滾動直線導軌副檢測完摩擦力后分別安裝在上述試驗臺和機床上。實際加工過程中，如車削、銑削等，絲杠和導軌受到的力是不斷變化的，為模擬實際工況中絲杠和導軌受到的力，對液壓系統進行編程，左右兩側及上側油缸輸出壓力如圖5所示。

運行過程中前側液壓缸的液壓桿隨絲杠的螺母一起運動，通過伺服閥調節液壓缸壓力使之產生壓力給絲杠進行加載，液壓缸輸出壓力變化曲線如圖6所示。

對液壓系統編程調試無誤后，進行加載跑合試驗，記錄跑合距離。對實裝試驗機床開機進行銑削加工，通過控制柜控制機床的跑合距離。控制機床和試驗臺運行速度相同，跑合1 000 km后，將絲杠和導軌分別取下，同時從機床上取下同樣運行1 000 km的絲杠和導軌，分別檢測螺母與絲杠的摩擦力矩和運動精度，以及導軌與滑塊的摩擦力。

將絲杠安裝在摩擦力檢測試驗臺上，絲杠的摩擦力矩檢測原理如圖7所示。

絲杠在空載狀態轉動，絲杠螺母之間的摩擦力將通過擺桿轉換為對壓力傳感器的壓力，因θ非常小，cscθ≈1，因此絲杠的摩擦力矩為M=L×FN。

滾珠絲杠副摩擦力矩使用平均值表示，試驗檢測記錄如表1所示。

表1 滾珠絲杠副摩擦力矩檢測記錄

試驗臺機床(正/反)摩擦力矩/(N·m)132/15131/15

滾珠絲杠副的運動精度檢測采用3 m激光測量儀進行檢測，其檢測數據準確反應靈敏。滾珠絲杠副運動精度用最大行程1 000 mm的變動量表示，試驗檢測記錄如表2所示。

表2 滾珠絲杠副運動精度檢測記錄

試驗臺機床最大行程變動量/μm794759

從表1數據看，跑合1 000 km后，絲杠在試驗臺和機床上的摩擦力矩幾乎相等，運動精度差值在1 μm以內，檢測結果有效。

將導軌安裝在直線導軌副加載試驗臺上，在空載的情況下通過拉壓傳感器拉動導軌勻速運動，通過計算機讀取傳感器測量值，便可得到導軌副的摩擦力，其檢測原理如圖8所示。

導軌滑塊摩擦力檢測數據如表3所示。

表3 導軌滑塊摩擦力檢測記錄

最大摩擦力/N最小摩擦力/N平均摩擦力/N變動量范圍/N試驗臺152810171225511機床15039851241518

可以看出，導軌試驗臺的加載試驗后測量結果與機床實際加工后的測量結果基本相同，可判斷檢測結果有效[4]。

3 結語

通過對比絲杠和導軌分別在模擬實際工況絲杠導軌可靠性試驗臺上運行1 000 km和在機床上實際生產加工運行1 000 km后的檢測數據可以發現，試驗臺變力加載后的試驗數據與實際生產的試驗數據基本一致，說明該試驗臺模擬實際工況的加載方式能夠有效模仿實際生產加工所產生的變力，具有實際使用價值。對于該試驗臺的研究還處于初始階段，有待對試驗臺進一步改進并且進行大量的對比試驗與分析論證，希望能夠為滾動部件的發展做出貢獻。

[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):34-36.

[2]高巍.液壓加載系統設計與調試[J].山東工業技術,2016(3):47-48.

[3]張明鑫,程寓,何博俠,等.滾珠絲杠動態特性參數識別試驗臺的設計[J].機械設計與制造,2013(6):8-10.

[4]陳兆欽,徐淑儉,宋現春,等.滾動直線導軌副靜剛度試驗裝置設計[J/OL].機械工程與自動化,2017(2):1-3.