一种高速丝杠及丝杠副综合检查试验台的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种高速丝杠及丝杠副综合检查试验台，包括花岗岩基座以及设置于花岗岩基座上的相互平行的气浮导轨和直线导轨，所述直线导轨上设置有直线导轨托板，直线导轨托板的下侧与设置于花岗岩基座上的直线电机相连，气浮导轨上设置有用于安装测头系统的气浮导轨托板，气浮导轨托板通过连接机构与直线导轨托板相连，该平台可以实现高速丝杠以及丝杠副的几何精度、定位精度、反向间隙、驱动速度和加速度、固有频率、振型、阻尼、动静刚度等特性测试，摩擦力矩，疲劳特性测试，稳定性能测试等功能，可以对精密滚珠丝杠的大部分性能参数给予快速、准确的评价。
【专利说明】一种高速丝杠及丝杠副综合检查试验台
【技术领域】
[0001]本发明涉及精密滚珠丝杠综合性能测试领域，特别涉及滚珠丝杠及丝杠副的几何精度、定位精度、反向间隙、驱动速度和加速度、固有频率、振型、阻尼、动静刚度等特性测试，以及摩擦力矩、疲劳特性测试、稳定性能测试等有关性能的测试领域。
【背景技术】
[0002]由于滚珠丝杠副具有高效率、高精度、高刚度等特点，被广泛应用于机械、航天、航空、核工业等领域。高速滚珠丝杠副是指能适应高速化要求、满足承载要求且能精密定位的滚珠丝杠副，是实现数控机床高速化首选的传动与定位部件。随着机床进给速度的提高，对机床丝杠的刚度和结构动态性能提出了更高的要求。同时高速滚珠丝杠副作为传动执行机构的重要零件，在外界交变载荷作用下，或者当丝杠频繁换向时容易产生冲击振动和噪声，特别是当激振频率接近丝杠的固有频率时，容易产生共振，导致危险情况的发生。而且滚珠丝杠是数控机床传动系统的关键部件，具有高精度、高刚度、长寿命的特点。丝杠的一般失效形式有表面损伤、过大变形、滚珠断裂等。但在正常的安装、润滑、使用条件下，其主要的失效形式是疲劳破坏，即钢珠、丝杠滚道、螺母滚道的疲劳点蚀。因此疲劳成为决定丝杠使用寿命的主要因素。实现丝杠的高速化可通过提高转速来实现，而伴随丝杠回转速度的增力口，其发热量也必然增大，而温升又会导致丝杠的伸长进而影响机床的位置误差。
[0003]国外方面，日本NSK公司研制了卧式连续动态预紧力矩测量机，可以自动使滚珠丝杠仪在高速状态下跑合50个回合，然后自动转入低速状态并开始自动测量和记录。在滚珠丝杠副检测的多功能化方面，联邦德国林德纳公司研制了 GMM-4导程测量仪，对于各种不同牙型的丝杠，可以同时完成螺纹中径、单面导程误差和双面导程误差的测量。并能够对装配后的滚珠丝杠副同时进行综合的导程精度和空载预紧力矩的测量。日本长R技术大学的EuevarraDomin1.s等研制了滚珠丝杠副跑合机,通过在线监测摩擦力矩的变化控制跑合过程，使滚珠丝杠副的力矩更平稳。总的来说，国外的测量仪器主要针对滚珠丝杠和丝杠副的某一两个特性参数进行测量评价，对于丝杠副综合性能的检测试验台报道甚少。
[0004]国内方面，南京理工大学与汉江机床有限公司、山东大学和山东博特精工股份有限公司联合开发了高速滚珠丝杠副测试台可以完成负载状态下的加速度、速度、定位精度以及滚珠丝杠热伸长的在线实时测量。北京机床研究所专门研制成功了 GSZ2000高速滚珠丝杠副综合测试装置，用于测量滚珠丝杠副在高速时的性能(定位精度、噪声和温升)，测量丝杠最大长度为2200mm,工作台移动速度可达60m/min。
[0005]对于同时可以完成几何精度测试、负载状态下的加速度、速度、定位精度测试、疲劳特性测试、热稳定性能测试的综合试验台，国内还没有报道过。
[0006]同时，对于几何精度的测试，常用的扫描式测量法大多采用被动式测量，测量过程中，测头与丝杠滚道之间的摩擦力大小不稳定，会在测量信号中混杂有高频无规律振动信号，影响最终数据处理。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于提供一种高速丝杠及丝杠副综合检查试验台。
[0008]为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案。
