滚珠丝杠副精度保持性试验台开发及试验研究*

高山龙，宋现春，姜洪奎，马洪君，荣伯松，杜　伟

(1.山东建筑大学 机电工程学院，济南　250100；2.山东博特精工股份有限公司，山东 济宁　272071)



滚珠丝杠副精度保持性试验台开发及试验研究*

高山龙1，宋现春1，姜洪奎1，马洪君1，荣伯松2，杜伟2

(1.山东建筑大学 机电工程学院，济南250100；2.山东博特精工股份有限公司，山东 济宁272071)

摘要：简述一种丝杠副精度保持性试验台的结构设计、加载系统设计及测控系统设计，制定精度保持性试验规范与流程。该试验台科学合理的结构设计，加载系统设计及测控系统设计为试验的顺利进行提供了一个有效的平台；精度保持性试验方案为规范试验操作流程，提高试验数据的准确度提供依据。试验平台的研究与开发填补了国内此领域的市场。

关键词：滚珠丝杠副；精度保持性试验台；试验规范与流程

0引言

随着国内工业的迅速发展和人们对高端精密数控机床的需求，目前国内落后的机械装备业正面临着重新洗牌的格局，与此相关的一些科研院所、企业单位正经历着时刻创新的挑战。近年来，国产滚动功能部件(滚珠丝杠与滚珠导轨)在使用性能上得到了长足发展。但是，精度保持性与可靠性问题一直没有得到有效解决。为此，一些高端高精度高可靠性的数控产品一直受制于外资企业与他国，严重影响了我国高端装备制造业的自主研发与国产化。滚珠丝杠副精度保持性试验台的研究与开发弥补了国内此领域的空白，为解决丝杠副精度保持性方面的问题搭建了有效的试验平台。该试验台为今后国内滚珠丝杠副可靠性能的提高提供了有力的支撑。

1精度保持性试验台的结构设计

图1　试验台测控系统结构原理

精度保持性试验台由床身、伺服电机、制动器、导轨、加载(被测)丝杠、加载(运行)工作台、尾架等几部分组成。试验台的测控系统分为控制系统和测试系统，控制系统实现试验台有无载荷的运行，测试系统实现滚珠丝杠副有关精度参数的在线实时测量与采集。

滚珠丝杠副精度保持性试验台测试结构分布图如图1所示。

2试验台加载系统设计

加载系统是滚珠丝杠副精度保持性试验台的主要模块，它的作用是模拟丝杠副在实际工作条件下的可变载荷。从成本、环保、安全等方面综合权衡，试验台选取电动加载方式。电动加载系统包括：测量仪、传感器、制动器、制动轮、控制器等几部分。各元件之间的工作关系如下图2所示，电机加载装置结构图如下图3所示。

图2　电动加载系统原理图

图3　电动加载装置结构图

3试验台测控系统设计

3.1系统硬件设计

滚珠丝杠副精度保持性试验台的系统硬件由pCI—1784计数卡、雷尼绍光栅尺、pXI8996采集卡、加速度传感器、XST智能数字显示仪、MS6称重传感器、MahrC1216信号调理器等几部分组成，各硬件之间的联结如下图4所示。

图4　系统硬件结构原理图

3.2系统软件设计

图5　系统软件设计流程图

系统软件采用VB编写，该软件能够实现测量图形或数据显示、存储、回放、预览、打印等功能;可将传感器检测信号通过采集仪传输到VB界面,根据现场需要来调节测量仪的参数和性能。 系统软件设计功能主要包括以下内容：①系统复位，清除系统内存中的历史数据；②输入丝杠副的性能参数，设定初始值；③试验数据与图像的采集、显示、存储；④试验数据与图像的分析，并形成报告、打印。⑤浏览历史文件。系统软件设计流程图如图5所示。

4精度保持性试验规范与流程

4.1试验条件

(1)丝杠副直径与长度取值:20mm≤d0≤63mm,L≤2000mm。

(2)试验环境温度：一般要求在15℃~25℃的条件下进行。

(3)试验润滑条件：①本试验采用符合SH/T 0017-1990规定的L-FC型32油或优于其性能的油品进行油润滑，周期性加注润滑油并作有关记录。②润滑油中的污垢及磨屑的颗粒不应大于10μm。 ③供油量要满足试验中被测丝杠的充分润滑。

(4)支承轴承：①试验用轴承额定动载荷应能满足被测样品的加载要求，轴承应选择p4及以上级别精度，轴承寿命不小于被测样品试验时间。②轴承在实验过程中的润滑要求应得到充分保障③采用一端固定一端支撑的方式安装被测滚珠丝杠副。

