评估进给系统丝杠预拉伸力动态性能测试系统及测试方法
【专利摘要】一种评估进给系统丝杠预拉伸力的动态性能测试系统及测试方法，系统有设置在底座上的电机、通过联轴器连接电机的丝杠、设置在丝杠上的螺母，通过底部的螺母座固定连接螺母的工作台，底座上通过导轨支撑架设置有导轨，丝杠分别通过固定在底座上的前端轴承机构和尾端轴承机构进行定位，以及激光干涉测试系统、模态测试系统和热特性测试系统。方法：利用弹性轴套的标定装置对弹性轴套进行标定，获得弹性轴套的标定线性关系式；在不同梯度的轴向预拉伸力下分别进行进给系统模态试验测试、进给系统运动性能指标测试和进给系统热特性测试。本发明利用评价指标对测试数据进行处理，分析丝杠预拉伸力对进给系统动态性能的影响规律，综合评估丝杠预拉伸力状态。
【专利说明】
评估进给系统丝杠预拉伸力动态性能测试系统及测试方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种数控机床进给系统动态性能测试系统。特别是涉及一种评估进给 系统丝杠预拉伸力动态性能测试系统及测试方法。
【背景技术】
[0002] 为了确保数控机床的加工精度及效率，需要对进给系统的动态性能进行在线测 量。而在进给系统机械结构和伺服系统参数给定的情况下，进给系统滚珠丝杠预拉伸力大 小成为影响其动态特性的主要因素。为了提高滚珠丝杠进给系统的刚性和补偿丝杠热变对 进给系统定位精度的影响，通常要对滚珠丝杠进行预拉伸，即通过对丝杠一端锁紧螺母的 预紧来完成。滚珠丝杠预拉伸力对进给系统动态性能产生影响，预拉伸力过大会导致丝杠 轴承发热严重从而影响寿命，预拉伸力过小会导致系统刚性不足，影响进给系统的定位精 度。因此对于滚珠丝杠预拉伸力必须进行合理的选取。而在实际情况下，对进给系统滚珠丝 杠预拉伸力状态的评估主要是依靠工程师的经验来完成，缺乏相应的量化指标，导致进给 系统的动态性能达不到最优。
【发明内容】
[0003] 本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够完成对丝杠预拉伸力和进给系统动 态性能测试数据采集和处理的用于评估进给系统丝杠预拉伸力动态性能测试系统及测试 方法。
[0004] 本发明所采用的技术方案是:一种评估进给系统丝杠预拉伸力的动态性能测试系 统，包括数控机床进给系统中的底座、设置在底座上的电机、通过联轴器连接电机输出轴的 丝杠、设置在丝杠上的能够随丝杠的旋转而水平直线移动的螺母，通过底部的螺母座固定 连接螺母的工作台，所述的底座上通过导轨支撑架设置有用于引导工作台移动的导轨，所 述的丝杠分别通过固定在底座上的前端轴承机构和尾端轴承机构进行定位，对应所述的工 作台分别设置有：用于测量工作台运动过程中进给系统运动性能指标的激光干涉测试系 统，用于测量对工作台施加激励时进给系统动态特性的模态测试系统，对应所述的前端轴 承机构和尾端轴承机构设置有用于测量丝杠运动过程中热特性的热特性测试系统，所述的 激光干涉测试系统、模态测试系统和热特性测试系统分别连接工控机。
[0005] -种用于评估进给系统丝杠预拉伸力的动态性能测试系统中弹性轴套的标定装 置，包括有形成有T型凹槽的标定工作台，通过T型槽螺栓固定在所述标定工作台上的标定 底座，所述标定底座上通过双头螺柱由下至上依次设置有定位夹盖和顶盖，其中，所述的定 位夹盖和标定底座之间用于设置被标定的弹性轴套，所述弹性轴套上设置有应变片，所述 应变片的信号输出端连接静态应变测试系统中测试信号采集单元的信号输入端，所述测试 信号采集单元连接工控机，所述定位夹盖和顶盖之间设置有用于采集标定压力的压力传感 器，所述双头螺柱上端通过螺纹连接有用于施加标定压力的施力螺母，所述的标定底座)上 还设置有用于对所述的定位夹盖和顶盖进行导向的导向柱。
[0006] -种评估进给系统丝杠预拉伸力的动态性能测试系统中的测试方法，包括如下步 骤：
[0007] 1)利用评估进给系统丝杠预拉伸力的动态性能测试系统中弹性轴套的标定装置 对弹性轴套进行标定，获得弹性轴套的标定线性关系式F = aAx+b，其中，a，b为待标定的系 数，Ax弹性轴套轴向应变均值，F弹性轴套所受轴向力。在进给系统滚珠丝杠远离电机一端 的预紧螺母和尾端轴承机构的轴承内圈之间加入已标定的弹性轴套，调整预紧螺母对丝杠 施加由重到轻的四个梯度轴向预拉伸力，利用东华静态应变测试系统采集四个不同梯度轴 向预拉伸力下的弹性轴套轴向应变数据，基于弹性轴套的标定线性关系式F = aAx+b，再利 用MATLAB对应变测试系统采集到的弹性轴套轴向变形数据进行处理，得到四个不同梯度的 轴向预拉伸力数据；