[0009]该试验台包括花岗岩基座以及设置于花岗岩基座上的相互平行的气浮导轨和直线导轨，所述直线导轨上设置有直线导轨托板，直线导轨托板的下侧与设置于花岗岩基座上的直线电机相连，直线导轨托板的上侧设置有可拆卸的用于固定丝杠螺母的螺母座，气浮导轨上设置有用于安装测头系统的气浮导轨托板，气浮导轨托板通过连接机构与直线导轨托板相连，连接机构包括与气浮导轨托板相连的连接板以及与直线导轨托板相连的机体，机体上设置有与连接板相连的圆柱块以及用于加紧圆柱块侧面的加紧机构。
[0010]所述测头系统包括可以沿气浮导轨托板表面移动的支架、设置于支架上的精密螺杆以及设置于精密螺杆上的电感测头。
[0011]所述加紧机构包括设置于机体上的用于压紧圆柱块侧面的顶板和机体立柱，圆柱块设置于顶板和机体立柱之间，机体上开设有第一通孔，第一通孔内依次设置有调节螺栓、防转块、碟簧、顶杆以及用于固定顶杆的第一端盖，顶板与顶杆相连。
[0012]所述试验台还包括设置于花岗岩基座上的悬臂支撑，悬臂支撑包括支撑底座以及设置于支撑底座上端的可升降的悬臂，悬臂的伸出端上设置有一对用于支撑丝杠的滚子，滚子的轴向与直线导轨平行，花岗岩基座上开设有若干个用于固定支撑底座的安装孔。
[0013]所述悬臂支撑还包括嵌套于支撑底座内的螺母以及设置于螺母上的调节螺杆，悬臂上开设有第二通孔以及第三通孔，第二通孔内设置有铜套，调节螺杆的上端由铜套内伸出悬臂外，悬臂的上方设置有与调节螺杆的上端相连的摇柄，调节螺杆通过铜套以及设置于第二通孔上的第二端盖定位于悬臂上，第三通孔内自下而上依次设置有调节螺栓、止转块、碟簧、撑杆以及用于固定撑杆的第三端盖，撑杆的上端设置有托架以及与托架相连的用于固定所述滚子的压板。
[0014]所述试验台还包括尾座托板、用于支撑丝杠两端的前轴承座和后轴承座以及用于驱动丝杠的伺服电机，前轴承座以及伺服电机设置于尾座托板上，尾座托板设置于直线导轨上，直线导轨上设置有用于固定尾座托板的气动钳夹，后轴承座与花岗岩基座相连，后轴承座座子为桥式结构。
[0015]所述试验台还包括设置于直线导轨上的尾座托板、设置于尾座托板上的尾座、用于固定丝杠两端的第一死顶尖和第二死顶尖以及设置于花岗岩基座上的精密回转主轴，精密回转主轴的内圈与第一死顶尖相连，精密回转主轴的外圈分别与设置于花岗岩基座上的力矩电机以及用于带动丝杠旋转的拨叉相连，第二死顶尖设置于尾座上。
[0016]所述花岗岩基座上设置有圆光栅以及长光栅。
[0017]低速几何精度测试时，丝杠的旋转采用力矩电机驱动，力矩电机和直线电机之间采用电子齿轮调节运动比例关系。
[0018]本发明的有益效果体现在:
[0019](I)本发明所述试验台使用花岗岩做基座，同时使用两套导轨，使精密测试和破坏性测试两种本不相容的试验可以在同一试验台实现，将测试丝杠性能参数的多个试验台集成了一个试验台并充分利用了气浮导轨的精密性和直线导轨稳定性、大承载的优点，气浮导轨进行精密测量，直线导轨进行疲劳寿命试验，可以对丝杠进行全面综合的评价，有很好的经济性。
[0020](2)气浮导轨托板和直线导轨托板之间的连接机构中采用了轴向加紧的圆柱块，只可以传递轴向力，横向和纵向均不受影响，解决了气浮导轨的驱动问题，同时，又不受直线导轨横向和纵向的振动影响，保证了气浮导轨的运动精度。
[0021](3)本发明所述试验台首次提出将直线电机作为负载，比起大多采用液压缸和重锤的试验台显得更灵巧、安全、环保，疲劳寿命试验时力的大小也更容易改变。
[0022](4)本发明所述试验台采用双死顶尖，在做几何精度测试时，精密回转主轴内圈不动外圈动，外圈由力矩电机驱动，外圈通过拨叉带动丝杠旋转，和以往的内圈转动配活顶尖的方式相比，这种方式(两端同时采用死顶尖，驱动主轴采用内圈不动)除去了活顶尖的旋转误差，使测试精度更加准确。
[0023](5)利用电子齿轮的原理驱动直线电机带动测头实现理论轨迹的运行，实现主动式测量，减小测量力的影响，提高测量精度和效率。
[0024](6)测头使用高精度电感测头，可以通过采用接触扫描式测量法使测量几何精度时的测试精度更加准确。
[0025](7)丝杠中间的悬臂支撑装置有两个回转自由度，通过两回转轴线距离稍大于理论距离，可以自适应调节和丝杠轴线的距离。悬臂支撑装置可以减小丝杠因为重力产生巨大挠度，提高测量几何精度时测试精度的准确性。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1为本发明所述试验台的主视图；
