用于滚珠丝杠副的平面二自由度高频加载装置和测试平台的制作方法
【专利摘要】本发明涉及用于滚珠丝杠副的平面二自由度高频加载装置和测试平台，其中，用于滚珠丝杠副的平面二自由度高频加载装置包括柔性铰链并联机构基体，第一驱动支链和第二驱动支链；其中，柔性铰链并联机构基体正中心设置刚性动平台，过刚性动平台中心的两个垂直方向上分别设置第一柔性支链和第二柔性支链，第一柔性支链和第二柔性支链均对称固定连接于刚性动平台上；在柔性铰链并联机构基体上沿第一柔性支链和第二柔性支链的延长线分别开设直达侧端面的第一安装槽和第二安装槽；第一驱动支链包括安装于第一安装槽内的第一驱动器连接头、第一压电陶瓷制动器和第一拉压力传感器；第二驱动支链包括安装于第二安装槽内的第二驱动器连接头、第二压电陶瓷制动器和第二拉压力传感器。
【专利说明】
用于滚珠丝杠副的平面二自由度高频加载装置和测试平台
技术领域
[0001]本发明涉及一种用于滚珠丝杠副的加载装置和测试平台，尤其涉及一种用于滚珠丝杠副的平面二自由度高频加载装置和测试平台。
【背景技术】
[0002]滚珠丝杠副直线进给系统在机械设备行业得到了广泛应用，作为数控机床传动系统中最为重要的功能部件，滚珠丝杠的性能对数控机床的加工精度和动态性能有着决定性的影响。滚珠丝杠副直线进给系统在性能测试阶段，需要在模拟工况载荷下对滚珠丝杠副进行性能测试，以检验滚珠丝杠副是否能够达到实际使用的性能标准。而在数控机床切削、铣削等加工过程中，安装于滚珠丝杠副工作台上的被加工工件受到的载荷具有高频率、多方位、变化形式复杂等特点，因此需要测试加载装置提供的加载力具有高频率、高精度、可多个方向加载并且响应速度快等特点。
[0003]现有的滚珠丝杠副加载装置，根据加载频率可以分为低频加载装置和高频加载装置，根据加载自由度可以分为单向加载装置和复合加载装置。目前常见的可以调整加载频率的加载方法主要有配重、液压、气动或电机压缩弹簧等;其中，通过配重的方式只能实现恒定载荷加载;液压加载所需加载时间较长，动态性能差，不能实现高频加载，而且液压加载装置的结构较为复杂，容易漏油，装置可靠性低;利用气动原理进行加载存在加载机构刚度很低，不能实现高频率加载，同时加载精度很难得到保证;利用电机压缩弹簧进行加载可以达到很高的加载精度，但由于弹簧刚度较低，同样很难实现高频加载。目前常用的可以实现多自由度加载的加载机构只能实现各个方向上的静态加载，而利用液压、气动等方式只能实现频率较低的交变载荷的加载，而且由于加载机构刚度较低导致动态特性较差，在复合加载时不同加载方向都存在较长的响应时间，难以同时对不同方向上的加载力进行准确的配合控制，导致在高频加载的情况下难以产生精确的合力。
[0004]综上所述，现有的滚珠丝杠副加载装置，均不满足对滚珠丝杠副进行平面二自由度的高频率、高精度地加载，并且拥有快速响应性能的要求，导致无法精确地模拟出数控机床在切削、铣削等加工过程或者其他复杂工况中滚珠丝杠副工作台平面所受到的高频交变且变化规律复杂的载荷形式。
【发明内容】
[0005]针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于滚珠丝杠副的平面二自由度高频加载装置和测试平台，能够对两个加载方向的加载力实现精确控制，同时拥有较快的响应速度，实现二自由度高频加载，能够很好地模拟出数控机床在切削过程中滚珠丝杠副工作台受到的二自由度高频交变负载，也可以模拟其他工况下滚珠丝杠副工作台受到的复杂交变负载力。
