一种用于滚珠丝杠组件的跑合与传动比测量装置

本发明涉及机器人与机器人化自动装置领域，尤其涉及机器人与机器人化自动装置中运用滚珠丝杠组件直线驱动的，具体涉及一种用于滚珠丝杠组件的跑合与传动比测量装置。

背景技术：

1、滚珠丝杠组件在机器人领域中得到了广泛应用。作为一种精密的传动元件，滚珠丝杠组件在很大程度上决定了机器人的运动精度、速度和性能。首先，滚珠丝杠组件能够将旋转运动转化为直线运动，不仅具有高效率，而且能够实现高精度定位。其次，滚珠丝杠组件的传动力和刚性都非常出色，这使得机器人能够承受较大的负载，并能在高速运动中保持稳定。滚珠丝杠组件的滚动接触方式减少了摩擦和磨损，这对于机器人的精度和性能至关重要。最后，滚珠丝杠组件的结构紧凑，安装方便，使得机器人的设计更加灵活。总的来说，滚珠丝杠组件被广泛应用在工业机器人、医疗护理机器人、服务行业机器人等机器人装备以及自动化生产线、自动化包装线、自动化搬运设备等自动化设备中,在提高机器人的运动性能、负载能力、精度、耐用性和适应性等方面都具有不可替代的作用。

2、跑合过程是指新的或修理后开始投入运行的机械，在较短时间内磨损强烈，之后又趋于平缓的磨损过程。人们有意利用跑合期的轻微磨损为正常运行时的稳定磨损创造条件。对于滚珠丝杠组件来说，跑合过程是十分重要的。首先，滚珠丝杠组件在运行过程中，需要承受高速、高负载的工况，如果缺乏良好的跑合过程，会导致摩擦阻力增大，影响传动效率和使用寿命；此外，滚珠丝杠组件没有经过良好的跑合，可能会在短时间内出现严重的磨损，甚至导致丝杠报废，而合理的跑合能够使滚珠丝杠组件逐渐适应工作条件，避免早期磨损，延长其使用寿命；最后，通过跑合可以消除加工或热处理后可能出现的变形，进一步增强设备的稳定性和可靠性，从而保证机械装置的运行精度和稳定性，并能够使滚珠丝杠组件的设计更加优化，适应不同的工作条件和负载要求，提高其性能和可靠性。总之，滚珠丝杠组件的跑合过程对于确保其正常运行、提高传动效率和使用寿命具有重要意义。

3、目前，常见的用于滚珠丝杠组件的跑合设备自动化程度不高，难以实现大批量长时间的跑合处理；而且针对不同跑合工况设置较为繁琐，无法便捷更改跑合速度、跑合周期以及轴向力大小等跑合参数；另外，较差的适用性是常见用于滚珠丝杠组件的跑合设备的缺陷之一，无法满足各种型号的滚珠丝杠组件的跑合需求；最后，常见的用于滚珠丝杠组件的跑合设备无法做到既能快速更换滚珠丝杠组件，又能保证一定的定位精度。鉴于此，本发明提出一种用于滚珠丝杠组件的跑合与传动比测量装置，可分别对单螺母滚珠丝杠组件与双螺母滚珠丝杠组件进行跑合处理，并能对螺母施加大小与方向均可控的轴向力，且能有效解决跑合过程的受力不均问题；可快速准确的更换不同型号的滚珠丝杠组件并进行长时间的自动循环跑合过程；同时还能实现在加载力的过程中，时刻检测检查滚珠丝杠组件理论传动比的准确性，指导人工准确选择合适的滚珠丝杠组件，减少物料及人工成本，具有显著的经济效益。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，公开了一种用于滚珠丝杠组件的跑合与传动比测量装置，可分别对单螺母滚珠丝杠组件与双螺母滚珠丝杠组件进行跑合处理，并利用电动缸对螺母施加大小与方向均可控的轴向力，两套电动缸层叠式的布局进一步节省了空间；且施力杆上下两部分的包围设计能将力有效传递到螺母的轴线上，u型槽与圆柱销钉构成高副能有效解决跑合过程的受力不均问题，避免产生翻转力矩；利用有着高精度定位面的定位靠板以及快速拆装的轴承座与行程开关，能快速准确的更换不同型号的滚珠丝杠组件并进行长时间的自动跑合过程；并通过使用旋转编码器和光栅尺等电子测量设备，实现在加载力的过程中，时刻检测检查滚珠丝杠组件理论传动比的准确性，了解所选产品的运动精度是否能满足设备需要，指导人工准确选择合适的滚珠丝杠组件。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、本发明提出一种用于滚珠丝杠组件的跑合与传动比测量装置，其特征在于它包括丝杠支撑装置、轴向力加载装置、跑合驱动装置以及控制测试模块，其中：