[0027]图2为本发明所述试验台的侧视图；
[0028]图3为本发明所述试验台的俯视图；
[0029]图4为本发明所述连接机构剖视图之一；
[0030]图5为本发明所述连接机构剖视图之二 ；
[0031]图6为本发明所述悬臂支撑的剖视图；
[0032]图7为图6的局部剖视图；
[0033]图8为本发明所述直线导轨托板剖视图；
[0034]图中:1为花岗岩基座，2为气浮导轨，3为气浮导轨托板，4为气浮块，5为连接机构，6为测头系统，7为直线导轨滑块，8为直线导轨，9为直线电机，10为尾座托板，11为精密回转主轴，12为拨叉,13为后轴承座，14为悬臂支撑,15为螺母座，16为前轴承座，17为尾座，18为气动钳夹，19为力矩电机，20为直线导轨托板，21为伺服电机，22为机体，23为防转块,24为碟簧,25为顶杆,26为第一端盖,27为顶板,28为圆柱块,29为机体立柱,30为连接板，31为支撑底座，32为悬臂，33为止转块，34为撑杆，35为第三端盖，36为托架，37为压板，38为滚子，39为摇柄，40为第二端盖，41为铜套，42为调节螺杆，43为螺母，44为滚子轴。
【具体实施方式】
[0035]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0036]参见图1-图8，本发明所述高速丝杠及丝杠副综合检查试验台包括花岗岩基座I以及设置于花岗岩基座I上的相互平行的气浮导轨2和直线导轨8，所述直线导轨8上设置有直线导轨托板20,直线导轨托板20的下侧与设置于花岗岩基座I上的直线电机9相连，直线导轨托板20的上侧设置有可拆卸的用于固定丝杠螺母的螺母座15，气浮导轨2上设置有用于安装测头系统6的气浮导轨托板3，气浮导轨托板3通过连接机构5与直线导轨托板20相连，连接机构5包括与气浮导轨托板3相连的连接板30以及与直线导轨托板20相连的机体22，机体22上设置有与连接板30相连的圆柱块28以及用于加紧圆柱块侧面的加紧机构。
[0037]所述测头系统6包括可以沿气浮导轨托板3表面移动的支架、设置于支架上的精密螺杆以及设置于精密螺杆上的电感测头。
[0038]所述加紧机构包括设置于机体22上的用于压紧圆柱块侧面的顶板27和机体立柱29，圆柱块28设置于顶板27和机体立柱29之间，连接板上设置有与圆柱块侧面的凹槽形状对应的凸起，凹槽和凸起用于连接板与圆柱块的连接，机体22上开设有第一通孔，第一通孔内依次设置有调节螺栓、防转块23、碟簧24、顶杆25以及用于固定顶杆25的第一端盖26，顶板27与顶杆25相连。
[0039]所述试验台还包括设置于花岗岩基座I上的悬臂支撑14，悬臂支撑14包括支撑底座31以及设置于支撑底座31上端的可升降的悬臂32，悬臂32的伸出端上设置有一对用于支撑丝杠的滚子38，滚子38的轴向与直线导轨8平行，花岗岩基座I上开设有若干个用于固定支撑底座31的安装孔。
[0040]所述悬臂支撑14还包括嵌套于支撑底座31内的螺母43以及设置于螺母43上的调节螺杆42，悬臂32上开设有第二通孔以及第三通孔，第二通孔内设置有铜套41，调节螺杆42的上端由铜套41内伸出悬臂32外，悬臂32的上方设置有与调节螺杆42的上端相连的摇柄39，调节螺杆42通过铜套41以及设置于第二通孔上的第二端盖40定位于悬臂32上，第三通孔内自下而上依次设置有调节螺栓、止转块33、碟簧、撑杆34以及用于固定撑杆34的第三端盖35，撑杆34的上端设置有托架36以及与托架36相连的用于固定所述滚子38的压板37。悬臂可以绕着调节螺杆旋转，形成悬臂主体回转中心，托架以及撑杆可以旋转，形成托架回转中心。
[0041]所述试验台还包括尾座托板10、用于支撑丝杠两端的前轴承座16和后轴承座13以及用于驱动丝杠的伺服电机21，前轴承座16以及伺服电机21设置于尾座托板10上，尾座托板10设置于直线导轨8上，直线导轨8上设置有用于固定尾座托板10的气动钳夹，后轴承座13与花岗岩基座I相连，后轴承座座子为桥式结构。