[0006]为实现上述目的，本发明采取以下技术方案:一种用于滚珠丝杠副的平面二自由度高频加载装置，其特征在于，该装置包括柔性铰链并联机构基体、第一驱动支链和第二驱动支链;其中，柔性铰链并联机构基体的正中心设置一刚性动平台，刚性动平台用于连接平面二自由度高频加载装置和待测试工作台；在经过刚性动平台中心的两个垂直方向上分别设置第一柔性支链和第二柔性支链，第一柔性支链和第二柔性支链均对称于刚性动平台并与刚性动平台固定连接;在柔性铰链并联机构基体上沿第一柔性支链和第二柔性支链的延长线分别开设直达其对应侧端面的第一安装槽和第二安装槽;第一驱动支链包括安装于第一安装槽内的第一驱动器连接头、第一压电陶瓷制动器和第一拉压力传感器，且第一压电陶瓷制动器的一端通过第一驱动器连接头与第一柔性铰链相连接，另一端与第一拉压力传感器相连接;第二驱动支链包括安装于第二安装槽内的第二驱动器连接头、第二压电陶瓷制动器和第二拉压力传感器，且第二压电陶瓷制动器的一端通过第二驱动器连接头与第二柔性铰链相连接，另一端与第二拉压力传感器相连接。
[0007]第一驱动支链还包括第一驱动器固定盘、第一传感器固定盘和第一压紧端盖，第一压电陶瓷制动器安装于第一驱动器固定盘上，第一拉压力传感器两端分别固定连接于第一传感器固定盘和第一驱动器固定盘上，第一传感器固定盘固定在第一压紧端盖上，第一压紧端盖与柔性铰链并联机构基体相临一侧的配合面固定连接。
[0008]第一压紧端盖通过螺栓与柔性铰链并联机构基体相临一侧的配合面固定连接，且第一压紧端盖与配合面之间存在一定的空隙。
[0009]第二驱动支链还包括第二驱动器固定盘、第二传感器固定盘和第二压紧端盖，第二压电陶瓷制动器安装于第二驱动器固定盘上，第二拉压力传感器两端分别固定连接于第二传感器固定盘和第二驱动器固定盘上，第二传感器固定盘固定在第二压紧端盖上，第二压紧端盖与柔性铰链并联机构基体相临一侧的配合面固定连接。
[0010]第二压紧端盖通过螺栓与柔性铰链并联机构基体相临一侧的配合面固定连接，且第二压紧端盖与配合面之间存在一定的空隙。
[0011]—种用于滚珠丝杠副的平面二自由度高频加载测试平台，其特征在于，该平台包括底板，直线导轨，平台滚珠丝杠副，以及任一项所述的用于滚珠丝杠副的平面二自由度高频加载装置;其中，底板的平面对称轴为安装待测试滚珠丝杠副直线进给系统的安装轴线；两直线导轨平行对称地设置在底板平面对称轴的两侧，并与底板固定连接，每个直线导轨上均滑动设置有左滑块、中滑块和右滑块，左滑块与一滑块连接座固定连接，中滑块和右滑块用于与待测试的工作台相连接;平台滚珠丝杠副包括平台伺服电机、平台滚珠丝杠和平台丝杠螺母，两平台滚珠丝杠亦平行对称地设置在底板平面对称轴的两侧，且分别位于两直线导轨的外侧;平台丝杠螺母套接在平台滚珠丝杠上，平台丝杠螺母上固定设置有一平台丝杠螺母座，平台丝杠螺母座通过一连接板与滑块连接座固定连接；用于滚珠丝杠副的平面二自由度高频加载装置通过柔性铰链并联机构基体同时与两直线导轨上的滑块连接座固定连接，且两滑块连接座在直线导轨的横向上相互对齐。
[0012]平台伺服电机通过平台电机支撑座固定设置在底板上，平台滚珠丝杠通过平台电机支撑座和平台滚珠丝杠支持端转动支撑在底板上，并通过平台联轴器与平台伺服电机的转轴相连接。
[0013]本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点:1、本发明的用于滚珠丝杠副的平面二自由度高频加载装置，通过压电陶瓷驱动平面二自由度柔性并联机构产生加载力，最高加载频率能够达到数千赫兹，能够很好地模拟滚珠丝杠副在复杂工况下所受的高频交变等变化规律复杂的载荷形式。2、本发明的用于滚珠丝杠副的平面二自由度高频加载装置，通过拉压力传感器实时测量压电陶瓷制动器加载力的大小，并通过柔性铰链并联机构反馈实现闭环控制加载力的大小，保证了加载精度，实现平面二自由度上的高频精确加载。