[0008] 2)在不同梯度的轴向预拉伸力下分别进行进给系统模态试验测试、进给系统运动 性能指标测试和进给系统热特性测试。
[0009] 本发明的评估进给系统丝杠预拉伸力的动态性能测试系统及测试方法，能够对丝 杠预拉伸力和进给系统动态性能进行测试，采集测试数据，利用评价指标对测试数据进行 处理，分析丝杠预拉伸力对进给系统动态性能的影响规律，综合评估丝杠预拉伸力状态。
[0010] 本发的评估进给系统丝杠预拉伸力动态性能测试系统及测试方法，明可以快速准 确地测量丝杠预拉伸力的大小，综合进给系统模态试验、运动性能指标测试以及热特性测 量结果，全面有效地对丝杠预拉伸力状态和进给系统动态性能进行评估，用于指导工程师 对进给系统的滚珠丝杠进行合理的预拉伸，提高数控机床的加工性能。
【附图说明】
[0011] 图1是本发明评估进给系统丝杠预拉伸力动态性能测试系统的结构示意图；
[0012] 图2是本发明中丝杠预拉伸力测试结构示意图；
[0013] 图3是用于本发明测试系统中弹性轴套的标定装置立体结构示意图；
[0014] 图4是用于本发明测试系统中弹性轴套的标定装置主视图。
[0015] 图中
[0016] 1:底座 2:电机
[0017] 3:联轴器 4:前端轴承机构
[0018] 5:丝杠 6:螺母
[0019] 7:导轨 8:工作台
[0020] 9:力锤 10:激振器
[0021] 11:加速度传感器 12:激光器
[0022] 13:干涉镜 14:反射镜
[0023] 15:温度传感器 16:电涡流位移传感器
[0024] 17:工控机 18:轴承座
[0025] 19:内轴套 20:弹性轴套
[0026] 21:预紧螺母 22:挡圈
[0027] 23:应变片 24:端盖
[0028] 25:定位螺母 26:尾端轴承机构
[0029] 27:螺母座 28:串联轴承组
[0030] 29:外轴套 30:测试信号采集单元
[0031] 31:控制及测试信号采集单元 32:数据采集单元
[0032] 33:T型凹槽 34:标定工作台
[0033] 35 :T型槽螺栓 36:标定底座
[0034] 37:导向柱 38:双头螺柱
[0035] 39:施力螺母 40:顶盖
[0036] 41:定位夹盖 42:导轨支撑架
[0037] 43:压力传感器
【具体实施方式】
[0038] 下面结合实施例和附图对本发明的评估进给系统丝杠预拉伸力动态性能测试系 统及测试方法做出详细说明。
[0039] 本发明的评估进给系统丝杠预拉伸力的动态性能测试系统及标定装置，根据测试 任务选择合适的传感器、配置数据采集装置和工控机，搭建进给系统动态性能测试系统硬 件测试平台。所述的进给系统动态性能测试系统硬件测试平台包括进给系统滚珠丝杠预拉 伸力标定测试平台、进给系统模态试验平台、进给系统运动性能指标测试平台以及进给系 统热特性测试平台。
[0040] 如图1所示，本发明的评估进给系统丝杠预拉伸力的动态性能测试系统，包括数控 机床进给系统中的底座1、设置在底座1上的电机2、通过联轴器3连接电机2输出轴的丝杠5、 设置在丝杠5上的能够随丝杠5的旋转而水平直线移动的螺母6，通过底部的螺母座27固定 连接螺母6的工作台8,所述的底座1上通过导轨支撑架42设置有用于引导工作台8移动的导 轨7,所述的丝杠5分别通过固定在底座1上的前端轴承机构4和尾端轴承机构26来定位，对 应所述的工作台8分别设置有:用于测量工作台8运动过程中进给系统运动性能指标的激光 干涉测试系统，用于测量对工作台8施加激励时进给系统动态特性的模态测试系统，对应所 述的前端轴承机构4和尾端轴承机构26设置有用于测量丝杠5运动过程中热特性的热特性 测试系统，所述的激光干涉测试系统、模态测试系统和热特性测试系统分别连接工控机17。 [0041]所述的激光干涉测试系统采用厂家为Renishaw的激光干涉系统，系统中：激光器 12设置在所述工作台8远离电机2-侧，干涉镜13固定在底座1上，反射镜14固定在工作台8 上，所述激光器12、干涉镜13和反射镜14位于同一光路上，所述激光器12的信号输出端连接 激光干涉测试系统中测试信号采集单元30的信号输入端，所述测试信号采集单元30连接工 控机17。
