滚珠丝杠副摩擦力矩动态测量系统设计*

李春梅 冯虎田 韩 军 殷爱华

（南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094）

滚珠丝杠副摩擦力矩动态测量系统设计*

李春梅 冯虎田 韩 军 殷爱华

（南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094）

介绍了滚珠丝杠副摩擦力矩动态测量系统的设计，包括系统方案，测量原理，软件流程和数据处理与分析等，并给出了HJG－S系列滚珠丝杠副动态摩擦力矩的测试结果。该系统测量可靠，实用性强，已在陕西汉江机床有限公司稳定运行。

滚珠丝杠副 摩擦力矩 动态测量 数据处理与分析

滚珠丝杠副是在丝杠与螺母的螺旋槽之间放置适量滚珠作为中间传动体，借助滚珠返回通道，构成滚珠在闭合回路中循环的新型螺旋传动机构。滚珠丝杠副是数控机床的关键功能部件，其质量的优劣直接影响数控机床的整体性能，高性能的数控机床离不开高性能的功能部件［1］。而摩擦力矩是滚珠丝杠重要的使用性能之一，它直接影响到能量的损耗、温度的变化（过分的温升将导致润滑剂恶化、磨损加剧，甚至导致工作表面烧伤）以及吸声、振动的变化［2，3］。国外许多知名的滚珠丝杠制造公司，除了致力于研究开发先进的精密加工设备外，都始终把检测手段的更新换代放在优先的地位，所以他们不仅拥有大量的精密加工机床，而且还有全套的、先进的质量检测设备，这使得他们的产品质量、性能以及产量都始终处于世界领先地位。研究开发先进的丝杠检测手段，缩小与国外滚珠丝杠副生产水平的差距，也是当前我国丝杠产业的重要任务。

在滚珠丝杠副的研究生产中，人们一直致力于对丝杠副摩擦力矩的测量及研究。早在1963年，日本的濑善三郎就用砝码和弹簧吊秤来测量滚珠丝杠副启动时的摩擦力矩，进行了载荷、滚珠滚道面、滚珠直径、润滑剂、导槽等因素对摩擦力矩的影响的研究。上世纪70年代出现了动态摩擦力矩测量系统，80年代中期美国“WARNER－BEAVER”将微机引入摩擦力矩动态测量系统进行数据处理，摩擦力矩测量系统逐渐成为滚珠丝杠副质量控制、监测以及性能研究不可或缺的测量仪器。

经过多年的开发和试验，目前国际上已经形成了一套较为完整的滚珠丝杠副检测体系，它们包括有：导程精度测量仪、触针式轮廓测量仪、动态预紧力矩仪、摩擦力矩测量仪、寿命试验机和接触刚度测量机等。国内比较有代表性的有北京机床研究所1997年研制的“LJYl0滚珠丝杠副动态预紧转矩测量仪”［4］和山东济宁博特精密丝杠有限公司研制的“SMLC－2000型摩擦力矩测量仪”［5～8］。这些测量仪中所用的传感器都是力传感器，如果机械结构精度不高，就会在计算力矩时由力臂引入误差。本文对陕西汉江机床有限公司原有的一台滚珠丝杠疲劳试验跑合机进行技术改造，采用力矩传感器直接测量丝杠螺母之间的摩擦力矩，用于滚珠丝杠副摩擦力矩测量，研制成功HJZ－044A丝杠副摩擦力矩动态测量系统，该系统采用计算机和单片机同时控制，检测精度高，可操作性强，性能更加稳定可靠。

1 系统总体方案

本系统的总体构成原理图如图1所示，是在原有的一台滚珠丝杠疲劳试验跑合机的基础上进行改造的，是一个床身配有两个独立的主轴和两套独立的控制系统的机床。也就是说，可以有两名工人分别站在该机床的两侧独立操控自己一侧的主轴进行丝杠的测量或跑合，互不干扰，这样既提高了工作效率，又使设备得到了充分的利用。所以该系统从应用上可分为两个独立的摩擦力矩测控系统1号和2号。两个独立的分系统拥有几乎相同的硬件组成，其中计算机、打印机、多功能IO卡、数据采集卡和端子板是两个系统共用的，而其它的硬件如控制面板、变频器、传感器和电机等都分别属于各个独立的分系统，只是1号传感器最大测量值为5 N·m，而2号传感器的最大测量值为10 N·m。两个分系统的测量原理和操作方法是相同的。