3、本发明的用于滚珠丝杠副的平面二自由度高频加载装置，通过采用柔性铰链并联机构，能够实现两个加载方向加载力的解耦，使得二自由度加载的控制非常简单，可以实现独立控制和平面二自由度形式复杂的加载。4、本发明的用于滚珠丝杠副的平面二自由度高频加载装置，结构紧凑，实现了两个加载方向加载结构的整体一体化设计，结构简单，安装方便且易于拆卸。5、本发明的用于滚珠丝杠副的平面二自由度高频加载装置，通过控制两个方向上的压电陶瓷制动器，还可以实现平面二自由度的静态加载，适用性非常广。
【附图说明】
[0014]图1是本发明用于滚珠丝杠副的平面二自由度高频加载装置与工作台的装配结构示意图；
[0015]图2是本发明用于滚珠丝杠副的平面二自由度高频加载测试平台与待测试滚珠丝杠副直线进给系统的装配结构示意图；
[0016]图3是图2去掉用于滚珠丝杠副的平面二自由度高频加载装置和工作台的结构示意图。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
[0018]如图1所示，本发明提供的一种用于滚珠丝杠副的平面二自由度高频加载装置100，其包括柔性铰链并联机构基体101、第一驱动支链102和第二驱动支链103。
[0019]其中，柔性铰链并联机构基体101的正中心设置一刚性动平台111，平面二自由度高频加载装置100通过刚性动平台111与待测试滚珠丝杠副直线进给系统的工作台500相连接;在经过刚性动平台111中心的两个垂直方向上分别设置第一柔性支链112和第二柔性支链113，第一柔性支链112和第二柔性支链113均对称于刚性动平台111并与刚性动平台111固定连接，即第一柔性支链112和第二柔性支链113交叉于刚性动平台111;在柔性铰链并联机构基体101上沿第一柔性支链112和第二柔性支链113的延长线分别开设直达其对应侧端面的第一安装槽114和第二安装槽115，则第一安装槽114和第二安装槽115互相垂直且延长线均通过刚性动平台111的中心。
[0020]第一驱动支链102包括安装于第一安装槽114内的第一驱动器连接头121、第一压电陶瓷制动器122、第一拉压力传感器124，且第一压电陶瓷制动器122的一端通过第一驱动器连接头121与第一柔性铰链112相连接，另一端与第一拉压力传感器124相连接。
[0021 ]第二驱动支链103包括安装于第二安装槽115内的第二驱动器连接头131、第二压电陶瓷制动器132、第二拉压力传感器134，且第二压电陶瓷制动器132的一端通过第二驱动器连接头131与第二柔性铰链113相连接，另一端与第二拉压力传感器134相连接。
[0022]上述实施例中，第一驱动支链102还包括第一驱动器固定盘123、第一传感器固定盘125和第一压紧端盖126，第一压电陶瓷制动器122安装于第一驱动器固定盘123上，第一拉压力传感器124两端分别通过螺纹固定连接于第一传感器固定盘125和第一驱动器固定盘123上，第一传感器固定盘125固定在第一压紧端盖126上，第一压紧端盖126通过螺栓与柔性铰链并联机构基体101相临一侧的配合面固定连接，且与柔性铰链并联机构基体101的配合面之间存在一定的空隙，用于施加和调整预紧力。