[0042]所述的模态测试系统采用厂家为比利时LMS公司的LMS测试系统，系统中：控制及 测试信号采集单元31连接工控机17,分别连接控制及测试信号采集单元31的控制信号输出 端和采集信号输入端用于产生激振力的激振器10设置在工作台8的一侧，连接控制及测试 信号采集单元31的采集信号输入端的力锤9对应敲击工作台8上的测试点，连接控制及测试 信号采集单元31的采集信号输入端的12~24个加速度传感器11分别布设在:螺母座27上设 置有2~4个，在前端轴承机构4上设置有1~2个，尾端轴承机构26上设置有1~2个，工作台8 上设置有8~16个。
[0043] 所述的热特性测试系统采用厂家为北京昆仑海岸传感技术中心的热特性测试系 统，系统中：数据采集单元32连接工控机17,连接数据采集单元32的2~4个温度传感器15分 别布设在前端轴承机构4的轴承座上1~2个，尾端轴承机构26的轴承座上1~2个，连接数据 采集单元32的电涡流位移传感器16固定在底座1上并对应于进行预拉伸的丝杠5的伸出端。 所述的电涡流位移传感器16的测试端面与所述的丝杠5伸出端的端面平行设置，且相距0.5 ~lmm 〇
[0044] 如图2所示，所述的尾端轴承机构26包括有:包括有轴承座18，位于轴承座18内的 用于支撑固定丝杠5且以背靠背的形式装入的两组串联轴承组28,两组串联轴承组28之间 设置有内轴套19,两组串联轴承组28的位于丝杠5端部一侧设置有弹性轴套20,远离丝杠5 端部一侧设置有外轴套29,所述外轴套29和弹性轴套20的外周分别设置有挡圈22,其中，所 述轴承座18的两端分别通过螺钉设置有用于定位轴承组28和挡圈22的端盖24,所述端盖24 的中心形成有能够贯穿丝杠5的贯通孔，所述丝杠5的端部螺纹连接有用于对丝杠5施加轴 向预拉伸力的预紧螺母21，所述弹性轴套20的外周均匀设置有3~4个用于测定丝杠5轴向 变形的应变片23,所述应变片23的信号输出端连接"东华静态应变测试系统"中测试信号采 集单元的信号输入端，所述测试信号采集单元连接工控机17。所述丝杠5位于外轴套29的一 侧设置有定位螺母25。
[0045] 如图3、图4所示，用于评估进给系统丝杠预拉伸力的动态性能测试系统中弹性轴 套的标定装置，包括有形成有T型凹槽33的标定工作台34,通过T型槽螺栓35固定在所述标 定工作台34上的标定底座36,所述标定底座36上通过双头螺柱38由下至上依次设置有定位 夹盖41和顶盖40,其中，所述的定位夹盖41和标定底座36之间用于设置被标定的弹性轴套 20,所述弹性轴套20上设置有应变片23,所述应变片23的信号输出端连接"东华静态应变测 试系统"中测试信号采集单元的信号输入端，所述测试信号采集单元连接工控机17。所述定 位夹盖41和顶盖40之间设置有用于采集标定压力的压力传感器43,所述双头螺柱38上端通 过螺纹连接有用于施加标定压力的施力螺母39,即通过同步旋进双头螺柱38上的施力螺母 39来提供弹性轴套的轴向力。所述的标定底座36上还设置有贯穿所述的定位夹盖41和顶盖 40用于对所述的定位夹盖41和顶盖40进行导向的导向柱37。
[0046] 所述的导向柱37和双头螺柱38各设置有2个，在标定底座36的上端面以中心为圆 心，以弹性轴套20外直径的2~2.5倍为直径的圆周上形成有2个用于固定导向柱37的导向 孔槽和2个用于连接双头螺柱38的螺孔槽，所述的导向孔槽和螺孔槽为间隔设置，在定位夹 盖41和顶盖40上以各自中心为圆心，以弹性轴套20外直径的2~2.5倍为直径的圆周上均形 成有2个用于贯穿导向柱37的导向孔和2个用于贯穿双头螺柱38的螺柱孔，所述的导向孔和 螺柱孔间隔设置，每个导向孔和螺纹孔之间间隔90〇。所述的导向柱37和双头螺柱38的底端 依次贯穿顶盖40和定位夹盖41上相对应的导向孔和螺柱孔固定在所述标定底座36的导向 孔槽和螺孔槽内。所述导向柱37的底端与所述的标定底座36上的导向孔槽为过渡配合，所 述导向柱37与定位夹盖41和顶盖40上的导向孔均采用间隙配合。
[0047] 所述的定位夹盖41的上端面形成有直径大于压力传感器43直径1~2mm、深度为2 ~3mm的用于固定压力传感器43的上端圆柱形定位槽，所述的定位夹盖41的下端面形成有 直径大于弹性轴套20直径1~2mm、深度为2~3mm的用于固定弹性轴套20的下端圆柱形定位 槽，所述的上端圆柱形定位槽和下端圆柱形定位槽为同轴设置。