[0042]所述试验台还包括设置于尾座托板10上的尾座17、用于固定丝杠两端的第一死顶尖和第二死顶尖以及设置于花岗岩基座I上的精密回转主轴11，精密回转主轴11的内圈与第一死顶尖相连，精密回转主轴11的外圈分别与设置于花岗岩基座I上的力矩电机19以及用于带动丝杠旋转的拨叉12相连，第二死顶尖设置于尾座17上。
[0043]所述花岗岩基座I上设置有圆光栅以及长光栅。
[0044]低速几何精度测试时，丝杠的旋转采用力矩电机驱动，力矩电机和直线电机之间采用电子齿轮调节运动比例关系。
[0045]本发明的工作原理:
[0046]低速实验，主要是指丝杠几何精度的检测实验。实验台包含有花岗岩基座1、直线电机9、直线导轨8、直线导轨托板20、连接机构5、气浮导轨2、气浮导轨托板3、长光栅、圆光栅、气动钳夹、尾座托板10、尾座17、悬臂支撑14、测头系统6、高精度的精密回转主轴11、力矩电机19等部分。
[0047]花岗岩基座是所有元件的载体。直线电机驱动直线导轨托板沿着直线导轨方向运动。气浮导轨托板和直线导轨托板之间通过连接机构连接。这样，直线电机也可以驱动气浮导轨托板沿着气浮导轨方向运动。测头系统设置于气浮导轨托板上。尾座设置于尾座托板之上，可以沿着直线导轨方向移动，以适应不同长度的丝杠测量要求。尾座托板通过两套气动钳夹系统进行定位。精密回转主轴和尾座都安装有死顶尖，精密回转主轴由力矩电机通过同步带轮进行驱动。悬臂支撑设置于两死顶尖中间，用于减小丝杠因为重力产生的弯曲变形。长光栅和圆光栅分别采集直线电机和力矩电机的实时位置信息。
[0048]几何精度检测实验时，丝杠两端由两死顶尖顶紧，中间弯曲变形由悬臂支撑托起。丝杠的旋转运动由安装在精密回转主轴上的拨叉带动，旋转角度信息通过圆光栅读取。采用测头与丝杠滚道接触的扫描式测量法，整个测头系统由直线电机驱动，位置信息通过长光栅读取。通过控制直线电机和力矩电机，使长光栅读数信息和圆光栅读数信息成一定比例关系，实现主动式测量，克服了被动式测量的不足。
[0049]高速实验包括定位精度测试实验、热稳定性测试实验以及疲劳特性测试实验。实验台包括花岗岩基座1、直线电机9、直线导轨8、直线导轨托板20、连接机构5、气浮导轨
2、气浮导轨托板3、长光栅、气动钳夹、尾座托板10、前、后轴承座系列、伺服电机21、丝杠螺母、螺母座15、冷却系统以及测试相关的传感器几大部分。
[0050]长光栅安装于气浮导轨附近，读数头安装于气浮导轨托板之上，因此，必须通过气浮导轨托板的运动来采集直线电机的实时位置信息。前轴承座设置于尾座托板之上以适应不同长度丝杠测量要求。尾座托板由气动钳夹定位。伺服电机用于驱动丝杠的高速旋转。螺母座安装于直线导轨托板之上，用于固定丝杠螺母。对于部分大直径丝杠高速试验中会用到冷却系统。
[0051]实验时，丝杠由前后轴承座支撑，丝杠与直线导轨托板之间由丝杠螺母连接。丝杠的旋转运动由伺服电机通过同步带轮驱动。疲劳特性测试实验时，直线电机充当负载的作用。
[0052]实施例
[0053]针对对滚珠丝杠性能要求的不断提高，先进、便捷的检测手段成了生产中提高滚珠丝杠副质量的可靠保证。本发明提供一种高速丝杠及丝杠副综合检查试验台，其对高速丝杠以及丝杠副的各种参数与性能综合测试指标如下:
[0054]I)滚珠丝杠副的主要精度指标包括:行程变动量、有效行程内行程变动量、任意25mm行程内行程变动量、任意IOOmm行程内行程变动量、任意300mm行程内行程变动量等。
[0055]2)高速滚珠丝杠副动态特性指标包括:丝杠系统固有频率、振型、阻尼、动静刚度等动态特性。
[0056]3)高速丝杠疲劳寿命测试指标包括:疲劳特性测试、加速疲劳试验、扭矩等。
[0057]4)高速丝杠热稳定性能测试指标包括:丝杠副的温升、热变形和热误差等。
[0058](一)机械系统主体结构:
[0059]I)机械系统主体采用高稳定性的花岗岩床身与气浮导轨相结合，实现高精度、高稳定性的导向功能。
[0060]2)精密回转主轴、双死顶尖与悬臂支撑相接合的回转轴线支撑系统，实现与加工的单一基准，便于通过检测误差修正加工工艺参数，提高产品质量和效率。
[0061]3)直流力矩电机驱动的精密主轴和雷尼绍高精度光栅编码器构成数控转台，分辨率1.4"，气浮减震支承，实现高精度的角度测量，从而提高系统的检测精度。
[0062]4)高精度的RSF线性玻璃光栅编码实现长度测量，分辨率0.05um，利用玻璃的高稳定性实现高精度的长度测量。
