一种滚珠丝杠背隙自动调节系统和方法与流程

本发明属于机床滚珠丝杠内部背隙的调整装置，其具有自动调节背隙的特点，涉及到超精密车床的整机使用，主要用于z向需要精确定位的车床系统领域。

背景技术

在市场车床领域中，滚珠丝杠依据其本身优越的长行程、高刚性、低成本的特点，得到了普遍的使用。滚珠丝杠内部滚动体与机体、外圈的配合间隙，即背隙的大小直接影响着滚珠丝杠的位置定位精度，最大载荷和寿命的长短。背隙过大则会使滚珠丝杠的位置定位精度不佳，刚度也会降低，最大载荷降低、寿命延长。背隙过小则会使滚珠丝杠的位置定位精度变好，刚度升高，最大载荷升高、寿命减小。

如何正确的选择滚珠丝杠背隙的大小，对滚珠丝杠的正常使用以及整个车床的工作性能具有重要的意义。

当前滚珠丝杠背隙的大小都是在装配滚珠丝杠时确定的，一旦装配好，在很长一段时间内是不能改变的。若根据工况需要调整背隙大小时，则需要重新拆卸装配滚珠丝杠组件。这种以往的背隙调整方法主要存在以下的不足：1、传统的滚珠丝杠组件，背隙一旦确定不方便再次调整，针对不同的工况，不能随意切换，这对长时间的工作工况寿命及其相关承载等方面均会有负面影响。2、对于采用垫圈预紧背隙的方法，长时间工作之后，由于垫圈被压缩，久而久之本身的弹性性能会散失或者降低，则会失去预紧性能。3.垫圈预紧背隙的方法，垫圈的选择不合适，则反过来对滚珠丝杠的预紧起到反面的效果。4.利用柔性滚珠丝杠装置，会造成系统刚性减少，在加工较难切削零件，需要较大切削力的零件时，较大的弹性变形会使零件的加工精度下降。5.利用压电陶瓷作为主动调节背隙的大小的系统装置时，其属于开环控制系统，没有做到背隙大小闭环实时反馈再调节的功能，即初背隙不能很好进行测量调节。

技术实现要素：

为了克服上述不足，本发明的目的之一在于提供一种滚珠丝杠背隙自动调节系统，其可以根据实际加工工况调整背隙大小及滚珠丝杠预紧力的大小。

本发明的目的之二在于提供一种滚珠丝杠背隙自动调节方法，其以根据实际加工工况调整背隙大小及滚珠丝杠预紧力的大小。

为实现上述目的之一，本发明提供如下技术方案：

一种滚珠丝杠背隙自动调节系统，所述滚珠丝杠其包括滚珠丝杠外套、丝杠本体以及滚珠，所述丝杠本体套于滚珠丝杠外套内且二者之间设置有滚槽，所述滚珠安装于所述滚槽内，所述自动调节系统包括背隙传感器、调节机构以及驱动控制器，其中，所述背隙传感器安装于滚槽内，用于检测滚珠与滚槽的内壁之间的背隙大小；所述调节机构与滚珠丝杠外套固定连接，所述驱动控制器与驱动控制器电性连接，用于接收所述背隙大小信息，并通过背隙大小信息与预设值进行比对，进而控制调节机构带动滚珠丝杠外套相对于丝杠本体做轴向运动来改变所述背隙大小。

进一步地，所述调节机构为压电陶瓷垫片，所述滚珠丝杠外套径向开设有镂空槽，所述压电陶瓷垫片安装于所述镂空槽内并与滚珠丝杠外套固定连接，所述驱动控制器通过改变压电陶瓷垫片的输入电流以使滚珠丝杠外套相对于丝杠本体做轴向运动。