[0048]本发明的用于评估进给系统丝杠预拉伸力的动态性能测试系统中的测试方法，包 括如下步骤：
[0049] 1)利用评估进给系统丝杠预拉伸力的动态性能测试系统中弹性轴套的标定装置 对弹性轴套进行标定，将3~4个应变片沿周向均匀粘贴在待标定的弹性轴套上，以力矩扳 手作为施力工具拧紧施力螺母，通过压力传感器和东华静态应变测试系统分别采集弹性轴 套所受轴向力数据和其轴向应变数据，基于胡克定律确定弹性轴套所受轴向力与其轴向变 形之间的线性关系，获得弹性轴套的标定线性关系式F = aAx+b，其中，a，b为待标定的系 数，Ax弹性轴套轴向应变均值，F弹性轴套所受轴向力，并以此作为实验测定轴向预拉伸力 的依据。
[0050] 轴向预拉伸力测试是在进给系统滚珠丝杠远离电机一端的预紧螺母和尾端轴承 机构的轴承内圈之间加入已标定的弹性轴套，将3~4个应变片沿周向均匀粘贴在弹性轴套 上，调整预紧螺母对丝杠施加由重到轻的四个梯度轴向预拉伸力，利用东华静态应变测试 系统采集四个不同梯度轴向预拉伸力下的弹性轴套轴向应变数据，基于弹性轴套的标定线 性关系式F = aAx+b，再利用MATLAB对应变测试系统采集到的弹性轴套轴向变形数据进行 处理，得到四个不同梯度的轴向预拉伸力数据；
[0051] 2)在不同梯度的轴向预拉伸力下分别进行进给系统模态试验测试、进给系统运动 性能指标测试和进给系统热特性测试。其中：
[0052]所述的进给系统模态试验测试是首先进行锤击法模态试验，然后在锤击法模态试 验的基础上进行激振器法模态试验获取准确的进给系统动态特性参数，根据步骤1)得到的 四个不同梯度的轴向预拉伸力数据，改变丝杠预拉伸力重复所述进给系统模态试验测试过 程四次，得到在四个不同梯度丝杠预拉伸力下的进给系统动力学特性。其中：
[0053]所述的锤击法模态试验是采用单点激振多点拾振的方法，包括：
[0054] (1)在进给系统工作台部位上选取10~20个位置布置测试点，其中，在螺母座上选 取2~4个位置布置测试点加装加速度传感器，在工作台选取8~16个位置布置测试点加装 加速度传感器。在LMS模态测试系统中：对应螺母座上和工作台上布置的各测试点建立相应 的测试点，并根据锤击法模态试验的测试点位置依次连接各测试点，建立几何模型；
[0055] (2)设置激励和响应通道并对加速度传感器进行校准，并设置采样参数:包括采样 频率、分析带宽、触发级和窗函数；
[0056] (3)在完成设置之后即可进行测量，用力锤敲击工作台，利用LMS模态测试系统采 集激励信号和各测点的响应信号，获取对应的频响函数；
[0057] (4)将锤击法模态试验获取的频响函数经过LMS模态测试系统中的模态分析模块 处理得到进给系统的固有频率；
[0058]所述的激振器法模态试验同样采用单点激振多点拾振的方法，包括：
[0059] (1)是在锤击法所选工作台和螺母座测试点位置的基础上，在前端轴承机构和尾 端轴承机构上分别额外选取1~2个测点并布置加速度传感器，工作台轴向端面中心位置选 取激振点并加装激振器。在LMS模态测试系统中：对应螺母座上、工作台上、前端轴承机构和 尾端轴承机构上布置的各测试点建立相应的测试点，根据激振器法模态试验的测试点位置 依次连接各测试点，建立几何模型；
[0060] (2)设置激励和响应通道和采样参数，采样参数包括：测试带宽、谱线、频率分辨 率、触发级和窗函数；
[0061] (3)定义测量方向、输出电压幅值和测量函数并根据锤击法得到的固有频率设定 激振器扫频范围；在完成设置之后即可进行测量，利用LMS模态测试系统采集激励信号和各 测点的响应信号，获取对应的频响函数;在LMS模态测试系统中的模态分析模块中导入由激 振器法模态试验获取的频响函数，得出包括固有频率和模态振型在内的系统固有动力学特 性；
[0062]所述的进给系统运动性能指标测试是利用Renishaw激光干涉测试系统完成进给 系统工作台运动数据信息的采集，并利用MATLAB对采集到的数据进行处理得到各项运动性 能指标，具体包括：
[0063] (1)将反射镜固定在工作台上，干涉镜固定在导轨上(确保工作台运动行程中不会 与干涉镜相碰），调整激光器、干涉镜和反射镜的位置，进行激光准直；