2 测量原理

系统采用JN338－F型扭矩传感器，可测量正、反向静态扭矩和动态扭矩，旋转角度小于360°。测量正、反向扭矩时，不需调整零点。其扭矩信号的提取方式为应变电测技术，扭矩测量精度与方向无关，信号检测采用数字化处理技术，精度高、稳定性好、抗干扰强，具有可靠性高、寿命长，体积小、重量轻、安装方便等特点。其主要技术参数如下：

转矩准确度：≤0.1%F·S;

重复性：≤0.1%F·S;

过载能力：150%F·S;

滞后：≤0.1%F·S;

绝缘电阻：≥200 MΩ;

线性：≤0.1%F·S;

工作温度：－20～60℃;

相对湿度：≤90%RH。

分别选择JN338－5F型和JN338－10F型静态扭矩传感器作为1号和2号系统的力矩测量元件，精度5‰ N·m，转矩电压输出±10 V。

扭矩传感器安装在可以沿机床主轴方向来回移动的滑座上，测量摩擦力矩时，通过连杆部件将其与滚珠丝杠螺母径向连接固定，如图2所示。因丝杠螺母与传感器之间径向连接，测量时在机床的主轴带动下滚珠丝杠副作等速旋转，螺母只能沿丝杠轴线方向移动，而不能转动，于是滚珠丝杠副的摩擦力矩就以力f的形式通过定位连接销2作用于扭矩传感器上。这样在连接销2的中心线上就产生一对作用力与反作用力，传感器测到的摩擦力矩就是：

式中：Tc为传感器的测量值;f为连杆在与连接销接触点处受到的力。

滚珠丝杠副的实际摩擦力矩是：

式中：Ts为滚珠丝杠副实际摩擦力矩;f′为丝杠螺母在与连接销接触点处受到的力。

由力的平衡原理和作用力与反作用力原理知，f与 f′大小相等，得：

3 软件设计

则由测量到的摩擦力矩值Tc就可以得到滚珠丝杠副的实际摩擦力矩值：

系统控制软件采用VB语言编写，软件设计中大量采用模块设计思想，将各个功能程序尽量地封装在功能模块中，使程序条理清晰，语言简化，集成率高。本系统主要包括以下模块：参数输入与测量判断、动态测量与显示、数据分析、数据存储、历史查询、打印报表、丝杠跑合、电动机测试、状态监测。操作软件测量主程序流程图如图3所示。

系统在软硬件设计上都考虑了现场操作工人的操作水平，采取了许多符合操作工人使用习惯的设计。如硬件上不但在测量机床上安装了工人们熟悉的面板控制（如图4），而且软件上的系统操作控制基本和面板一致（如图5），控制面板设置了启动/停止、正转/反转、左旋/右旋（丝杠旋向）、自动/手动和复位按键，以及速度显示LED和速度控制旋钮。测量过程采用了“傻瓜”设计，丝杠测量复位后，直接点击启动，系统就会自动实现正反向力矩测量，无需人为干预。

4 实验数据处理与分析

HJZ－044A丝杠副摩擦力矩动态测量系统实验床身如图6。对HJG－S 2506－5型滚珠丝杠进行检测，丝杠精度等级为2级，丝杠公称直径为25 mm，导程为6 mm，长度为1.2 m，丝杠的转速是100 r/min，采样频率为250 kHz。

根据GB/T17587.3—1998《滚珠丝杠副验收条件及验收检验》，长径比大于40小于等于60的2级丝杠，摩擦力矩均值在0.6～1.0 Nm内，摩擦力矩的变化应该小于摩擦力矩均值的32%。现测量滚珠丝杠1正反向摩擦力矩的结果如图7和表1。