[0063]5)利用直线电机可以直接驱动直线导轨托板，进而驱动与直线导轨托板连接的气浮导轨托板沿气浮导轨实现无定位的直线驱动运动，气浮导轨与直线导轨平行设置，从而避免驱动系统和气浮导向系统的相互干涉。
[0064]6)在轴承盖板和轴承间安放有环形的压力传感器来实时测量轴承的预紧力。在工作台上安有一个西门子直线电机，对工作台产生一个轴向作用力，用来模拟实际丝杠的工作状态。
[0065]7)丝杠螺母副测试系统，实现高速滚珠丝杠副动态特性、疲劳寿命、稳定性能等综合性能的测试。
[0066]机械系统由以下几大部分组成:
[0067](I)花岗岩基座
[0068](2)双导轨系统
[0069]包括超精密气浮导轨和直线导轨以及气浮导轨托板和直线导轨托板，共同由直线电机驱动。气浮导轨由八块气浮块实现精密定位，有阻力小、精度高、无污染等优点；直线导轨精度稍差，但承载力很大。气浮导轨托板和直线导轨托板安装有连接机构，因而它们同时同步运动。连接机构只传递轴向力，因而直线托板横向和纵向的振动并不影响气浮导轨托板的运动精度。这样便可以利用气浮导轨的超高精密性测试丝杠螺旋线几何误差，而用直线导轨带动托板测试丝杠的疲劳寿命，又不影响几何精度的测试。
[0070](3)三个驱动电机
[0071]包括一个直线电机、一个力矩电机和一个伺服电机。直线电机安装在花岗岩基座上，置于直线导轨托板之下，用来驱动直线导轨托板和气浮导轨托板；在几何精度测试试验中，直线电机扮演驱动电机的角色，在做疲劳寿命测试试验中，直线电机又扮演着加载负载的角色。力矩电机固定在花岗岩基座上，驱动高精度的精密回转主轴，可以测量丝杠几何精度；伺服电机驱动两端支撑高速旋转的滚珠丝杠，可以进行定位精度、反向间隙、驱动速度和加速度、固有频率、振型、阻尼、动静刚度等动态特性测试，摩擦力矩，疲劳特性测试，稳定性能测试等。
[0072](4)两大系列轴承座
[0073]两大系列轴承座座子大小尺寸不变，内套套筒分为Φ32、Φ50、Φ80、Φ 100四个
系列。它们用来支撑滚珠丝杠的两端，在做几何精度测试时可以整体拆卸。两轴承座后部都预留有一定的空间，对于需要冷却的中空丝杠可以安装高速回转接头和冷却管。前轴承座和后顶尖(即安装在尾座上的顶尖)置于同一托板(尾座托板)之上，可沿直线导轨滑动，这样两轴承座之间的距离可以调节，以满足不同长度的丝杠检测需求。后轴承座座子是桥式结构，直线导轨可以从下面通过，整体安装在花岗岩基座上。[0074](5)高精度的精密回转主轴和尾座
[0075]精密回转主轴上的顶尖和尾座上的顶尖均为死顶尖，除去了活顶尖的回转误差。安装在精密回转主轴上的死顶尖可以拆卸。精密回转主轴轴承内圈不动，外圈由力矩电机驱动，同时带动拨叉驱动丝杠做回转运动。这种设计大大减小外来误差对丝杠几何精度检测的影响，检测精度大大提闻。
[0076](6)高精度长光栅和圆光栅
[0077]采用高精度RSF长光栅，分辨率为0.05um。圆光栅采用雷尼绍圆光栅，精度为± 1.4角秒。
[0078](7)测头系统
[0079]测头系统的支架安装在气浮导轨托板之上，可以沿气浮导轨托板表面沟槽移动，所以可以粗调测头与丝杠之间的距离。精密螺杆安装在支架上，中心线和丝杠轴线在同一水平线上，可以横向微调与丝杠之间的距离。精密螺杆靠近丝杠一端安装有高精度电感测头，可以测量轴向微小位移量。
[0080](8)悬臂支撑
[0081]在测试丝杠几何精度时，由于丝杠本身重力因素的影响，丝杠会产生很大的挠度，在两端支撑点的中点数值达到最大，进而影响到几何精度。为此，设计本悬臂支撑。悬臂支撑在起到支撑作用的同时，不会影响到几何精度的测量(如不会和直线导轨托板发生干涉)。悬臂支撑有两个回转中心(悬臂主体回转中心和托架回转中心)，回转轴线都与水平面垂直。两回转轴线之间的设计距离稍微大于悬臂主体回转轴线与丝杠轴线之间的实际距离，这样，在测量过程中，悬臂通过旋转自动适应悬臂主体回转轴线与丝杠轴线之间的实际距离。
[0082](9)连接机构
[0083]连接机构连接了气浮导轨托板和直线导轨托板，使它们共用直线电机作为驱动。连接机构传力部件设计成圆柱状，只传递沿丝杠轴线的方向的力，而在横向和纵向所受的力则转化为传力部件和连接机构外支架的相对位移。这样，气浮导轨托板只受到轴向推力，而直线导轨托板的横向和纵向的不稳定因素造成的误差并不会影响到气浮导轨的精度。连接机构内部装有碟簧，因此传力部件的夹紧力可以通过后面的螺栓进行调节。