[0064] (2)设置采样参数，包括采样频率，采样时间，触发时间；
[0065] (3)编写进给系统数控运行程序，包括:位移斜坡运动信号、速度斜坡运动信号和 往复运动信号；
[0066] (4)执行进给系统数控运行程序，利用激光干涉测试系统采集进给系统在三种运 动信号下工作台运动的位置信息，将采集到工作台位置信息以数据表的形式进行储存；
[0067] (5)基于响应效率、定位精度、速度跟踪特性和延迟特性这四项运动性能指标的计 算公式，利用MATLAB对储存在数据表中的三种运动信号下工作台位置数据信息进行处理得 到进给系统的四项运动性能指标并绘制三种运动信号下工作台运动的曲线；
[0068] 所述的基于响应效率、定位精度、速度跟踪特性和延迟特性这四项运动性能指标 的计算公式具体如下：
[0069] 所述的响应效率指标，是反映进给系统对位移斜坡运动信号的响应性能，计算表 达式为
'，其中、为进给系统走完行程的理论时刻，t。为进给系统的实际位移到达 理想位移范围e内的时刻，为测试结束时刻；
[0070] 所述的定位精度指标，.县进给系统在位移斜坡运动信号下的实际位置与理想 位置之间的偏差，计算表达式为
，其中选取进给系统走完行程的理论时刻tP作为特 征点，将进给系统实际位移Xr与理想位移Xe之比作为定位精度指标；
[0071] 所述的速度跟踪特性指标，是反映进给系统在速度斜坡运动信号下实际速度和理 想速度的接近程度，计算表达式为
，其中Ve为进给系统的理想速度值，V r为进给系统 加速到理论时刻ti对应的实际速度值，两者的比值作为速度跟踪特性指标；
[0072] 所述的延迟特性指标，是反映进给系统对往复运动信号的位移响应，计算表达式 为
，ta为进给系统实际达到最大位移的时刻，^为进给系统到达最大位移的理论时 亥IJ，两者的比值作为延迟特性指标。
[0073] (6)根据步骤1)得到的四个不同梯度的轴向预拉伸力数据，改变丝杠预拉伸力重 复第(1)~第(5)步四次，得到在四个不同梯度丝杠预拉伸力下的进给系统运动性能指标。
[0074] 所述的进给系统热特性测试是利用热特性测试系统进行轴承座温升测试和滚珠 丝杠轴向热变形测试，具体包括：
[0075] (1)将在前端轴承机构的轴承座和尾端轴承机构的轴承座各固定的1~2个温度传 感器的信号输入端与热特性测试系统中NI数据采集卡的对应通道相连，并在LabVIEW中标 定温度传感器；
[0076] (2)位于丝杠预拉伸端的电涡流位移传感器的信号输入端与热特性测试系统中NI 数据采集卡的对应通道相连，并在LabVIEW中标定电涡流微位移传感器。编写进给系统数控 运行程序，设定进给速度如4800mm/min，单向行程长度如800mm，往复运动，设定运行时间如 30min；
[0077] (3)执行进给系统数控运行程序，通过温度传感器和电涡流位移传感器采集在进 给系统设定的运行时间内，前端轴承机构的轴承座和尾端轴承机构的轴承座的温升数据， 以及滚珠丝杠轴向热变形数据，并储存在LabVIEW的数据表中，利用MATLAB对采集到的前端 轴承机构的轴承座和尾端轴承机构的轴承座的温升数据，以及滚珠丝杠轴向热变形数据， 进行处理并绘制曲线；
[0078] (4)-次试验结束后待前端轴承机构的轴承座和尾端轴承机构的轴承座温度降至 稳定值，根据步骤1)得到的四个不同梯度的轴向预拉伸力数据，改变丝杠预拉伸力重复第 (1)~第(3)步四次，得到在四个不同梯度丝杠预拉伸力下的进给系统轴承座温升和滚珠丝 杠轴向热变形数据并进行比较。
【主权项】
1. 一种评估进给系统丝杠预拉伸力的动态性能测试系统，包括数控机床进给系统中的 底座（1)、设置在底座（1)上的电机(2)、通过联轴器(3)连接电机(2)输出轴的丝杠(5)、设置 在丝杠(5)上的能够随丝杠(5)的旋转而水平直线移动的螺母(6 )，通过底部的螺母座(27) 固定连接螺母(6)的工作台（8)，所述的底座（1)上通过导轨支撑架(42)设置有用于引导工 作台（8)移动的导轨(7)，其特征在于，所述的丝杠(5)分别通过固定在底座（1)上的前端轴 承机构(4)和尾端轴承机构（26)进行定位，对应所述的工作台（8)分别设置有：用于测量工 作台（8)运动过程中进给系统运动性能指标的激光干涉测试系统，用于测量对工作台（8)施 加激励时进给系统动态特性的模态测试系统，对应所述的前端轴承机构(4)和尾端轴承机 构（26)设置有用于测量丝杠(5)运动过程中热特性的热特性测试系统，所述的激光干涉测 试系统、模态测试系统和热特性测试系统分别连接工控机(17)。