滚珠丝杠副摩擦力矩试验系统开发

2017-09-15

福建质量管理 2017年11期

(山东建筑大学机电工程学院山东济南 250101)

滚珠丝杠副摩擦力矩试验系统开发

陈洪建张英赏鲁苑凯徐淑俭

(山东建筑大学机电工程学院山东济南250101)

介绍了一种基于测力传感器输出信号为基准的滚珠丝杠摩擦力矩测试系统，包括检测系统方案，软件流程和数据处理与分析等。按照标准测试流程，通过RS-232 通信接口实现了对滚珠丝杠副摩擦力矩的测试。为滚珠丝杠副摩擦力矩的深入研究，进一步提高滚珠丝杠副的定位精度提供了技术方法及试验平台。

滚珠丝杠副；摩擦力矩；检测系统；数据处理与分析

前言

滚珠丝杠副是数控机床的关键部件。近几年随着数控机床的快速发展，对进给系统提出了更高的要求。如今，数控机床制造技术正在向着高精度、高可靠性、高速度、数字化及智能化方向发展[1]。滚珠丝杠副运转是否平稳, 主要取决于滚珠丝杠副摩擦力矩的变动量。摩擦力矩的波动直接影响驱动系统的平稳性, 尤其是在高速驱动时对噪声、温升、定位精度等影响更为突出。而且摩擦力矩影响丝杠的定位精度,研究滚珠丝杠副摩擦力矩对丝杠的传动性能具有现实意义[2]。

一、滚珠丝杠副摩擦力矩检测系统方案设计

滚珠丝杠副摩擦力矩试验在试验过程中会出现摩擦力矩丧失的情况，这就需要对被测丝杠的摩擦力矩进行实时的监测，确保试验的顺利进行[3]。

分开螺母法兰盘与螺母座的连接，将拨杆与拉压传感器相连接。依据摩擦力矩检测流程对试验台进行调整，因此摩擦力矩的变化情况可通过扭矩测量值直接反映出来。摩擦力矩测量试验台如图1所示。

图1 摩擦力矩测量试验台

1-伺服电机;2-力矩转换器;3-螺母;4-加载工作台;5-滚珠丝杠;6-传感器拉压杆;7-螺母座

测量摩擦力矩时，首先由伺服电机带动滚珠丝杠使工作台移动，工作台通过拉压杆带动加载工作台7移动。然后加载工作台7带动螺母2沿着轴向移动，由于滚珠丝杠1、滚珠以及螺母2之间的摩擦力作用，螺母2在直线运动的同时还会会发生自旋。拨杆3在螺母2的带动下会发生摆动，摆动端会对固定于传感器座6上的压力传感器4产生压力。挡板5固定在加载工作台7上，用来限制拨杆3的轴向移动。当拨杆3末端压力产生的力矩时与滚珠丝杠副的摩擦力矩相等时，螺母将停止旋转。根据压力传感器4的显示值，即可计算出滚珠丝杠副的摩擦力矩测量值。摩擦力矩测量原理图如图2所示。

图2 摩擦力矩测量原理图

1-滚珠丝杠;2-螺母;3-拨杆;4-压力传感器;5-挡板;6-传感器座;7-加载工作台

由几何关系得到摩擦力矩：

M=L×FNcosθ

(1)

其中:L是拨杆的长度，FN为压力传感器的测量值，θ是拨杆与竖直方向的夹角。

因为θ非常小，则cosθ≈1，公式(1)可以简化为：

M=L×FN

(2)

二、摩擦力矩测量系统设计

(一)系统硬件设计。测试系统流程图如图3所示。

图3 测试系统流程图

根据被测滚珠丝杠的型号，可知摩擦力矩在5Nm以内。由试验台的结构设计摆杆的长度为100mm，由公式(1.2)得到压力传感器的测量范围在50N以内。

(二)系统软件设计。摩擦力矩的软件测量系统设计已做过相关研究，上位机使用Visual Basic6 .0 编写软件，下位机以单片机为硬件控制核心。本系统是运用图形化编程语言labview为软件开发平台，在程序的开发过程中运用结构化和模块化的设计思想，设计了不同功能模块，并设计了一个主界面来实现各模块的调用。

三、滚珠丝杠副摩擦力矩试验与结果分析

本试验选用国外A厂家、国外B厂家和山东博特的滚珠丝杠副，它们的公称直径为40mm，导程是10mm，实际移动量为1440mm。将国外A厂家、国外B厂家和山东博特的滚珠丝杠副安装在试验台上，以测定滚珠丝杠副的摩擦力矩。按照要求确保安装正确，根据试验规范对摩擦力矩进行测量，滚珠丝杠副摩擦力矩试验前检测记录如表1所示。