进一步地，所述镂空槽内安装有导流固定板，所述压电陶瓷垫片安装于导流固定板和滚珠丝杠外套之间的镂空槽内，并且所述压电陶瓷垫片与导流固定板和滚珠丝杠外套均固定连接。

进一步地，所述调节机构为液压缸、气压缸以及直线电机中的一种。

进一步地，所述滚珠丝杠外套的内壁设置有外套轨道，所述丝杠本体的外侧设置有与所述外套轨道相匹配的丝杠轨道，所述外套轨道和丝杠轨道共同组成所述滚槽。

进一步地，所述背隙传感器安装于所述外套轨道或/和丝杠轨道上。

进一步地，所述背隙传感器成对安装于所述外套轨道或/和丝杠轨道上，成对的背隙传感器安装于所述外套轨道或/和丝杠轨道的外边缘。

进一步地，所述背隙传感器为应变式压力传感器。

为实现上述目的之二，本发明提供如下技术方案：

一种采用上述滚珠丝杠背隙自动调节系统进行背隙自动调节的方法，包括以下步骤：

设置预设值，接收背隙传感器发送的背隙大小信息；

将所述背隙大小信息和预设值进行比对，根据比对结果控制调节机构带动控制调节机构带动滚珠丝杠外套相对于丝杠本体做轴向运动来改变所述背隙大小以满足所述预设值。

进一步地，通过人机交互界面设置预设值，并将所述预设值发送给驱动控制器，驱动控制器将接收到的背隙大小信息在人机交互界面中显示。

与现有技术相比，本发明提供的一种滚珠丝杠背隙自动调节系统和方法，其有益效果在于：

采用背隙传感器、驱动控制器以及调节机构的配合结构，驱动控制器将背隙传感器采集的背隙大小信息与预设值进行比对，然后控制调节机构带动滚珠丝杠外套相对于丝杠做轴向运动，进而调节背隙大小，达到根据实际加工工况调整滚珠丝杠预紧力的目的，操作简单，可行性高；该过程为主动闭环式控制调节滚珠丝杠背隙大小，精度高，预紧力、背隙可以精确控制。

附图说明

图1为本发明滚珠丝杠背隙自动调节系统的结构原理图；

图2为本发明滚珠丝杠背隙自动调节系统的一种具体实现结构图。

图中：10、背隙传感器；20、调节机构；30、驱动控制器；40、人机交互界面；1、导流固定板；2、压电陶瓷垫片；3、压力传感器；4、滚珠；5、滚珠丝杠外套；6、丝杠本体；7、丝杠轨道；8、外套轨道。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

请参照图1和2所示，一种滚珠丝杠背隙自动调节系统，以单列宽带的滚珠丝杠为例，多列宽带的滚珠丝杠与其类似。滚珠丝杠包括滚珠丝杠外套5、丝杠本体6以及滚珠4，所述丝杠本体6套于滚珠丝杠外套5内且二者之间设置有滚槽，所述滚珠安装于所述滚槽内。滚槽由外套轨道8和丝杠轨道7共同组成，其中，外套轨道8在滚珠丝杠外套5的内壁上设置，丝杠轨道7在丝杠本体6的外侧壁上设置，外套轨道8和丝杠轨道7相匹配，构成螺纹式滚槽结构。

为了实现滚珠4与滚槽壁之间的背隙大小，在本发明较佳的实施例中，通过主动闭环式自动调节系统来控制调节滚珠丝杠背隙大小，该自动调节系统具体包括背隙传感器10、调节机构20以及驱动控制器30，其中，所述背隙传感器10安装于滚槽内，用于检测滚珠4与滚槽的内壁之间的背隙大小；所述调节机构20与滚珠丝杠外套5固定连接，所述驱动控制器30与驱动控制器30电性连接，用于接收所述背隙大小信息，并通过背隙大小信息与预设值进行比对，进而控制调节机构20带动滚珠丝杠外套5相对于丝杠本体6做轴向运动来改变所述背隙大小。