2. 根据权利要求1所述的评估进给系统丝杠预拉伸力的动态性能测试系统，其特征在 于，所述的尾端轴承机构(26)包括有:包括有轴承座（18)，位于轴承座（18)内的用于支撑固 定丝杠(5)且以背靠背的形式装入的两组串联轴承组(28)，两组串联轴承组（28)之间设置 有内轴套（19)，两组串联轴承组(28)的位于丝杠(5)端部一侧设置有弹性轴套(20)，远离丝 杠(5)端部一侧设置有外轴套(29)，所述外轴套(29)和弹性轴套(20)的外周分别设置有挡 圈（22)，其中，所述轴承座（18)的两端分别通过螺钉设置有用于定位轴承组（28)和挡圈 (22)的端盖(24)，所述端盖(24)的中心形成有能够贯穿丝杠(5)的贯通孔，所述丝杠(5)的 端部螺纹连接有用于对丝杠(5)施加轴向预拉伸力的预紧螺母(21)，所述弹性轴套(20)的 外周均匀设置有3~4个用于测定丝杠(5)轴向变形的应变片(23)，所述应变片（23)的信号 输出端连接静态应变测试系统中测试信号采集单元的信号输入端，所述测试信号采集单元 连接工控机(17 )，所述丝杠(5)位于外轴套(29)的一侧设置有定位螺母(25)。3. 根据权利要求1所述的评估进给系统丝杠预拉伸力的动态性能测试系统，其特征在 于，所述的激光干涉测试系统中：激光器（12)设置在所述工作台（8)远离电机(2)-侧，干涉 镜（13)固定在底座（1)上，反射镜（14)固定在工作台（8)上，所述激光器(12)、干涉镜（13)和 反射镜（14)位于同一光路上，所述激光器(12)的信号输出端连接激光干涉测试系统中测试 信号采集单元(30)的信号输入端，所述测试信号采集单元(30)连接工控机(17)。4. 根据权利要求1所述的评估进给系统丝杠预拉伸力的动态性能测试系统，其特征在 于，所述的模态测试系统中：控制及测试信号采集单元(31)连接工控机(17)，分别连接控制 及测试信号采集单元(31)的控制信号输出端和采集信号输入端用于产生激振力的激振器 (10)设置在工作台（8)的一侧，连接控制及测试信号采集单元(31)的采集信号输入端的力 锤(9)对应敲击工作台（8)上的测试点，连接控制及测试信号采集单元(31)信号输入端的12 ~24个加速度传感器(11)分别布设在:螺母座(27)上设置有2~4个，在前端轴承机构(4)上 设置有1~2个，尾端轴承机构(26)上设置有1~2个，工作台⑶上设置有8~16个。5. 根据权利要求1所述的评估进给系统丝杠预拉伸力的动态性能测试系统，其特征在 于，所述的热特性测试系统中：数据采集单元(32)连接工控机(17)，连接数据采集单元(32) 的2~4个温度传感器（15)分别布设在前端轴承机构(4)的轴承座上1~2个，尾端轴承机构 (26)的轴承座上1~2个，连接数据采集单元(32)的电涡流位移传感器（16)固定在底座（1) 上并对应于进行预拉伸的丝杠(5)的伸出端。所述的电涡流位移传感器（16)的测试端面与 所述的丝杠(5)伸出端的端面平行设置，且相距0.5~1mm。6. -种用于权利要求2所述的评估进给系统丝杠预拉伸力的动态性能测试系统中弹性 轴套的标定装置，其特征在于，包括有形成有T型凹槽(33)的标定工作台（34)，通过T型槽螺 栓(35)固定在所述标定工作台（34)上的标定底座(36)，所述标定底座(36)上通过双头螺柱 (38)由下至上依次设置有定位夹盖(41)和顶盖(40)，其中，所述的定位夹盖(41)和标定底 座(36)之间用于设置被标定的弹性轴套(20)，所述弹性轴套(20)上设置有应变片（23)，所 述应变片(23)的信号输出端连接静态应变测试系统中测试信号采集单元的信号输入端，所 述测试信号采集单元连接工控机(17)，所述定位夹盖(41)和顶盖(40)之间设置有用于采集 标定压力的压力传感器(43)，所述双头螺柱(38)上端通过螺纹连接有用于施加标定压力的 施力螺母(39)，所述的标定底座(36)上还设置有用于对所述的定位夹盖(41)和顶盖(40)进 行导向的导向柱(37)。7. 