直线进给单元加速性能退化试验方法
【专利摘要】一种直线进给单元加速性能退化试验方法。利用激光干涉仪检测加速运行后的工作台精度，包括工作台的轴向、径向、垂直，三个方向的转角误差和径向、垂直，两个方向的直线误差，利用直线光栅尺和圆光栅尺的数据测出工作台或者滚珠丝杠轴向的定位误差，以研究滚珠丝杠副和直线导轨副的精度退化和刚度退化对工作台综合性能的影响。试验台模拟进给单元实际工况，研究滚珠丝杠副和直线导轨副在磨损和预紧力退化后对工作台综合性能的影响。试验采用高载荷气缸对工作台三个方向加重载进行加速退化试验。三个方向的气缸由气动控制系统控制。综合考虑实验台上的各个传感器监测参数，可以对工作台精度退化和刚度退化进行数学建模和分析。
【专利说明】直线进给单元加速性能退化试验方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种直线进给单元加速性能退化试验方法，属于数控机床制造及检测【技术领域】。
【背景技术】
[0002]滚珠丝杠副和直线导轨副是数控机床进给系统的主要移动部件，其精度和刚度决定了数控机床工作台的精度和刚度。实际工况下为了提高滚珠丝杠副和直线导轨副的刚度，常采用增加滚珠丝杠副和直线导轨副预紧力的方法。随滚珠丝杠副和直线导轨副反复的运行，运动副的滚动体与滚道的磨损，运动副的预紧力下降导致其精度下降、刚度降低，如何准确的得知精度下降的机理和如何预测工作台的精度退化成为了难题，滚珠丝杠副和直线导轨副的传动精度与很多因素息息相关，如预紧力，加载方式，运动方式，摩擦力矩等。国内滚珠丝杠和直线导轨制造企业和相关研究单位对滚珠丝杠及直线导轨已经做了很多研究，但工作台和机床本体之间的综合性能的退化过程和多因素综合对直线进给单元性能的影响鲜有人研究。
[0003]本专利提出利用加速退化试验原理设计退化试验装置，并采用气缸对工作台进行三个方向加载，在运动副连接处设置多个传感器，用于检测各个参数数据。借助激光干涉仪对直线单元进行精度测量，借助振动仪对直线单元进行刚度测量。研究滚珠丝杠副和直线运动副精度退化和刚度退化对工作台综合性能的影响。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于利用激光干涉仪检测加速运行后的工作台综合性能，包括工作台的刚度和轴向、径向、垂直，三个方向的转角误差和径向、垂直，两个方向的直线误差，利用直线光栅尺和圆光栅尺的数据测出工作台或者滚珠丝杠轴向的定位误差，以研究滚珠丝杠和直线导轨副的精度退化和刚度退化对工作台综合性能的影响。
[0005]为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是一种直线进给单元加速性能退化试验方法，该方法的实施步骤如下，步骤1:丝杠伺服电动机2与滚珠丝杠副5之间设有扭矩传感器15，传感器最大量程大于工作台6总负载的1.1倍；工作台6与滚珠丝杠副5之间设有三方向力传感器，其量程均大于三方向总载荷(包括外加载荷)，伺服电动机尾部同轴装有圆光栅，工作台6与直线滚动导轨副4之间装有直线光栅尺16。
[0006]步骤2:调整伺服电动机2运行模式为，每间隔10mm停止2秒，总行程为600mm，工作台6设有反复运行限位，可以反复测量。轴向双气缸12以恒定力作用在工作台6上。
[0007]步骤3:工作台6和滚珠丝杠副5的螺母座之间安装力矩传感器，力矩传感器保持螺母座上表面与工作台平面平行；该装置用于测量滚珠丝杠副5的摩擦力矩。工作台6和滚珠丝杠副5的螺母座之间安装三方向力传感器，可以得到直线滚动导轨4的摩擦力。
[0008]步骤4:进行加速试验运行，丝杠伺服电机2与气动加载可实现单程加载、往复加载，单方向加载和多方向加载多种方式对工况进行模拟；工作台6通过丝杠伺服电机2实现往复运行，轴向加载方式也为往复式，单方向加载是指工作台6远离丝杠伺服电机2时轴向双气缸12对工作台施加载荷，工作台6靠近丝杠伺服电机2时，轴向双气缸12对工作台不施加载荷。往复加载是指工作台往复运行始终受轴向气缸加载。