[0023]上述实施例中，第二驱动支链103还包括第二驱动器固定盘133、第二传感器固定盘135和第二压紧端盖136，第二压电陶瓷制动器132安装于第二驱动器固定盘133上，第二拉压力传感器134两端分别通过螺纹固定连接于第二传感器固定盘135和第二驱动器固定盘133上，第二传感器固定盘135固定在第二压紧端盖136上，第二压紧端盖136通过螺栓与柔性铰链并联机构基体101相临一侧的配合面固定连接，且与柔性铰链并联机构基体101的配合面之间存在一定的空隙，用于施加和调整预紧力。
[0024]本发明用于滚珠丝杠副的平面二自由度高频加载装置100，通过压电陶瓷制动器的伸缩使柔性铰链发生变形，从而为滚珠丝杠副的工作台提供加载力，柔性铰链的变形与受力大小之间存在线性对应关系，因此可以通过控制压电陶瓷制动器的伸缩长度对加载力进行调整，控制方法非常简便，而且最高加载频率可以达到8KHZ，单自由度的最大加载力可以达到3KN，能够很好地模拟滚珠丝杠副在复杂工况下所受的高频交变等变化规律复杂的载荷形式。
[0025]本发明通过第一拉压力传感器124和第二拉压力传感器134分别实时测量第一驱动支链102和第二驱动支链103加载力的大小，并通过第一柔性支链112和第二柔性支链113的力和变形之间的关系转换成第一压电陶瓷制动器122和第二压电陶瓷制动器132的位移信号输入到压电陶瓷控制器实现闭环控制，保证了加载精度，实现平面二自由度上的高频精确加载。
[0026]本发明通过采用柔性铰链并联机构，每个方向上的柔性支链都是对称分布的，而且第一驱动支链102和第二驱动支链103在结构上完全相同，从而在刚性动平台111的四周形成对称结构，这种对称结构保证了一个方向上压电陶瓷的伸缩不会产生另一个方向的耦合运动，也就不会有耦合的力，从而能够实现两个加载方向上加载力的解耦；即一个方向的压电陶瓷制动器伸缩时不会影响另一方向加载力的变化，使得二自由度加载的控制非常简单，可以实现独立控制和平面二自由度形式复杂的加载。
[0027]本发明通过控制两个方向上的压电陶瓷制动器，还可以实现平面二自由度的静态加载，适用性非常广。
[0028]本发明的加载装置结构紧凑，实现了两个加载方向加载结构的整体一体化设计，结构简单，安装方便且易于拆卸。
[0029]如图2和图3所示，本发明还提出了一种用于滚珠丝杠副的平面二自由度高频加载测试平台，其包括底板200、直线导轨300、平台滚珠丝杠副400以及上述实施例中任一项所述的用于滚珠丝杠副的平面二自由度高频加载装置100。
[0030]其中，底板200的平面对称轴为安装待测试滚珠丝杠副直线进给系统的安装轴线，且底板200在安装轴线上设置有多组安装孔(图中未示出)，待测试滚珠丝杠副600可通过安装孔与底板200固定连接。
[0031]两直线导轨300平行对称地设置在待测试滚珠丝杠副600的两侧，并与底板200固定连接，每个直线导轨300上均滑动设置有左滑块301、中滑块302和右滑块303，左滑块301与一滑块连接座304固定连接。
[0032]平台滚珠丝杠副400包括平台伺服电机401、平台滚珠丝杠402和平台丝杠螺母403，两平台滚珠丝杠402亦平行对称地设置在待测试滚珠丝杠副600两侧，且分别位于两直线导轨300的外侧;平台伺服电机401通过平台电机支撑座404固定设置在底板200上，平台滚珠丝杠402通过平台电机支撑座404和平台滚珠丝杠支持端405转动支撑在底板200上，并通过平台联轴器406与平台伺服电机401的转轴相连接;平台丝杠螺母403套接在平台滚珠丝杠402上，平台丝杠螺母403上固定设置有一平台丝杠螺母座407，平台丝杠螺母座407通过一连接板408与滑块连接座304固定连接。