预设值通过人机交互界面40进行，在人机交互界面40中设置好预设值并存储以供驱动控制器30随时调用，还可以直接将通过机交互界面40中设置好预设值发送给驱动控制器30。预设值可以是背隙大小设定值，也可以是预紧力大小设定值，如果是预紧力大小设定值，则根据具体的加工工况将预紧力大小设定值转换成背隙大小设定值，操作十分灵活，可针对不同的工况设置不同的预设值参数，最大程度的协调了预紧力、最大工作载荷、最大工作寿命之间的矛盾关系，最大限度的发挥了滚珠丝杠的工作性能。

调节机构20可以采用压电陶瓷垫片2，压电陶瓷垫片2在通电情况下会产生一定的伸缩，通过调节对压电陶瓷垫片2的输入电流大小可以使其达到需要的伸缩量，可以将压电陶瓷垫片2安装在滚珠丝杠中，即在滚珠丝杠外套5径向开设有镂空槽，所述压电陶瓷垫片2安装于所述镂空槽内并与滚珠丝杠外套5固定连接，通过驱动控制器30通过改变压电陶瓷垫片2的输入电流(例如通过pwm控制器改变压电陶瓷垫片2的电源输出电流等)，以使滚珠丝杠外套5相对于丝杠本体6做轴向运动，进而调节背隙大小，满足预紧力和实际加工需求。

因为在滚珠丝杠外套5上会设置导流固定板1以安装滚珠4，因此，也可以将压电陶瓷垫片2安装于导流固定板1处，从而避免对滚珠丝杠外套5的二次加工，导流固定板1位于滚珠丝杠外套5已有的镂空槽内，所述压电陶瓷垫片2安装于导流固定板1和滚珠丝杠外套5之间的镂空槽内，并且所述压电陶瓷垫片2与导流固定板1和滚珠丝杠外套5均固定连接。

另外，调节机构20还可以采用液压缸、气压缸以及直线电机中的任意一种实现，液压缸、气压缸或直线电机的伸缩端与滚珠丝杠外套5的端壁固定连接，通过驱动控制器30控制液压缸、气压缸货直线电机的运行位置，即可带动滚珠丝杠外套相对于丝杠本体6做轴向运动来改变所述背隙大小。

背隙传感器10可以采用应变式压力传感器3，将背隙传感器10安装于外套轨道8中的滚珠丝杠外套5的壁上，也可以安装于丝杠轨道7中的丝杠本体6的壁上，或者在外套轨道8和丝杠轨道7中均安装有背隙传感器10。将应变式压力传感器3的压力值经过转换，即可得到滚珠4和滚槽的背隙大小值，优选背隙传感器10成对出现，成对出现可以是指在外套轨道8中成对出现，也可以是在丝杠轨道7中成对出现，或者在外套轨道8与丝杠轨道7相对应的位置成对出现，即对于某一颗滚珠4而言，可以获知其两侧(也可能是四侧)的背隙大小。成对出现的背隙传感器10安装于所述外套轨道8或/和丝杠轨道7的外边缘，例如图2所示在外套轨道8中成对出现的背隙传感器10安装于外套轨道8上，且在该滚珠丝杠外套5的轴向截面中对应的外套轨道8的外边缘。

其工作原理是：

1、将自动调节系统按照图2所示结构进行装配，之后启动人机交互界面40和驱动控制器30。

2、通过背隙传感器10的压力检测，转换成背隙大小值(即背隙大小信息)发送给驱动控制器30，驱动控制器30并将该背隙大小信息发送给人机交互界面40进行显示。

3、根据机床的加工工况，选择合适的背隙大小(或预紧力大小)作为预设值，将该预设值通过人机交互界面40输入到驱动控制器30中，驱动控制器30根据背隙大小信息和预设值来控制调节装置的动作，进而带动滚珠丝杠外套5相对于丝杠本体6做轴向运动，从而调节了滚珠丝杠外套5、滚珠4以及丝杠本体6之间的背隙大小和预紧力大小达到预设值(可以是范围值)，满足实际加工需求。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。