4、丝杠支撑装置用于被测滚珠丝杠组件的装夹和定位，并为轴向力加载装置、跑合驱动装置等提供安装环境，丝杠支撑装置四角安装环首螺钉，便于起重搬移。丝杠支撑装置由定位底板(1)、定位靠板(18)以及产品装夹组件组成；产品装夹组件主要包括轴承座(15)、轴承座支架(17)、轴承座支架压板(16)；轴承座(15)上有通孔，轴承座支架(17)端面上有对应螺纹通孔，通过螺栓将轴承座(15)与轴承座支架(17)固连；轴承座支架压板(16)上加工有长圆孔，利用螺栓固定在轴承座支架压板(16)上。利用螺栓将轴承座支架压板(16)与试验台底板固连；定位靠板(18)依据定位面与定位底板(1)固连。

5、轴向力加载装置用于在跑合过程中对滚珠丝杠组件的螺母(21)施加稳定的轴向力，主要由直线导轨组件、施力杆(14)、传力架(8)、圆柱销钉(9)、电动缸(2)、拉压力传感器(7)、电动缸支架(3)、u形块(6)和插销(4)组成；直线导轨组件主要包括直线导轨(13)、滑块(12)与滑块过渡件(11)，直线导轨(13)依据定位面安装在定位底板(1)上，滑块(12)与直线导轨(13)正常装配，滑块过渡件(11)与滑块(12)使用螺纹连接固连；施力杆(14)通过螺栓与滚珠丝杠组件中的螺母(21)固连，施力杆(14)两端加工有u型槽，与安装在滑块过渡件(11)上的圆柱销钉(9)形成移动副；传力架(8)底部使用螺栓固连到滑块过渡件(11)上，上端与拉压力传感器(7)固连；电动缸支架(3)依据定位面安装在定位底板(1)上，电动缸(2)通过螺栓与电动缸支架(3)固连；u形块(6)与拉压力传感器(7)固连，电动缸(2)连杆末端球型接头放置于u形块(6)的u型凹槽内，通过插销(4)连接。

6、跑合驱动装置用于驱动滚珠丝杠(10)转动，实现滚珠丝杠组件的跑合功能，主要由伺服电机(22)、电机支架(23)、膜片联轴器(5)、过渡轴(24)、滚珠丝杠组件以及行程开关组件组成。滚珠丝杠组件包括滚珠丝杠(10)与螺母(21)，滚珠丝杠(10)与轴承座(15)相连，螺母(21)与施力杆(14)通过螺栓固连；行程开关组件主要包括行程开关(25)、行程开关触发片(27)、行程开关支架(26)以及行程开关压板(28)，行程开关(25)固连在行程开关支架(26)上，行程开关支架(26)通过行程开关压板(28)固定在定位底板(1)上，行程开关触发片(27)通过螺栓安装在滑块过渡件(11)上；伺服电机(22)与电机支架(23)固连，伺服电机(22)的输出轴通过膜片联轴器(5)与过渡轴(24)连接，电机支架(23)依据定位面安装在定位底板(1)上；过渡轴(24)另一端通过止口配合以及螺栓与滚珠丝杠(10)固连。