[0033]用于滚珠丝杠副的平面二自由度高频加载装置100通过柔性铰链并联机构基体101同时与两直线导轨300上的滑块连接座304固定连接，且两滑块连接座304在直线导轨300的横向上相互对齐。
[0034]待测试滚珠丝杠副直线进给系统一般包括待测试滚珠丝杠副600和工作台500，其中，待测试滚珠丝杠副600包括待测试伺服电机601、待测试滚珠丝杠602和待测试丝杠螺母603，待测试滚珠丝杠602通过待测试联轴器604与待测试伺服电机601的转轴相连接，待测试丝杠螺母603套接在待测试滚珠丝杠602上，待测试丝杠螺母603上固定设置一待测试丝杠螺母座605，工作台500与待测试丝杠螺母座605固定连接。
[0035]本发明的用于滚珠丝杠副的平面二自由度高频加载测试平台，在使用时具体包括以下步骤:
[0036]I)用于滚珠丝杠副的平面二自由度高频加载装置100与两滑块连接座304处于拆开状态;将待测试滚珠丝杠副600通过安装孔固定安装在底板200的安装轴线上，其中，待测试伺服电机601通过待测试电机支撑座606与底板200固定连接，待测试滚珠丝杠602通过待测试滚珠丝杠固定端607和待测试滚珠丝杠支持端608转动支撑在底板200上；将两直线导轨300上的中滑块302和右滑块303同时与工作台500固定连接。
[0037]2)通过拧紧或松开第一压紧端盖126和第二压紧端盖136两端的螺栓来调节预紧力的大小，第一拉压力传感器124和第二拉压力传感器134所测得的力的数值作为反馈，分别对用于滚珠丝杠副的平面二自由度高频加载装置100的第一驱动支链102和第二驱动支链103施加预紧力并对预紧力进行精确调节，以保证第一驱动支链102和第二驱动支链103输出力的精度和可靠性。
[0038]3)分别控制两平台伺服电机401转动，使两直线导轨300上的左滑块301在直线导轨300的横向上相互对齐，将用于滚珠丝杠副的平面二自由度高频加载装置100通过柔性铰链并联机构基体101与两滑块连接座304固定连接;驱动两平台伺服电机401同步转动，调整柔性铰链并联机构基体101与工作台500之间的距离，将柔性铰链并联机构基体101的刚性动平台111与工作台500固定连接。
[0039]4)控制两平台伺服电机401和待测试伺服电机601同步转动，由于平台滚珠丝杠402的螺距与待测试滚珠丝杠602的螺距相同，可以保证工作台500与柔性铰链并联机构基体101之间的距离恒定。在工作台500与柔性铰链并联机构基体101同步运动的同时，通过压电陶瓷控制器控制第一压电陶瓷制动器122和第二压电陶瓷制动器132的伸缩长度，引起相连的柔性铰链并联机构基体101的两个相互垂直分布的矩形柔性支链变形，并最终通过刚性动平台111将加载力传递给工作台500，实现对待测试滚珠丝杠副600的平面二自由度高频、精确加载。
[0040]上述实施例中，柔性铰链并联机构基体101的刚性动平台111和工作台500之间设置有垫圈，柔性铰链并联机构基体101的刚性动平台111与工作台500通过固定螺钉固定连接。
[0041]上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、设置位置及其连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
【主权项】