[0009]步骤5:架设激光干涉仪，将动镜放置在工作台上，按照步骤I的方法测量工作台的三个角度误差和两个直线度误差值。单方向加载时采用单方向行程测量，而不采用往复运行测量。往复加载运行时采用往复运行测量。
[0010]步骤6:以直线滚动导轨副4为基准，考察工作台6精度的变化，利用激光干涉仪测量误差值，干涉仪一端固定在直线滚动导轨4上，一端随工作台做往复运动，测试工作台6的滚摆、俯仰、偏航的角度和位移量。
[0011]步骤7:测量工作台和滚珠丝杠间隙的具体方法为，工作台6运动前，工作台6的位置由光直线光栅尺16设定为零，滚珠丝杠副5的位置由旋转编码器设定为零，运动结束后读出直线光栅尺16的长度数值，滚珠丝杠副5旋转的角度由旋转编码器读出。旋转编码器的数值通过螺距换算成直线位移和光栅尺得到的数值进行比较，得出滚珠丝杠副5的定位精度。
[0012]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0013]I)本发明装置采用气缸对工作台进行三方向加载，实现了模拟机床工作台实际运动过程。气路结构见附图2。实验装置更接近实际工况。
[0014]2)本发明装置及测量方法模拟实际工况的负载，综合考虑滚珠丝杠和直线导轨的磨损误差，将预紧力和摩擦力矩对精度退化的影响考虑到建模当中，并采用重载加速精度退化试验方法。
[0015]3)本发明装置采用大流溢流阀配调压阀实现高加载力，并控制气缸动作与伺服电机动作协调配合完成加载试验。
[0016]4)本发明装置在传动副间设置多种传感器以检测需要的参数。考虑精度退化的因素比以往更多。
[0017]5)采用实时监测方式对工作台进行测量。伺服电机与气动加载可实现单程加载、往复加载，单方向加载和多方向加载等多种方式对工况进行模拟。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为本发明试验台的总体结构示意图。
[0019]图2为本发明气动原理图。
[0020]图3为本发明各误差定义示意图。
[0021]图中:1、试验台底座，2、丝杠伺服电机，3、连接支座，4、直线滚动导轨副，5、滚珠丝杠副，6、工作台，7、轴向气缸加载块，8、双气缸活塞，9、垂直气缸加载滚轮，10、龙门架，11、垂直气缸，12、轴向双气缸，13、侧向加载气缸，14、侧向气缸加载滚轮，15、扭矩传感器，16、直线光栅尺，17、三方向力传感器。
【具体实施方式】
[0022]以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
[0023]如图1-3所示，一种直线进给单元加速性能退化试验方法，该试验工作台包括试验台底座1、丝杠伺服电机2、连接支座3、直线滚动导轨副4、滚珠丝杠副5、工作台6、轴向气缸加载块7、双气缸活塞8、垂直气缸加载滚轮9、龙门架10、垂直气缸11、轴向双气缸12、侧向加载气缸13、侧向气缸加载滚轮14、扭矩传感器15、直线光栅尺16、三方向力传感器17。
[0024]丝杠伺服电机2与滚珠丝杠副5通过连接支座3连接，且在连接支座3与滚珠丝杠副5的连接处设置有扭矩传感器15，滚珠丝杠副5由丝杠伺服电机2驱动；工作台6由滚珠丝杠副5驱动进行往复动作；直线滚动导轨副4固定在试验台底座I上；龙门架10固定安装在试验台底座I两侧；轴向气缸加载块7固定在工作台6轴向位置；工作台6和直线滚动导轨副4之间安装有直线光栅尺16，直线光栅尺16的动尺安装在工作台6底部，直线光栅尺16的定尺安装在直线滚动导轨副4侧面，与直线滚动导轨副4平行。
[0025]垂直加载气缸11安装在龙门架10顶部，垂直加载气缸11通过垂直气缸加载滚轮9对工作台6进行竖直方向加载，垂直气缸加载滚轮9与工作台6之间为滚动接触。
[0026]侧向加载气缸13安装在龙门架10侧面，侧向加载气缸13通过侧向气缸加载滚轮14对工作台6进行侧向加载，侧向气缸加载滚轮14与工作台6之间为滚动接触。
[0027]轴向双气缸12安装在龙门架10上，轴向双气缸12上的双气缸活塞8与滚珠丝杠副5平行，双气缸活塞8可与轴向气缸加载块7相接触，对工作台6进行轴向加载；轴向气缸活塞8与轴向气缸加载块7之间设置有缓冲橡胶垫。