图8和图9显示了两根滚珠丝杠副2和3的正向摩擦力矩曲线图、直方图和频谱图。被测丝杠的螺距是6 mm，摩擦力矩曲线图放大后可以看出几乎在每个螺距上摩擦力矩曲线都有很明显的波动，这是滚珠在通过反向器时，在滚道中受挤压发生卡球现象而引起的摩擦力矩的波动。

表1 滚珠丝杠1正反向摩擦力矩

由直方图可以看出：摩擦力矩测量曲线较好的滚珠丝杠副2对应的直方图近似于正态分布，而测量曲线较差的滚珠丝杠副3对应的直方图则显得杂乱。

由频谱图可以看出，两根滚珠丝杠副摩擦力矩的一次谐波幅值都比较大，可以看出一次谐波的频率和被测滚珠丝杠副的丝杠转动频率（100/60=1.67 Hz）接近，这说明摩擦力矩中的一次谐波是伺服电动机的周期性转动影响到测量系统所造成的;低中频波动可能是装配过程中使用的滚珠质量或者滚珠间隙不合适引起的滚珠之间的摩擦造成的;而高频波动来源于干扰和测量系统的机械振动。

5 结语

本系统已通过验收，各项技术指标均已达到或超过设计要求，至今性能稳定、运行可靠，能够满足工厂实际生产测量的要求。通过本测试系统可以对滚珠丝杠副的动态摩擦力矩进行测量，实时测得滚珠丝杠副的动态摩擦力矩曲线图，同时给出摩擦力矩最大值、最小值、均值和合格性判定，大大提高了摩擦力矩测量的效率和准确度。同时还根据摩擦力矩曲线图、直方图和频谱图分析了产生摩擦力矩波动的各种原因，为汉江机床有限公司提升丝杠品质和产品竞争力提供了有力保证。

1 黄祖尧.精密高速滚珠丝杠副的发展及其应用［J］.制造技术与机床，2002（5）：8～11

2 宋现春，王兆坦，刘现银.精密滚珠丝杠磨削加工中的热变形控制［J］.制造技术与机床，2006（1）：59 ～61

3 王兆坦，刘现银，李保民等.影响滚珠丝杠副热伸长的因素及解决对策［J］.制造技术与机床，2007（10）：129～133

4 焦洁，梅景登，刘若华等.滚珠丝杠副动态预紧转矩的测量技术［J］.制造技术与机床，1998（11）：32～33

5 王兆坦，朱继生，张瑞等.滚珠丝杠副性能指标的测试与研究［J］.制造技术与机床，2009（6）：128～134

6 宋现春，张刚，厉超.滚珠丝杠副摩擦力矩测量系统的研制［J］.山东建筑大学学报，2007（6）：240～242

7 刘晓慧，宋现春.滚珠丝杠副摩擦力矩影响因素及测试方法研究［J］.工具技术，2006，40（6）：59 ～61

8 王兆坦，宋现春等.影响滚珠丝杠副摩擦力矩的因素及其测量方法［J］.机械工人，2007（增刊）：16 ～19

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The Design of Dynamic Friction Torque Measuring System of Ball Screws

LI Chunmei，FENG Hutian，HAN Jun，YIN Aihua
（School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，CHN）

The design of the dynamic friction torque measuring system of ball screws is introduced in this paper.System scheme，measurement principle，software process，data processing and analysis are included.And the measured results of the dynamic friction torque of the HJG－S series ball screws are given.The system has high reliablity and practicability.It has running unfailingly in the Shaanxi Hanjiang Machine Tool Co.，Ltd..

Ball Screws;Friction Torque;Dynamic Measuring;Data Processing and Analysis

* 江苏省学者攀登计划项目（BK2008050）

李春梅，女，1974年生，博士，讲师，主要研究方向：机械制造及自动化，检测与控制。发表论文十余篇。

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2009－09－25）

10222