滾珠絲桿副的振動實驗測試系統及適配性評價*

溫振強，王天雷，陳惠添，趙 挺，王 柱

0 引言

數控機床進給系統的功能是控制刀具運動到設定位置，確保加工工件尺寸、位置和表面精度。滾珠絲杠副作為數控機床進給系統的關鍵功能部件，其性能的高低很大程度上決定了數控機床的精度水平[1-2]。評價絲杠性能的主要指標有振動、噪音、摩擦力矩溫升、剛度、壽命等，都要受到進給運動的傳動精度、靈敏度和穩定性的直接影響。其中絲杠的振動除與制造和安裝水平的直接相關以外，文獻[3-6]表明，滾珠對返向器的沖擊是產生軸向振動重要因素，將直接影響機床進給精度，導致工作臺產生軸向位移，影響工作臺的定位精度。而絲杠的徑向振動也可能作為一個激勵源，使機床進給系統甚至整機在某一頻域內產生共振，加劇刀具的磨損，增大表面粗糙度，產生波紋和無法保證尺寸精度等，影響零件的加工質量。

隨著數控機床向高速、高精方向發展，對滾珠絲杠副的性能提出了越來越高的要求，作為功能部件之一，滾珠絲杠副在機床整機中起到關鍵作用，在保證機床實現客戶要求的前提下，盡可能使滾珠絲桿與整機功能及性能指標相匹配，避免精度冗余或不足，提高產品性價比。

根據上述要求，本文設計了一種適合企業進行滾珠絲桿振動測試的系統，該系統由運動控制器、多通道數據測量分析儀、加速度傳感器和負載等組成，并針對公司面向不同產品加工的數控機床對滾珠絲桿的差異性要求，對三個不同品牌滾珠絲桿副運行的振動性能進行了測試、分析和適配性評價，為設計不同用途的數控機床/裝備選配滾珠絲桿副提供依據。

1 測試裝置

1.1 測試裝置結構設計

滾珠絲桿振動測試系統見圖1，主要由伺服電機及驅動器、加速度傳感器和控制系統等組成。其中運動控制選用固高公司GTS-800-PV/PG-PCI型運動控制器，信號采集與分析采用美國Benstone公司四通道動態信號測量儀、傳感器采用美國PCB公司LW185401/02/03三軸加速度傳感器，數控系統采用公司自主研發的佳鐵系統（JT803），此外，設計了進給系統負載，可模擬數控機床實際加工狀況進行加載運行。測試系統基本構成見圖2。

圖1 滾珠絲桿副振動測試系統

圖2 滾珠絲桿副振動測試系統基本構成

1.2 軟件設計

滾珠絲桿振動性能測試系統軟件設計見圖3，主要由驅動模塊，控制系統，數據采集分析模塊等組成。

圖3 測試系統程序總體設計框圖

2 測試試驗

本文僅針對公司生產的500C/E高光數控機床的配套的X軸滾珠絲桿，選擇不同品牌滾珠絲桿進行振動測試，分析與評價其對高光數控機床的適配性。本文僅對滾珠絲桿在不同轉速時產生的振動進行測試，并不考慮產生振動的原因，即激勵因素，或進行故障診斷分析。因此測試時，采集時域中加速度幅值信號進行分析，對振動不做頻域分析。

測試安排如下。

（1）測試裝置

測試采用公司研發的滾珠絲桿副振動性能測試系統，見圖1。滾珠絲杠兩端支撐方式為雙推—支承方式，即絲杠一端固定，另一端支承。固定端軸承同時承受軸向力和徑向力，支承端軸承只承受徑向力，而且能作微量的軸向浮動，可以避免或減少絲杠因自重而出現的彎曲。同時絲熱變形可以自由地向一端伸長。在被測絲杠螺母上安放了LW185401三軸加速度傳感器測量絲杠振動，運行時分別采集徑向水平、垂直和軸向的振動信號，如圖4所示。

圖4 滾珠絲桿副振動測試系統

（2）測試對象

針對500C/E高光數控機床的X軸滾珠絲桿，選取市場三個使用較廣的品牌，分別編號為：1#絲杠、2#絲杠和3#進行測試，被測滾珠絲桿主要參數均為：公稱直徑d0=28 mm，滾珠直徑db=3.5 mm，導程I=5 mm，絲杠最大行程Lmax=800 mm，返向器為內循環式，滾珠直徑為3.175 mm。

（3）測試方案

根據公司產品500C/E高光數控機床設計要求，切削加工時進給速度范圍為：0.25～10 m/min；快速進給時為：10～40 m/min。此外，另選高速狀態，即進給速度為100 m/min（2 000 r/min）進行測試，分別選定三種速度為滾珠絲杠的測試轉速，見表1。測試時，將有預加載荷的滾珠絲桿安裝在絲桿性能平臺上，通過驅動單元驅動絲桿，往返跑合絲桿，在穩定運行后進行曲線錄取與數據存儲，數據采集模塊采集絲桿3次往返加速度幅值。