[0028]所述试验台采用三个方向气缸加载，模拟铣床工作台的工况条件。滚珠丝杠采用双螺母结构，加载试验状态下，滚珠丝杠副5通过主螺母驱动工作台6往复运动，副螺母通过测力杆测量滚珠丝杠的摩擦力矩。
[0029]三个方向加载采用气动控制加载方式，气动控制阀采用大流量溢流阀配有调压阀实现，实现气缸高压力恒压输出并可调。三个方向加载力高于实际工况负载，考虑两种退化方式，第一，采用匀速高载荷退化方式进行精度退化和刚度退化试验，第二，采用工作台加减速运行进行精度退化和刚度退化实验，通过加速试验中传感器获得的数据建立精度预测模型，预测工作台综合性能退化机理。
[0030]实施例
[0031]步骤1:伺服电动机与滚珠丝杠之间设有扭矩传感器，传感器最大量程大于工作台总负载的1.1倍。工作台与滚珠丝杠之间设有三方向力传感器，其量程均大于三方向总载荷(包括外加载荷)，伺服电动机尾部同轴装有圆光栅，工作台与直线导轨之间装有直线光栅尺。
[0032]步骤2:调整伺服电动机2运行模式为，每间隔10mm停止2秒，总行程为600mm，工作台6设有反复运行限位，可以反复测量。轴向双气缸12以恒定力作用在工作台6上。
[0033]步骤3:工作台6和滚珠丝杠副5的螺母座之间安装力矩传感器，力矩传感器保持螺母座上表面与工作台平面平行；该装置用于测量滚珠丝杠副5的摩擦力矩。工作台6和滚珠丝杠副5的螺母座之间安装三方向力传感器，可以得到直线滚动导轨4的摩擦力。
[0034]步骤4:进行加速试验运行，伺服电机与气动加载可实现单程加载、往复加载，单方向加载和多方向加载等多种方式对工况进行模拟。工作台6通过丝杠伺服电机2实现往复运行，轴向加载方式也为往复式，单方向加载是指工作台6远离丝杠伺服电机2时轴向双气缸12对工作台施加载荷，工作台6靠近丝杠伺服电机2时，轴向双气缸12对工作台不施加载荷。往复加载是指工作台往复运行始终受轴向气缸加载。
[0035]步骤5:架设激光干涉仪，将动镜放置在工作台上，按照步骤I的方法测量工作台的三个角度误差和两个直线度误差值。单方向加载时采用单方向行程测量，而不采用往复运行测量。往复加载运行时采用往复运行测量。
[0036]步骤6:以导轨为基准，检验工作台精度的变化，利用激光干涉仪测量误差值，干涉仪一端固定在导轨上，一端随工作台做往复运动，测试工作台的滚摆、俯仰、偏航的角度和位移量。
[0037]步骤7:测量工作台和滚珠丝杠间隙的具体方法:工作台运动前，工作台位置由光直线光栅尺设定为零，滚珠丝杠位置有旋转编码器设定为零，运动结束后读出光栅尺的长度数值，丝杠旋转的角度由旋转编码器读出。旋转编码器的数值通过螺距换算成直线位移和光栅尺得到的数值进行比较，得出滚珠丝杠的定位精度。
【权利要求】
1.一种直线进给单元加速性能退化试验方法，其特征在于:该方法的实施步骤如下， 步骤1:丝杠伺服电动机(2)与滚珠丝杠副(5)之间设有扭矩传感器(15);工作台(6)与滚珠丝杠副(5)之间设有三方向力传感器，其量程均大于三方向总载荷，伺服电动机尾部同轴装有圆光栅，工作台(5)与直线滚动导轨副⑷之间装有直线光栅尺(16)； 步骤2:调整伺服电动机(2)运行模式为，每间隔10mm停止2秒，总行程为600mm，工作台(6)设有反复运行限位，可以反复测量；轴向双气缸(12)以恒定力作用在工作台(6)上； 步骤3:工作台(6)和滚珠丝杠副(5)的螺母座之间安装力矩传感器，力矩传感器保持螺母座上表面与工作台平面平行；该装置用于测量滚珠丝杠副(5)的摩擦力矩；将螺母座与工作台(6)之间安装三方向力传感器(17)可以得到直线滚动导轨副⑷的摩擦力；步骤4:进行加速试验运行，丝杠伺服电机(2)与气动加载可实现单程加载、往复加载，单方向加载和多方向加载多种方式对工况进行模拟；工作台(6)通过丝杠伺服电机(2)实现往复运行，轴向加载方式也为往复式，单方向加载是指工作台(6)远离丝杠伺服电机(2)时轴向双气缸(12)对工作台施加载荷，工作台(6)靠近丝杠伺服电机(2)时，轴向双气缸(12)对工作台不施加载荷；往复加载是指工作台往复运行始终受轴向气缸加载； 