重载滚珠丝杠试验仪的设计*

黄 宽 殷爱华

(南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210014)

滚珠丝杠副是机械系统的关键传动部件，近几年来随着市场需求的不断增大，“重载、高速、精密”已经成为滚珠丝杠副发展的主导方向。为了提高重载滚珠丝杠副的性能，研究滚动功能部件在重载下运行时的弹性变形、可靠性和工作寿命，从而便于对产品结构、主要参数、驱动方式以及制造技术(含材料)等方面进行剖析，因此设计了重载滚珠丝杠性能试验台。

1 系统总体方案

重载滚珠丝杠性能检测系统包括3个分系统:(1)是基于研华1713A/D采集卡和IK220计数卡组成的采集系统，用于采集各个传感器的输出信号，并实现从模拟量向数字量的转换;(2)是基于1720D/A输出卡和固高运动控制卡组成的控制系统，用于控制伺服电动机和伺服液压缸实现对重载滚珠丝杠副实际工况的模拟;(3)是数据处理分析软件系统，用于对获取的数据进行处理，并计算出温升、加载力、转速、反向间隙和噪声等参数。其系统总体构成原理图如图1所示。

该试验仪模拟滚珠丝杠在实际使用中的安装环境，在螺母支座下面安装有滚珠直线导轨，用被测的滚珠丝杠副传动，通过联轴器把伺服电动机与丝杠直连，用控制器来控制丝杠转速、方向，拖动工作台左右移动。同时，伺服液压缸在螺母座轴向方向上加载一个恒定的力在螺母支座上，模拟实际使用中螺母座所受的轴向力。

通过各种传感器采集温升、加载力、转速、反向间隙和摩擦力矩等数据并由采集卡送入计算机，由计算机软件进行计算处理并直接显示，并且还可以存储数据便于后续的分析与评定。

2 试验仪机械部分设计

试验仪的机械部分主要用于承载伺服液压缸、伺服电动机、直线导轨和丝杠，其作用是保证测量过程中工作台的移动和加载压力，主要由床身、液压缸支座、压力计支座、螺母支座、轴承支座、联轴器和电动机支座等部分组成(图2)。

床身是试验仪的重要组成部分，要保证在测量过程中能够承载20 t的加载力。液压缸支座、轴承支座和电动机支座通过螺栓联接在床身上，这3个支座的轴心要保证同轴，以防液压杆作用在螺母支座上会产生弯矩。螺母支座安装在直线导轨上，保证能够流畅地滑动，无卡滞现象。丝杠的右端通过套筒和滚动轴承固定在轴承支座上(图3)，当要拆卸时，只要把螺母支座移开同时松开联轴器就可以把丝杠从套筒里取出，这样方便丝杠的取出并且避免经常拆卸轴承造成轴承内圈损坏。

3 试验仪电路设计

该试验仪的电路部分设计包括2部分:(1)是由采集卡采集各路传感器的信号并通过计算机串口提供给计算机进行数据处理显示。主要由研华1713A/D采集卡和IK220计数卡组成;(2)是计算机通过固高运动控制卡和1720D/A输出卡分别控制伺服电动机和伺服液压缸。

3.1 数据采集部分电路设计

本试验仪需要测量丝杠跑合后的温升、摩擦力矩、反向间隙、加载力和转速。

(1)温升的测量:系统采用接触式温度传感器——Pt100。温度传感器的输出电压经温度变送器后转换成与温度对应的电压值。

(2)摩擦力矩的测量:系统采用的是西门子驱动器，控制模块的75.A端子上可以输出与电动机扭矩对应的模拟量。电动机扭矩包括减速机的摩擦力矩、直线导轨的摩擦力矩、丝杠的摩擦力矩，即T电动机=T减速机+T直线导轨+T丝杠。经过大量跑合后发现减速机的摩擦力矩和直线导轨的摩擦力矩趋于一个定值。因此丝杠的摩擦力矩T丝杠=T电动机－T直线导轨－T减速机。而电动机扭矩的值可以直接在西门子调试助手SIMOCOM U读出来。多采集几组数据，再用最小二乘法拟合出电流值与摩擦力矩之间的函数关系。

(3)反向间隙的测量:先记录下圆光栅的起点位置θ1，接着螺母座移动10 mm距离再返回起点，记录下此时圆光栅的位置θ2。则反向间隙=［360°×20/(2 048 ×50)］× |θ2－ θ1|。式中:360°/2 048 为电动机旋转的角度，50为减速器的减速比，20 mm为丝杠的导程，2 048为编码器的刻线。

(4)加载力的测量:系统采用的是力达测控有限公司MCC－F(50 t)轮辐式承重传感器。由于压力变送器的输出为1～5 V的电压信号(即1 V≈12.5 t)。把采集到的电压信号乘以12.5便得到加载力。

(5)转速的测量:用IK220计数卡采集电动机编码器输出的脉冲，丝杠转速=丝杠角速度/(2×π)，单位:r/min。丝杠角速度 =［60 000×3.141 6×360°/180°×2 048为采集周期)，单位:rad/min。丝杠转速=29.196 9×(Y/T)×1/50=0.585 9×Y/T，单位:r/min。