表1 測試轉速的選取r/min

3 試驗結果與分析

3.1 試驗結果

在轉速為200、800與2 000 r/min進行測試，對不同滾珠絲桿進行3次往返運行，將測試的加速度幅值取均值和最大峰值列入表2。圖5、圖6與圖7是在轉速為200 r/min滾珠絲桿在時域里的軸向振動、徑向水平振動和徑向垂直振動波形，分析表2與圖5～7可知。

表2 三種品牌測試結果

（1）對比表2中三個不同轉速測試數據，1#滾珠絲桿副的軸向振動、徑向水平振動與徑向垂直振動的振幅均值、峰值都小于2#絲桿副和3#絲桿副。

（2）對不同轉速絲桿副的測試表明，軸向振幅＜徑向水平振幅＜徑向垂直振幅。即，滾珠絲桿軸向振幅小于徑向振幅。

（3） 圖 5～7 為 轉 速 在200 r/min（對應的進給速度為10 m/min）時，在時域里采集不同絲桿的三個方向振幅變化曲線，可看出：2#滾珠絲桿振幅均大于1#和3#絲杠。

（4）表2與圖5、圖6和圖7表明，三種絲杠都有顯示出峰值，有沖擊，不存在明顯規律。絲杠1#三個方向的最大峰值均小于1，絲杠2#的最大峰值比絲杠3#最大峰值大。

（5）隨著轉速的提高，滾珠絲杠副三個方向振動幅值均增大。

（6）整體評價滾珠絲杠副振動性能，并按優劣排序為：1#絲杠＞3#絲杠＞2#絲杠。

3.2 絲桿性能分析及適配性評價

滾珠絲杠的軸向振動是影響定位精度和噪聲的重要因素[4]，數控機床的X、Y軸的絲杠振動會影響加工零件的水平投影輪廓的尺寸精度誤差和表面精度，Z軸絲杠振動可能導致工件表面粗糙度值增大或產生波紋[5-7]。

為較客觀地評價滾珠絲杠振動特性，應考慮在不同轉速和不同的方向振動對整機加工精度與工作穩定性的影響程度不一樣，因此，本文采用加權平均的綜合評價法對三種絲杠振動性能進行優劣排序。權重的確定如下。

（1）振幅方向權重的確定。用加權平均值來評價絲杠振動特性的優劣，考慮軸向振動對加工質量影響最大，取加權系數為0.4，徑向垂直和水平均取0.3。

（2）不同轉速所測振幅的權重的確定?？紤]轉速200 r/min時，對應的進給速度為10 m/min，為高速加工一個重要指標，因此取加權系數為0.5；800 r/min為空行程快速定位，取加權系數取0.3；，2000 r/min為特別設定高速，僅作評價參考，取加權系數為0.2。

圖5 滾珠絲杠副軸向振動波形(n=200 r/min)

圖6 滾珠絲杠副徑向水平振動波形(n=200 r/min)

圖7 滾珠絲杠副徑向垂直振動波形(n=200 r/min)

綜合評價計算公式：

其中：Aˉi分別為各絲杠振幅加權平均值，當i=1時為1#絲杠振幅加權平均值，其他以此類推；aijk為i絲桿在j方向，對應的k轉速時滾珠絲桿測得振幅；j為滾珠絲桿測得的軸向、徑向水平和徑向垂直三個方向振幅測試；k為對應的轉速在200 r/min、800 r/min和2000 r/min時滾珠絲桿測試；wj為軸向振幅、徑向水平振幅和徑向垂直振幅的加權系數，分別為：0.3、0.3和0.4。

最大峰值取各個絲杠在不同測試狀態所采集的振幅最大峰值，進行簡單的數學平均，公式為：

A?i分別為各絲杠最大峰值的平均值；a?ijk為i絲桿在j方向，對應的k轉速時滾珠絲桿測得最大峰值。

根據表2數據分別計算 Aˉi、 A?i，結果列入表3，由表3可明顯看出優劣排序為：1#絲杠＞3#絲杠＞2#絲杠。

表3 絲桿振動性能綜合評價及適配性評價

4 結語

（1）針對各種數控機床對滾珠絲桿的不同要求，設計了一種適合企業進行滾珠絲桿振動測試系統平臺，該平臺配置其他測試附件，還可用于測試絲杠的噪音、摩擦力矩、溫升、剛度、壽命等。

（2）對三個不同品牌滾珠絲桿副進行了測試，并采用加權平均的綜合評價法對三種絲杠振動性能進行優劣排序。較客觀地區分不同品牌絲桿振動性能差異。

（3）分析了不同絲杠與面向不同加工對象的數控機床的適配性，為設計數控機床/裝備選配滾珠絲桿副提供了依據。

對不同品牌的電機進行測試，分析與客觀評價了伺服電機的整體性能，為企業生產的不同數控機床/裝備選擇適配滾珠絲桿副提供了可靠客觀依據，有效提高了數控機床/裝備的性價比，為企業創造了較大的經濟效益。

參考文獻：

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