双驱动滚珠丝杠副动态性能试验平台设计

尚彤

摘  要：为了研究双驱滚珠丝杠副温度差异对同步性的影响，设计了一种用来检测双驱动滚珠丝杠的动态性能试验平台。在此试验平台上安装了温度传感器、光栅位移传感器、加速度传感器。可以同时测得双驱动滚珠丝杠的同步性、速度、加速度、热位移等丝杠性能参数，为研究双驱动滚珠丝杠提供有效的实验数据。

关键词：热特性;双丝杠;同步误差;试验平台

中图分类号：TH132  文献标识码：A

0  引言

双丝杠驱动进给系统是数控机床的重要组成部分之一，由于双丝杠进给系统的动态特性较好，可承受较大负载，且响应速度较快的给优点，越来越多的应用到高速、高精度的加工中心中。

然而，由于两个滚珠丝杠上负载不同和所受外部干扰不同，丝杠两边的力是不对称的，所以导致两个丝杠不能保持理想状态下的同步驱动。产生的惯性力将会影响系统的稳定性能[1-3]。通过构建测试平台，对该系统进行动态性能测试，分析影响系统性能的主要原因，从而针对不同的问题提出相应的解决方案。

1  试验平台总体方案

根据检测试验条件的指标要求和系统总体结构组成要求及整体系统检测需要，整个双驱滚珠丝杠动态性能检测系统可分为机械系统和测试系统两大部分。机械系统通过计算和选型，确定滚珠丝杠副、轴承、相应的附件以及伺服电机的型号。测试系统采用PXI数据采集箱，进行数字信号处理。最终在计算机中实时显示来分析其动态特性。

2  机械系统设计

2.1  设计参数

双滚珠丝杠伺服驱动系统由床身、两套伺服电机、两套滚珠丝杠副、滚珠丝杠上的滑块、滚动导轨、对双轴进行耦合的工作台和相应的支撑附件和密封附件等组成。确定检测系统的总体设计参数，表1为双驱滚珠丝杠进给系统关键参数。

2.2  关键零件参数的计算及选型

（1）滚珠丝杠副的校核

参照NSK滚珠丝杠的样本.在双驱滚珠丝杠移动误差允许值的范围内，选取精度等级为C3，可计算出导程I[4]：

其中： 为交流电机的最高转速，r/min; 为工作台的最高传送速度，mm/min。

（2）电机的选定

通过计算，最终确定的滚珠丝杠驱动伺服电机选用FANUCai系列Ⅲ型 交流伺服电机，输出功率为4kW。

2.3  试验平台整体结构

本试驗平台为双驱滚珠丝杠运行试验平台，试验平台在安装时，应严格保证两滚珠丝杠和两直线导轨在两方向的平行度。

3 检测系统设计

由于该系统属于轴类系统，安装上传感器和测试系统后，便可实现系统的相关动态性能参数的检测。

3.1  检测系统总体方案

检测系统包括数据采集系统和机械系统。数据采集系统包括A/D转换器、单片机、输 入/输出接口/信号采集传感器、电路和计算机[5]。

3.2  传感器的选型

在双驱滚珠丝杠同步控制的机床中，由于双驱滚珠丝杠系统的两个驱动轴的同步性很难控制。为了实时地观察双驱滚珠丝杠的动态性能指标.在试验台上安装了光栅尺、加速度传感器、接触式温度传感器、非接触式温度传感器等[6-7]。

（1）光栅尺位移传感器

为了检测双驱滚珠丝杠副两轴的位移情况，分别在两轴测安装光栅位移传感器进行检测。通过对比两个光栅测得得数据差值并进行分析，就可以的出滚珠丝杠和工作台两侧的位置偏差。

（2）加速度传感器

加速度传感器选用的是美国PCB公司生产的压电式加速度传感器，此传感器安装有微型的放大器，可以将所测量的电荷放大，相比于传统的压电式加速度传感器其测量精度更准确。在工作台和床身上分别安装加速度传感器用来测量进给系统的加速度和振动情况。

（3）接触式温度传感器

本测试系统采用的是pt100接触式温度传感器。可检测两根滚珠丝杆进出口冷却液温度的变化。

3.3  数据采集器

（1）PXI数据采集箱

本文所选用的凌华科技PXIS-2508型号的机箱有1个系统槽和7个外设插槽。该处理器专为基于PXI的混合测试系统而设计，为各种测试应用提供稳定可靠的平台。

（2）PXI数据采集卡

数据采集卡是信号采集系统的重要部分，对数据采集卡的选型既要满足采集要求，也要根据实际情况来确定。数据采集卡集成了不同的功能模块，包括模拟输入、输出，数字I/O口，计数器/计时器操作等。在选择数据采集卡时考虑的参数通常为采集卡通道数、总线接口类型以及输入输出指标。

（3）数据采集卡的连接方式

通常数据采集卡的输入端为电压信号，而根据被测信号是否接地，又可以将信号分为两类：接地信号和浮动信号。

3.4  数据处理方法

计算机中安装采集和数据处理软件，先利用高速数据采集板进行数据采集。并将采集的数据输入系统缓存中;在采集完成后，再将缓存中的数据逐一读取，通过各种接口和加采集卡。将传感器输出的信号输入到计算机上，然后用软件进行数据处理，并完成曲线的绘制。

3.5  测试系统搭建

在4个轴承座上分别安装接触式温度传感器。用来测量滚珠丝杠运行过程中轴承的摩擦发热情况。非接触式温度传感器用来测量滚珠丝杠的整体温升变化。床身和工作台上安装有三相加速度传感器。用来测量系统的加速度和振动情况。光栅尺用来测量滚珠丝杠副的定位精度和重复定位精度[8]。是利用光栅的光学原理来检测两轴直线位移误差和热位移，进而检测双驱滚珠丝杠的同步性。

4  结束语

设计了双驱滚动丝杠进给系统动态性能检测系统，在此试验平台上，可以对双驱动滚珠丝杠的加速度、温度、速度、定位精度、同步性的性能参数进行同时测试，能够为双驱动滚珠丝杠的进一步改进提供有效、可靠的实验数据。

参考文献

[1] 谢黎明，杨晓瑛，靳岚.考虑负载重心变化的双驱进给系统不同步误差分析[J].现代制造工程，2016（1）：81-86

[2] 唐小琦.数控机床双轴同步控制技术研究[D].武汉：华中科技大学，2011.

[3] 程颖.基于PMAC的双丝杠驱动同步运动控制研究和应用[D].武汉：华中科技大学，2011.

[4] 李伟光，刘其洪，王元聪，等.数控系统在机床双轴同步控制的应用[J].机电工程技术，2005，34（4）：11-16.

[5] 宋现春，刘剑，王兆坦，等.高速滚珠丝杠副综合性能试验台的研制开发[J].工具技术，2005，39（3）.

[6] 肖正义，焦沽.高速滚珠丝杠副的研发和测试技术[J].制造技术与机床，2004（4）：95-98.

[7] 刘永平，陈祯，芮执元，等.高速空心滚珠丝杠副动态性能试验平台的研发[J].制造技术与机床，2012（10）：78-81.

[8] 罗辉.同步双驱精密卧式加工中心优化设计[D].南京：南京航空航天大学，2009.