[0084]( 10)两套黑马钳夹系统
[0085]伺服电机和尾座安装在尾座托板上，尾座托板可以沿着直线导轨前后滑动。安装在尾座托板下部的两套气动黑马钳夹系统可以实现尾座托板的精密定位。
[0086]以上各部分除了两大系列轴承座和悬臂支撑可以经常拆卸以外，其他部分一经装配均不可以拆卸，否则影响测量精度。以上部分除去两大系列轴承座后，便是丝杠几何精度测试试验台。除去悬臂支撑，装上两大系列轴承座和必需的传感器，便可以测试除几何精度外的其他大部分性能指标。
[0087](二)控制系统:
[0088]采用工业控制计算机以及多通道数据采集器对系统的各种传感器进行动态实时测量。采用美国Galil公司开放式运动控制器，对主轴与位移测量进行控制。采用直流伺服电机与伺服放大器，保证几何测量精度的运动精度与平稳性，同时避免对测量系统的干扰。其具有以下特点:[0089]I)利用电子齿轮功能控制回转力矩电机和直线电机实现理论轨迹的仿形运动，从而测头感测出来的变形量即为检测误差，从而提高系统的检测精度。
[0090]2)高速多通道数据采集系统可以实现高速记数卡以一定采样间隔同步采集角位移信号和测量头轴向位移信号，通过记数卡本身所具有的信号处理系统将两路信号进行高倍数电子细分。
[0091](三)软件系统:
[0092]软件系统采用当代Vs开发平台与C#语言编写，具有以下功能:
[0093]1)动态测量数据的显示。
[0094]2)几何精度，动态特性，力学特性，热稳定性，疲劳试验等各项试验基本参数数据的高速与可靠的采集。
[0095]3)数据处理。
[0096]4)开放式的结构，便于系统的扩充。
[0097]5)评价系统(DIN，IS10，国标)。
[0098]6)数据库管理
[0099]技术指标:
[0100]I)测量最大长度2m ；
[0101]2)测量分辨 0.05μπι;
[0102]3)速度 60m/min ；
[0103](四)具体参数测量说明
[0104]4.1几何参数的测量
[0105]几何参数的测量，主要是指丝杠导程误差的检测。采用同步位移绝对值比较原理，用高精度圆光栅和长光栅分别作为角度和长度的传感器，利用电子齿轮功能，以力矩电机为主动轴作等速回转运动；以一定比例驱动直线电机带动测头系统实现被测对象的理论轨迹运动，同时采用高速记数卡以一定采样间隔同步等距采集角位移信号和测头轴向位移信号，通过记数卡本身所具有的信号处理系统将两路信号进行高倍数电子细分，经PCI总线传送给计算机系统，由相应的软件将信号转换为位移量，通过计算机的实时处理计算出滚珠丝杠误差值。两路信号在计算机处理之前未发生任何联系，通过计算机处理使它们成为滚珠丝杠螺旋线的角度基准量和轴向位移量，并比较计算出误差值。
[0106]4.2定位精度测试
[0107]所谓滚珠丝杠副的定位精度，指的是包含导程误差在内的轴向动态变形量，即丝杠在行程范围内任意一点定位时的误差，即理论螺旋线与实际螺旋线之差。一般可分为滚珠丝杠副的静态精度和动态精度两部分。
[0108]测量时由力矩电机带动丝杠旋转运动，螺母作直线运动，同时由计算机采集圆光
栅和长光栅的读数，分别作为角度Θ和位移值S。然后根据公式S- 计算出定位误差，
2π
S表示位移值，即长光栅示值，P表示丝杠导程。
[0109]4.3温升测量
[0110]滚珠丝杠副温度测量系统是高速滚珠丝杠副综合性能测试系统的重要组成部分，根据实际情况，由于丝杠左右支撑处、丝杠螺母、丝杠以及导轨处的温度变化较其它部位变化明显，因此在高速滚珠丝杠副综合性能测试系统中共设置了六路温度信号，分别采集前轴承座、后轴承座、丝杠螺母、以及丝杠左、中、右六处的温度信号，用以实时的测量六个不同位置的温度变化情况。
[0111]高速丝杠综合性能测试系统中的温度测量系统是一个典型的数据采集系统。由温度传感器、数据采集卡、工控机等组成。实现对高速丝杠温度信号的采集并通过软件编程实现显示、分析和打印。测温采用温度传感器直接测量。
[0112]4.4振动和噪声测量