1.一种用于滚珠丝杠副的平面二自由度高频加载装置，其特征在于，该装置包括柔性铰链并联机构基体、第一驱动支链和第二驱动支链； 其中，柔性铰链并联机构基体的正中心设置一刚性动平台，刚性动平台用于连接平面二自由度高频加载装置和待测试工作台；在经过刚性动平台中心的两个垂直方向上分别设置第一柔性支链和第二柔性支链，第一柔性支链和第二柔性支链均对称于刚性动平台并与刚性动平台固定连接;在柔性铰链并联机构基体上沿第一柔性支链和第二柔性支链的延长线分别开设直达其对应侧端面的第一安装槽和第二安装槽； 第一驱动支链包括安装于第一安装槽内的第一驱动器连接头、第一压电陶瓷制动器和第一拉压力传感器，且第一压电陶瓷制动器的一端通过第一驱动器连接头与第一柔性铰链相连接，另一端与第一拉压力传感器相连接； 第二驱动支链包括安装于第二安装槽内的第二驱动器连接头、第二压电陶瓷制动器和第二拉压力传感器，且第二压电陶瓷制动器的一端通过第二驱动器连接头与第二柔性铰链相连接，另一端与第二拉压力传感器相连接。2.如权利要求1所述的用于滚珠丝杠副的平面二自由度高频加载装置，其特征在于，第一驱动支链还包括第一驱动器固定盘、第一传感器固定盘和第一压紧端盖，第一压电陶瓷制动器安装于第一驱动器固定盘上，第一拉压力传感器两端分别固定连接于第一传感器固定盘和第一驱动器固定盘上，第一传感器固定盘固定在第一压紧端盖上，第一压紧端盖与柔性铰链并联机构基体相临一侧的配合面固定连接。3.如权利要求2所述的用于滚珠丝杠副的平面二自由度高频加载装置，其特征在于，第一压紧端盖通过螺栓与柔性铰链并联机构基体相临一侧的配合面固定连接，且第一压紧端盖与配合面之间存在一定的空隙。4.如权利要求1或2或3所述的用于滚珠丝杠副的平面二自由度高频加载装置，其特征在于，第二驱动支链还包括第二驱动器固定盘、第二传感器固定盘和第二压紧端盖，第二压电陶瓷制动器安装于第二驱动器固定盘上，第二拉压力传感器两端分别固定连接于第二传感器固定盘和第二驱动器固定盘上，第二传感器固定盘固定在第二压紧端盖上，第二压紧端盖与柔性铰链并联机构基体相临一侧的配合面固定连接。5.如权利要求4所述的用于滚珠丝杠副的平面二自由度高频加载装置，其特征在于，第二压紧端盖通过螺栓与柔性铰链并联机构基体相临一侧的配合面固定连接，且第二压紧端盖与配合面之间存在一定的空隙。6.—种用于滚珠丝杠副的平面二自由度高频加载测试平台，其特征在于，该平台包括底板，直线导轨，平台滚珠丝杠副，以及如权利要求1至5中任一项所述的用于滚珠丝杠副的平面二自由度高频加载装置； 其中，底板的平面对称轴为安装待测试滚珠丝杠副直线进给系统的安装轴线； 两直线导轨平行对称地设置在底板平面对称轴的两侧，并与底板固定连接，每个直线导轨上均滑动设置有左滑块、中滑块和右滑块，左滑块与一滑块连接座固定连接，中滑块和右滑块用于与待测试的工作台相连接； 平台滚珠丝杠副包括平台伺服电机、平台滚珠丝杠和平台丝杠螺母，两平台滚珠丝杠亦平行对称地设置在底板平面对称轴的两侧，且分别位于两直线导轨的外侧;平台丝杠螺母套接在平台滚珠丝杠上，平台丝杠螺母上固定设置有一平台丝杠螺母座，平台丝杠螺母座通过一连接板与滑块连接座固定连接； 用于滚珠丝杠副的平面二自由度高频加载装置通过柔性铰链并联机构基体同时与两直线导轨上的滑块连接座固定连接，且两滑块连接座在直线导轨的横向上相互对齐。7.如权利要求6所述的用于滚珠丝杠副的平面二自由度高频加载测试平台，其特征在于，平台伺服电机通过平台电机支撑座固定设置在底板上，平台滚珠丝杠通过平台电机支撑座和平台滚珠丝杠支持端转动支撑在底板上，并通过平台联轴器与平台伺服电机的转轴相连接。
【文档编号】G01M13/02GK106092563SQ201610374383
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年5月31日
【发明人】李铁民, 贾石, 姜峣, 杜云松, 李福华, 张京雷, 李逢春
【申请人】清华大学