(5)被测滚珠丝杠副的预加载荷：滚珠丝杠副预加载荷设定范围如表1所示。

表1　丝杠副预加载荷设定范围

(6)被测滚珠丝杠副的试验转速与加载如表2所示。

表2　丝杠副试验转速与加载

(7)试验台：精度保持性试验台具备所要求的设计功能，并能实现相关的试验要求，同时具备在线实时测试的能力。

4.2试验准备

(1)试验样品选取

①随机抽取检测合格的滚珠丝杠副进行精度保持性试验。②抽取的滚珠丝杠副数量应该不少于3根。

(2)试验样品标号

在试验的滚珠丝杠副非工作表面上按照一定的顺序标记序号。

(3)被测样品精度与预加载荷的测试

①精度测试

按GB/T17587.3-1998规定，转速为20r/min，测试滚珠丝杠副行程变动量初始值，并计算行程变动量精度储备量EC。

②预加载荷测试

按GB/T17587.3-1998规定，检测滚珠丝杠副动态预紧转矩的实际数值。预加载荷Fp与动态预紧转矩Tp(N·m)按以下公式换算：

ph—表示公称导程(mm)

η—表示滚珠丝杠副传动效率

当取精度1、2、3级时η取0.9；

当取精度4级及以下时η取0.85。

(4)被测滚珠丝杠副安装与要求

被测滚珠丝杠副应按照有关规定正确安装，安装完毕后进行检验的部分如下表3所示。

表3　丝杠副检测项目与要求

4.3试验台检查

(1)确保试验台各构成部件之间协作运行正常。

(2)确保试验台测控系统运作正常。

(3)确保试验台加载机构与控制系统协作正常。

(4)确保试验台辅助系统内各部件之间的正常运作。

4.4试验过程

对于滚珠丝杠副精度保持性的试验，应严格按照有关标准规范进行操作，避免出现一些外在因素的干扰，影响试验数据的采集与分析。精度保持性试验台要求在试验过程中连续运转，试验载荷、转速要在线实时监测并控制在要求范围内并做及时如实记录。精度保持性试验台在运行过程中，各部件的温度(被测丝杠副，轴承，导轨等)不应超过60℃。

试验步骤流程：

第一步：运行精度保持性试验台，在线实时测试被测滚珠丝杠副行程变动量的实际值。试验条件要求在19℃~20℃并且等温不小于2h、空载、转速为20r/min。

第二步：运行丝杠副加载装置，逐步并缓慢实现丝杠副的加载要求，然后按照试验条件中规定的当量转速做往复运转运动。

第三步：试验运行过程中应按每隔120h对被测丝杠副进行一次行程变动量的在线检测，并记录测试数据。当在线行程变动量精度损失值≥80%EC时，应停止试验，进行离线测量。若精度未失效，则计算出新的精度储备量并继续进行试验。

第四步：试验的滚珠丝杠副精度指标不能达到标称精度等级，则判定为失效，失效与否必须通过离线测量来判定。

第五步：试验中由于非被测滚珠丝杠副本身造成的样品失效，应对试验数据及被测丝杠副进行单独处理，并不计入正常的失效数据中。采集记录到的数据一般应精确到0.0001mm。试验结束后被测样品应妥善保存，以备对典型失效样品进行失效分析。

滚珠丝杠副精度保持性试验流程图如图6所示。

图6　精度保持性试验流程图

5结束语

滚珠丝杠副精度保持性试验台已在山东博特精工股份有限公司设计装配完毕，并进行了试运行。目前，已经投入使用，运行状态良好。试验台的研制填补了当前国内有关滚珠丝杠副精度保持性试验设备的空白，为提高高速重载滚珠丝杠副的可靠性及精度保持性提供了实验依据。但是，试验台本身存在的软、硬件持续升级，是今后逐步解决的一个问题，诸如实现VB软件系统的数据库开发与完善等。

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[5] 沈嘉禾. 精密滚珠丝杠副精度保持性及其实验方法研究[D].南京:南京理工大学,2013.

(编辑李秀敏)

Ball Screw Accuracy Stable Development and Experimental Study on the Test Bench

GAO Shan-long1，SONG Xian-chun1，JIANG Hong-kui1，MA Hong-jun1，RONG Bai-song2,DU Wei2

(1.School of Mechanical and Electronic Engineering,Shandong Jianzhu University, Jinan 250101,China;2.Shandong Best precision Co. Ltd, Jining Shandong 272071,China)

Abstract：A brief introduction of the test bed of a screw pair accuracy stable structure design, design of loading system and the measurement and control system design, formulate accuracy stable test specification and process. Scientific and reasonable structure design, this test bed load system design and the smooth progress of measurement and control system is designed to test provides an effective platform; Accuracy stable test scheme for specification test operation process, improve the accuracy of the test data. Research and development of test platform to fill the domestic market in this area.

Key words：ball screw pair;accuracy stable test bench;test specification and process

中图分类号：TH161;TG506

文献标识码：A

作者简介：高山龙(1987—)，男，山东临沂人，山东建筑大学硕士研究生，研究方向为机电系统控制及自动化，(E-mail)shanlong1818@163.com。

*基金项目：“高档数控机床与装备制造基础”国家重大科技专项(2012ZX04002013)；国家自然科学基金(51375279)

收稿日期：2015-03-16；修回日期：2015-04-16

文章编号：1001-2265(2016)01-0014-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.01.004