[0113]高速滚珠丝杠副作为传动执行机构的重要零件，在外界交变载荷作用下，或者当丝杠频繁换向时容易产生冲击振动和噪声，特别是当激振频率接近丝杠的固有频率时，容易产生共振，导致危险情况的发生。滚珠丝杠副噪声产生的原因主要有滚珠在循环回路中的流畅性、滚珠之间的碰撞、滚道的粗糙度、丝杠的弯曲等。对高速下的噪声进行测量并对结果进行频谱分析，可以更加准确的分析出噪声源，帮助设计人员进行结构以及工艺方面的改进，降低丝杠运行时的噪声。所以对丝杠的动态特性是很有必要的。
[0114]实验中可通过伺服电机带动丝杠，进而驱动丝杠螺母沿丝杠滑动，可以达到不同的目标位置，以进行不同位置的丝杠系统动态特性测试。
[0115]噪声测量的数据采集系统，由声级计、数据采集卡、工控机等组成，实现对高速丝杠噪声信号的采集，并通过软件编程实现显示、分析和打印。
[0116]振动测量的数据采集系统，由振幅传感器、数据采集卡、工控机等组成，实现对高速丝杠振动信号的采集，并通过软件编程实现显示、分析和打印。
[0117]4.5寿命测试
[0118]滚珠丝杠是数控机床传动系统的关键部件，具有高精度、高刚度、长寿命的特点。丝杠的一般失效形式有表面损伤、过大变形、滚珠断裂等。但在正常的安装、润滑、使用条件下，其主要的失效形式是疲劳破坏，即钢珠、丝杠滚道、螺母滚道的疲劳点蚀。因此疲劳成为决定丝杠使用寿命的主要因素。
[0119]原理为在主控机的控制下按预定程序对被测丝杠进行加载、并连续往复运动进行加速疲劳试验，扭矩、振动传感检测单元配合信号识别软件能够检测到丝杠发生的疲劳破坏情况，进行存储记录，并决定何时终止试验。
[0120]4.6热稳定性测试
[0121]随着机床高速化的不断发展，对机床的进给系统提出了很高的要求，而丝杠是进给系统中关键的传动、定位环节。实现丝杠的高速化可通过提高转速来实现，而伴随丝杠回转速度的增加，其发热量也必然增大，而温升又会导致丝杠的伸长进而影响机床的位置误差。
[0122]在高速运行的情况下，滚珠丝杠副最明显的表现是摩擦导致丝杠和螺母体的温升效应和磨损，从而影响传动副的稳定性和寿命。测试时，根据测量要求在计算机中设计好运动参数，然后由运动控制系统来控制伺服电机的运动。伺服电机带动丝杠驱动工作台按照给定的运动参数运动。在轴承盖板和轴承间安放有环形的压力传感器来实时测量轴承的预紧力。直线电机使能后将对工作台产生一个轴向作用力，用来模拟实际丝杠的工作状态。在实验台中的轴承、丝杠螺母、丝杠、液压缸和电机上面安放有温度传感器，用以对这些温度敏感点的温度进行实时测量。丝杠一端安装有位移传感器，用于轴承支承方式为一端固定一端自由时，丝杠热伸长量的测量。
[0123]4.7加速度测试
[0124]通过对高速丝杠加速的测量与研究,改善滚珠丝杠副的加减速度特性，可提高对运动指令的快速跟踪能力，并且减小起动和停止瞬间弹性变形，提高滚珠丝杠在高速运动状态下的定位精度和重复定位精度。
[0125]4.8预紧力与摩擦力矩的测试
[0126]分别使用不同的预加载荷的滚珠丝杠副经跑合清洗干净后，安装在综合试验台上测量，测量时由伺服电机驱动丝杠转动，螺母移动，测力传感器与螺母连接，同时利用直线电机同步带动受力机构(丝杠螺母)沿着丝杠轴线做直线运动，由于丝杠与螺母之间存在摩擦力，当丝杠旋转时，螺母应当与丝杠一起旋转。但是，由于螺母上安装了传力销，致使螺母旋转受到测力传感器的受力轴所阻，不能转动，此时，螺母与丝杠的摩擦力矩以力传至受力轴，测力传感器将测到力矩的信号传至采集卡，将力的大小转换为数字量，同时乘以力臂因子即可得到所测量的摩擦力矩。
[0127]主要测试功能:
[0128]在不同预紧力的作用下的摩擦力矩特性的测量，通过对动态预紧转矩曲线的谱分析，进一步分析滚珠丝杠副摩擦力矩的主要影响因素:
[0129](I)滚珠进出循环装置时产生的冲击和摩擦；
[0130](2)滚珠丝杠副的安装误差；
[0131](3)丝杠在加工过程中产生的滚道参数误差；
[0132](4)预紧力的大小；
[0133](5)摩擦力矩波动频率的讨论。
【权利要求】