根据权利要求6所述的标定装置，其特征在于，所述的导向柱(37)和双头螺柱(38)各 设置有2个，在标定底座(36)的上端面以中心为圆心，以弹性轴套(20)外直径的2~2.5倍为 直径的圆周上形成有2个用于固定导向柱(37)的导向孔槽和2个用于连接双头螺柱(38)的 螺孔槽，所述的导向孔槽和螺孔槽为间隔设置，在定位夹盖(41)和顶盖(40)上以各自中心 为圆心，以弹性轴套(20)外直径的2~2.5倍为直径的圆周上均形成有2个用于贯穿导向柱 (37)的导向孔和2个用于贯穿双头螺柱(38)的螺柱孔，所述的导向孔和螺柱孔间隔设置，所 述的导向柱(37)和双头螺柱(38)的底端依次贯穿顶盖(40)和定位夹盖(41)上相对应的导 向孔和螺柱孔固定在所述标定底座(36)的导向孔槽和螺孔槽内；所述导向柱(37)的底端与 所述的标定底座（36)上的导向孔槽为过渡配合，所述导向柱（37)与定位夹盖(41)和顶盖 (40)上的导向孔均采用间隙配合。8. 根据权利要求6所述的标定装置，其特征在于，所述的定位夹盖(41)的上端面形成有 直径大于压力传感器(43)直径1~2_、深度为2~3_的用于固定压力传感器(43)的上端圆 柱形定位槽，所述的定位夹盖(41)的下端面形成有直径大于弹性轴套(20)直径1~2mm、深 度为2~3mm的用于固定弹性轴套(20)的下端圆柱形定位槽，所述的上端圆柱形定位槽和下 端圆柱形定位槽为同轴设置。9. 一种用于权利要求1所述的评估进给系统丝杠预拉伸力的动态性能测试系统中的测 试方法，其特征在于，包括如下步骤： 1) 利用评估进给系统丝杠预拉伸力的动态性能测试系统中弹性轴套的标定装置对弹 性轴套进行标定，获得弹性轴套的标定线性关系式F = aAx+b，其中，a，b为待标定的系数， Λχ弹性轴套轴向应变均值，F弹性轴套所受轴向力。在进给系统滚珠丝杠远离电机一端的 预紧螺母和尾端轴承机构的轴承内圈之间加入已标定的弹性轴套，调整预紧螺母对丝杠施 加由重到轻的四个梯度轴向预拉伸力，利用东华静态应变测试系统采集四个不同梯度轴向 预拉伸力下的弹性轴套轴向应变数据，基于弹性轴套的标定线性关系式F = aAx+b，再利用 MTLAB对应变测试系统采集到的弹性轴套轴向变形数据进行处理，得到四个不同梯度的轴 向预拉伸力数据； 2) 在不同梯度的轴向预拉伸力下分别进行进给系统模态试验测试、进给系统运动性能 指标测试和进给系统热特性测试。10. 根据权利要求9所述的测试方法，其特征在于，步骤2)所述的进给系统模态试验测 试是首先进行锤击法模态试验，然后在锤击法模态试验的基础上进行激振器法模态试验获 取准确的进给系统动态特性参数，根据步骤1)得到的四个不同梯度的轴向预拉伸力数据， 改变丝杠预拉伸力重复所述进给系统模态试验测试过程四次，得到在四个不同梯度丝杠预 拉伸力下的进给系统动力学特性，其中： 所述的锤击法模态试验是采用单点激振多点拾振的方法，包括： (1) 在进给系统中选取10~20个位置布置测试点，其中，在螺母座上选取2~4个位置布 置测试点加装加速度传感器，在工作台选取8~16个位置布置测试点加装加速度传感器。在 LMS模态测试系统中：对应螺母座上和工作台上布置的各测试点建立相应的测试点，并根据 锤击法模态试验的测试点位置依次连接各测试点，建立几何模型； (2) 设置激励和响应通道并对加速度传感器进行校准，并设置采样参数：包括采样频 率、分析带宽、触发级和窗函数； (3) 在完成设置之后即可进行测量，用力锤敲击工作台，利用LMS模态测试系统采集激 励信号和各测点的响应信号，获取对应的频响函数； (4) 将锤击法模态试验获取的频响函数经过LMS模态测试系统中的模态分析模块处理 得到进给系统的固有频率； 所述的激振器法模态试验同样采用单点激振多点拾振的方法，包括： (1) 是在锤击法所选工作台和螺母座测试点位置的基础上，在前端轴承机构和尾端轴 承机构上分别额外选取1~2个测点并布置加速度传感器，工作台轴向端面中心位置选取激 振点并加装激振器。在LMS模态测试系统中：对应螺母座上、工作台上、前端轴承机构和尾端 轴承机构上布置的各测试点建立相应的测试点，根据激振器法模态试验的测试点位置依次 连接各测试点，建立几何模型； (2) 设置激励和响应通道和采样参数，采样参数包括:测试带宽、谱线、频率分辨率、触 发级和窗函数； (3) 定义测量方向、输出电压幅值和测量函数并根据锤击法得到的固有频率设定激振 器扫频范围；在完成设置之后即可进行测量，利用LMS模态测试系统采集激励信号和各测点 的响应信号，获取对应的频响函数;在LMS模态测试系统中的模态分析模块中导入由激振器 法模态试验获取的频响函数，得出包括固有频率和模态振型在内的系统固有动力学特性。