3.2 控制部分电路设计

试验仪工作时，螺母座需要以恒定的速度运行，同时加载在螺母座轴向方向上的压力也要能够保持恒定。由于采用西门子控制器，因此丝杠的转速可以通过西门子驱动器控制，我们只需采用固高运动控制卡控制驱动器的56.A端子上的电压，剩下的就是控制液压缸的加载力。

35 t液压伺服加载系统的工作原理:YU80油源提供压力、流量给YGM310伺服作动筒(图4)，用以满足系统加载所需的力、行程和速度要求。YGM310伺服作动筒的换向是由YFW06伺服阀控制的，通过 PCI－1720D/A输出卡输出的电流控制伺服阀的动作。PCI－1720的电流输出电路图如图5所示。在选择VS和RL时，必须满足下面的条件:

式中:VS为电路的触发电源;RL为负载电阻;PD为FET消耗的电流。

图6为伺服阀的接线图，每个线圈的阻值为80 Ω，可以采用串联接法，也可以采用并联接法，但必须满足上述条件。经过计算，当采用串联接法即总阻值为160 Ω时满足上述条件。因此本系统采用串联接法(即引脚2与引脚4连接，引脚1、3两端接电流控制信号)，只要改变引脚1、3两端的极性就可以实现换向。

但是PCI － 1720D/A 的电流输出为0 ～ 20 mA 或4～20 mA，不能改变极性，因此需要用4个继电器组成一个桥式电路来改变引脚1、3两端电流信号的极性(见图7)。4个继电器由固高运动控制卡的通用输出口控制。

4 试验仪的控制设计

对于液压缸的加压采用PID算法控制。在连续控制系统中，按偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)进行控制的PID控制(或称PID调节)是最常用的一种控制规律，它具有原理简单、易于实现、鲁棒性强和适用范围广等特点。PID调节器的参数有3个，即比例度δ、积分时间TI和微分时间TD。三者只要按被控对象的特性匹配设计，就能充分发挥各自的优点，较好地满足控制要求。

在机电一体化系统中，数字PID控制算法也被广泛应用。机电一体化系统控制对象的模型复杂，系统参数经常发生变化，采用PID调节器，算法简单，工作量较小，其参数比例系数Kp、积分时间系数TI、微分时间系数TD相互独立，便于实现多回路控制。为了用计算机实现PID控制规律，采用数字PID算法。设T为采样周期，k=0，1，2，…，i，…为采样序列。因采样周期T相对信号变化周期很小，所以可用矩形面积的和近似式(2)中的积分，用向后差分的方法近似式(3)中的微分。即

将式(2)、(3)代入式(1)，得:

式中:k为采样序列，k=0，1，2，…;u(k)为第k次采样时调节器的输出;T为采样周期，应使T足够小，才能保证系统精度;e(k)为第k次采样时刻的偏差值;e(k－1)为第(k－1)次采样时刻的偏差值。式(4)的输出量u(k)为全量输出，其控制示意图如图8所示。图9为式(4)表示的数字PID控制器程序框图。

5 软件设计

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:电动机初始化、电动机运行、电动机停止、动态测量与显示、PID控制、板卡初始化和数据采集。

在测量过程中，系统自动采集数据、自动保存数据并且能记录丝杠已经跑合到第几组、第几次，当下次做实验时可以接着做而不须重新设置跑合参数，从而大大降低操作者的劳动强度。操作软件测量主程序流程图如图10所示，运行时的界面如图11所示。

6 结语

本系统已通过验收，各项技术指标均已达到设计要求，能够可靠运行。通过本测试系统可以测试重载滚珠丝杠副的寿命、传动精度、温升、加载能力及摩擦力矩丧失情况。结合其他试验台的联合测试，可得到承载工况后重载滚珠丝杠副的定位精度，丝杠、螺母的齿形变形量、齿面点蚀、磨损量及钢球的磨损量。本系统为重载滚珠丝杠副的优化设计提供实验数据，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］吴保群，徐建生.重载丝杠螺母副的摩擦学系统模型的建立［J］.机械设计与研究，2002(18):38－40.

［2］于复生，宋现春，沈孝芹，等.滚珠丝杠误差检测的速度自适应系统［J］.制造技术与机床，2004(4):85 －87.

［3］黄其圣，胡鹏浩.滚珠螺旋传动系统的刚度计算［J］.工具技术，2000，34(2):29 －31.

［4］张玉清，李玉凤，宋现春，等.基于STC89C52单片机的滚珠丝杠副刚度检测系统［J］.山东建筑大学学报，2009(2):111－114.

［5］王兆坦，宋现春.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.

［6］姜洪奎，宋现春.滚珠丝杠副滚珠循环系统的动力学研究和仿真［J］.振动与冲击，2007(3):107 －110.

［7］陈豪.基于MATLAB的滚珠丝杠动力学建模与仿真分析［J］.甘肃科技，2007(4):130－132.

［8］张哓晶.丝杠滚道型面测量仪机械系统设计与分析［D］.南京:南京理工大学，2009.