1.一种高速丝杠及丝杠副综合检查试验台，其特征在于:该试验台包括花岗岩基座(O以及设置于花岗岩基座(1)上的相互平行的气浮导轨(2)和直线导轨(8)，所述直线导轨(8)上设置有直线导轨托板(20)，直线导轨托板(20)的下侧与设置于花岗岩基座(1)上的直线电机(9)相连，直线导轨托板(20)的上侧设置有可拆卸的用于固定丝杠螺母的螺母座(15)，气浮导轨(2)上设置有用于安装测头系统(6)的气浮导轨托板(3)，气浮导轨托板(3)通过连接机构(5)与直线导轨托板(20)相连，连接机构(5)包括与气浮导轨托板(3)相连的连接板(30)以及与直线导轨托板(20)相连的机体(22)，机体(22)上设置有与连接板(30)相连的圆柱块(28)以及用于加紧圆柱块侧面的加紧机构。
2.根据权利要求1所述一种高速丝杠及丝杠副综合检查试验台，其特征在于:所述测头系统(6)包括可以沿气浮导轨托板(3)表面移动的支架、设置于支架上的精密螺杆以及设置于精密螺杆上的电感测头。
3.根据权利要求1所述一种高速丝杠及丝杠副综合检查试验台，其特征在于:所述加紧机构包括设置于机体(22)上的用于压紧圆柱块侧面的顶板(27)和机体立柱(29)，圆柱块(28)设置于顶板(27)和机体立柱(29)之间，机体(22)上开设有第一通孔，第一通孔内依次设置有调节螺栓、防转块(23)、碟簧(24)、顶杆(25)以及用于固定顶杆(25)的第一端盖(26)，顶板(27)与顶杆(25)相连。
4.根据权利要求1所述一种高速丝杠及丝杠副综合检查试验台，其特征在于:所述试验台还包括设置于花岗岩基座(1)上的悬臂支撑(14)，悬臂支撑(14)包括支撑底座(31)以及设置于支撑底座(31)上端的可升降的悬臂(32)，悬臂(32)的伸出端上设置有一对用于支撑丝杠的滚子(38)，滚子(38)的轴向与直线导轨(8)平行，花岗岩基座(1)上开设有若干个用于固定支撑底座(31)的安装孔。
5.根据权利要求4所述一种高速丝杠及丝杠副综合检查试验台，其特征在于:所述悬臂支撑(14)还包括嵌套于支撑底座(31)内的螺母(43)以及设置于螺母(43)上的调节螺杆(42)，悬臂(32)上开设有第二通孔以及第三通孔，第二通孔内设置有铜套(41)，调节螺杆(42)的上端由铜套(41)内伸出悬臂(32)外，悬臂(32)的上方设置有与调节螺杆(42)的上端相连的摇柄(39)，调节螺杆(42)通过铜套(41)以及设置于第二通孔上的第二端盖(40)定位于悬臂(32)上，第三通孔内自下而上依次设置有调节螺栓、止转块(33)、碟簧、撑杆(34)以及用于固定撑杆(34)的第三端盖(35)，撑杆(34)的上端设置有托架(36)以及与托架(36 )相连的用于固定所述滚子(38 )的压板(37 )。
6.根据权利要求1所述一种高速丝杠及丝杠副综合检查试验台，其特征在于:所述试验台还包括尾座托板(10)、用于支撑丝杠两端的前轴承座(16)和后轴承座(13)以及用于驱动丝杠的伺服电机(21)，前轴承座(16)以及伺服电机(21)设置于尾座托板(10)上，尾座托板(10)设置于直线导轨(8)上，直线导轨(8)上设置有用于固定尾座托板(10)的气动钳夹，后轴承座(13)与花岗岩基座(1)相连，后轴承座座子为桥式结构。
7.根据权利要求1或6所述一种高速丝杠及丝杠副综合检查试验台，其特征在于:所述试验台还包括设置于直线导轨(8)上的尾座托板(10)、设置于尾座托板(10)上的尾座(17)、用于固定丝杠两端的第一死顶尖和第二死顶尖以及设置于花岗岩基座(1)上的精密回转主轴(11)，精密回转主轴(11)的内圈与第一死顶尖相连，精密回转主轴(11)的外圈分别与设置于花岗岩基座(1)上的力矩电机(19)以及用于带动丝杠旋转的拨叉(12)相连，第二死顶尖设置于尾座(17)上。
8.根据权利要求1所述一种高速丝杠及丝杠副综合检查试验台，其特征在于:所述花岗岩基座(1)上设置有圆光栅以及长光栅。
9.根据权利要求1所述一种高速丝杠及丝杠副综合检查试验台，其特征在于:低速几何精度测试时，丝杠的旋转采用力矩电机驱动，力矩电机和直线电机之间采用电子齿轮调节运动比例 关系。
【文档编号】G01M13/02GK103543010SQ201310474059
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年10月11日 优先权日:2013年10月11日
【发明者】郭俊杰, 李海涛, 侯忠强, 何关虎, 金萍, 李北战, 王功 申请人:西安交通大学