11.根据权利要求9所述的测试方法，其特征在于，步骤2)所述的进给系统运动性能指 标测试是利用Renishaw激光干涉测试系统完成进给系统工作台运动数据信息的采集，并利 用MTLAB对采集到的数据进行处理得到各项运动性能指标，具体包括： (1) 将反射镜固定在工作台上，干涉镜固定在导轨上(确保工作台运动行程中不会与干 涉镜相碰），调整激光器、干涉镜和反射镜的位置，进行激光准直； (2) 设置采样参数，包括采样频率，采样时间，触发时间； (3) 编写进给系统数控运行程序，包括:位移斜坡运动信号、速度斜坡运动信号和往复 运动信号； (4) 执行进给系统数控运行程序，利用激光干涉测试系统采集进给系统在三种运动信 号下工作台运动的位置信息，将采集到工作台位置信息以数据表的形式进行储存； (5) 基于响应效率、定位精度、速度跟踪特性和延迟特性这四项运动性能指标的计算公 式，利用MATLAB对储存在数据表中的三种运动信号下工作台位置数据信息进行处理得到进 给系统的四项运动性能指标并绘制三种运动信号下工作台运动的曲线； (6)根据步骤1)得到的四个不同梯度的轴向预拉伸力数据，改变丝杠预拉伸力重复第 (1)~第(5)步四次，得到在四个不同梯度丝杠预拉伸力下的进给系统运动性能指标。12. 根据权利要求10所述的测试方法，其特征在于，第(5)步所述的基于响应效率、定位 精度、速度跟踪特性和延迟特性这四项运动性能指标的计算公式具体如下： 所述的响应效率指标，是反映进给系统对位移斜坡运动信号的响应性能，计算表达式 ^，其中tP为进给系统走完行程的理论时刻，t c为进给系统的实际位移到达理想 位移范围ε内的时刻，L为测试结束时刻； 所述的定位精度指标，是反映进给系统在位移斜坡运动信号下的实际位置与理想位置 之间的偏差，计算表达式，其中选取进给系统走完行程的理论时刻tP作为特征点， 将进给系统实际位移Xr与理想位移Xe之比作为定位精度指标； 所述的速度跟踪特性指标，是反映进给系统在速度斜坡运动信号下实际速度和理想速 度的接近程度，计算表达式?其中Ve为进给系统的理想速度值，Vr为进给系统加速 到理论时刻对应的实际速度值，两者的比值作为速度跟踪特性指标； 所述的延迟特性指标，是反映进给系统对往复运动信号的位移响应，计算表达式为%进给系统实际达到最大位移的时刻，ti为进给系统到达最大位移的理论时刻， 两者的比值作为延迟特性指标。13. 根据权利要求9所述的测试方法，其特征在于，步骤2)所述的进给系统热特性测试 是利用热特性测试系统进行轴承座温升测试和滚珠丝杠轴向热变形测试，具体包括： (1) 将在前端轴承机构的轴承座和尾端轴承机构的轴承座各固定的1~2个温度传感器 的信号输入端与热特性测试系统中NI数据采集卡的对应通道相连，并在LabVIEW中标定温 度传感器； (2) 位于丝杠预拉伸端的电涡流位移传感器的信号输入端与热特性测试系统中NI数据 采集卡的对应通道相连，并在LabVIEW中标定电涡流微位移传感器。编写进给系统数控运行 程序，设定进给速度如4800mm/min，单向行程长度如800mm，往复运动，设定运行时间如 30min； (3) 执行进给系统数控运行程序，通过温度传感器和电涡流位移传感器采集在进给系 统设定的运行时间内，前端轴承机构的轴承座和尾端轴承机构的轴承座的温升数据，以及 滚珠丝杠轴向热变形数据，并储存在LabVIEW的数据表中，利用MATLAB对采集到的前端轴承 机构的轴承座和尾端轴承机构的轴承座的温升数据，以及滚珠丝杠轴向热变形数据，进行 处理并绘制曲线； (4) 一次试验结束后待前端轴承机构的轴承座和尾端轴承机构的轴承座温度降至稳定 值，根据步骤1)得到的四个不同梯度的轴向预拉伸力数据，改变丝杠预拉伸力重复第（1)~ 第(3)步四次，得到在四个不同梯度丝杠预拉伸力下的进给系统轴承座温升和滚珠丝杠轴 向热变形数据并进行比较。
【文档编号】B23Q17/00GK106002481SQ201610309535
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月10日
【发明人】丛郁楠, 牛文铁, 李宝宇
【申请人】天津大学