步骤5:架设激光干涉仪，将动镜放置在工作台上，按照步骤I的方法测量工作台的三个角度误差和两个直线度误差值；单方向加载时采用单方向行程测量，而不采用往复运行测量；往复加载运行时采用往复运行测量； 步骤6:以直线滚动导轨副(4)为基准，考察工作台(6)精度的变化，利用激光干涉仪测量误差值，干涉仪一端固定在直线滚动导轨副(4)上，一端随工作台做往复运动，测试工作台(6)的滚摆、俯仰、偏航的角度和位移量； 步骤7:测量工作台和滚珠丝杠间隙的具体方法为，工作台(6)运动前，工作台(6)的位置由光直线光栅尺(16)设定为零，滚珠丝杠副(5)位置由旋转编码器设定为零，运动结束后读出直线光栅尺(16)的长度数值，滚珠丝杠副(5)旋转的角度由旋转编码器读出；旋转编码器的数值通过螺距换算成直线位移和光栅尺得到的数值进行比较，得出滚珠丝杠副(5)的定位精度。
2.一种直线进给单元加速性能退化试验方法，所述试验台的特征在于:该试验台包括试验台底座(I)、丝杠伺服电机(2)、连接支座(3)、直线滚动导轨副(4)、滚珠丝杠副(5)、工作台出)、轴向气缸加载块(7)、双气缸活塞(8)、垂直气缸加载滚轮(9)、龙门架(10)、垂直气缸(11)、轴向双气缸(12)、侧向加载气缸(13)、侧向气缸加载滚轮(14)、扭矩传感器(15)、直线光栅尺(16)、三方向力传感器(17);该试验工作台米用三方向气缸加载方式,模拟真实铣床的工作状态； 丝杠伺服电机(2)与滚珠丝杠副(5)通过连接支座(3)连接，且在连接支座(3)与滚珠丝杠副(5)的连接处设置有扭矩传感器(15)，丝杠伺服电机(2)通过联轴器与滚珠丝杠副(5)连接并驱动工作台(6)进行往复动作；直线滚动导轨副(4)固定在试验台底座(I)上；龙门架(10)固定安装在试验台底座(I)两侧；轴向气缸加载块(7)固定在工作台(6)轴向位置；工作台(6)和试验台底座(I)之间安装有直线光栅尺(16)，直线光栅尺(16)的动尺安装在工作台(6)底部，直线光栅尺(16)的定尺安装在直线滚动导轨副(4)侧面，与直线滚动导轨副(4)平行； 垂直加载气缸(11)安装在龙门架(10)顶部，垂直加载气缸(11)通过垂直气缸加载滚轮(9)对工作台(6)进行竖直方向加载，垂直气缸加载滚轮(9)与工作台(6)之间为滚动接触； 侧向加载气缸(13)安装在龙门架(10)侧面，侧向加载气缸(13)通过侧向气缸加载滚轮(14)对工作台(6)进行侧向加载，侧向气缸加载滚轮(14)与工作台(6)之间为滚动接触； 轴向双气缸(12)安装在龙门架(10)上，轴向双气缸(12)上的双气缸活塞(8)与滚珠丝杠副(5)平行，双气缸活塞⑶可与轴向气缸加载块(7)相接触，对工作台(6)进行轴向加载；轴向气缸活塞(8)与轴向气缸加载块(7)之间设置有缓冲橡胶垫。所述试验台采用三方向气缸加载方式，模拟直线进给单元的工况，试验采用重载加速退化方式。对直线进给单元进行综合性能检测，包括定位误差、精度、刚度的检测。
3.根据权利要求1所述的一种直线进给单元加速性能退化试验方法，其特征在于:三个方向加载采用气动控制加载方式，气动控制阀采用大流量溢流阀配有调压阀实现，实现气缸高压力恒压输出并可调。三个方向加载力高于实际工况负载，考虑两种退化方式，第一，采用匀速高载荷退化方式进行精度退化和刚度退化试验，第二，采用工作台加减速运行进行精度退化和刚度退化实验，通过加速试验中传感器获得的数据建立精度预测模型，预测工作台综合性能退化机理。
4.根据权利要求1所述的一种直线进给单元加速性能退化试验方法，其特征在于:所述扭矩传感器(15)最大量程大于工作台(6)总负载的1.1倍。
【文档编号】G01M13/00GK104165765SQ201410438960
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年8月30日 优先权日:2014年8月30日
【发明者】张巍, 王民, 孔德顺, 高相胜 申请人:北京工业大学