7、控制测试模块用于实现滚珠丝杠组件装置中机电部件的驱动控制，并利用旋转编码器(31)与光栅尺(19)测量滚珠丝杠组件的运动精度，实现信息测量功能。控制测试模块主要包括旋转编码器组件、光栅尺组件以及伺服控制系统。旋转编码器组件主要包括旋转编码器(31)与旋转编码器支架(32)，旋转编码器(31)通过螺栓固连于旋转编码器支架(32)上，旋转编码器(31)转动端夹紧在被测滚珠丝杠组件的过渡轴(24)上；光栅尺组件主要包括读数头(29)、读数头过渡件(30)、光栅尺(19)以及光栅尺支座(20)，读数头(29)依据定位面安装在读数头过渡件(30)上，读数头过渡件(30)加工有长圆孔，通过螺栓与滑块过渡件(11)固连；伺服控制系统主要包括运动控制器(33)、伺服驱动器(34)、测控与数据处理程序(35)以及工控机(36)；测控与数据处理程序(35)运行在工控机(36)上，运动控制器(33)与工控机(36)连接；伺服驱动器(34)同时与运动控制器(33)、伺服电机(22)和电动缸(2)相连接；旋转编码器(31)与拉压力传感器(7)与运动控制器(33)相连接。

8、所述的一种用于滚珠丝杠组件的跑合与传动比测量装置，其特征在于：定位底板(1)用于安装丝杠支撑装置、轴向力加载装置和跑合驱动装置等；在定位底板(1)上设置定位面，便于丝杠支撑装置、轴向力加载装置和跑合驱动装置等的安装和定位。

9、所述的一种用于滚珠丝杠组件的跑合与传动比测量装置，其特征在于：为保证更换滚珠丝杠组件时其轴线与轴向力加载方向平行，预先安装的定位靠板(18)侧面具有良好的平面度，并使定位靠板(18)与轴向力加载方向平行，依据侧面定位面安装可实现两者平行。凭借定位靠板(18)可保证装置装配的效率。

10、所述的一种用于滚珠丝杠组件的跑合与传动比测量装置，其特征在于：依据不同被测滚珠丝杠组件的长度，支撑丝杠两端的两个轴承座支架(17)的间距需要相应改变。轴承座支架压板(16)分别压在轴承座支架(17)的两端，每个轴承座支架压板(16)上加工有长圆孔，利用螺栓穿过该长圆孔可调节两轴承座支架(17)的距离并将它们固定在轴承座支架压板(16)上。利用螺栓将轴承座支架压板(16)与试验台底板固连，从而将轴承座支架(17)压紧并固定在定位底板(1)上，从而可满足不同型号滚珠丝杠组件的跑合。

11、所述的一种用于滚珠丝杠组件的跑合与传动比测量装置，其特征在于：依据双螺母滚珠丝杆组件的两个螺母(21)，需要两套轴向力加载装置，并采取高度不同的层叠式布局；为保证两套轴向力加载装置同时与滚珠丝杆组件轴线方向平行，采取定位靠板(18)提高安装精度；传力架(8)设计为一个u形整体框架，具有良好的强度和刚度。由于直线导轨组件具有良好的抗弯能力，所以电动缸(2)的偏心推力所产生的弯矩完全由滑块(12)承担而不会作用在螺母(21)上；施力杆(14)上下两部分的包围设计，可有效地将轴向力传递到螺母(21)的轴线方向；另外两端的u型槽，与滑块过渡件(11)上的圆柱销钉(9)形成高副，能适应直线导轨组件轴线与滚珠丝杠组件轴线的不平行度误差，又能把轴向力传递给螺母(21)，可有效消除因滚珠丝杠组件生产与装配误差产生的影响。

12、所述的一种用于滚珠丝杠组件的跑合与传动比测量装置，其特征在于：伺服电机(22)的输出轴通过膜片联轴器(5)与过渡轴(24)连接，允许伺服电机(22)输出轴与过渡轴(24)之间存在少量的同轴度误差，从而降低对伺服电机(22)的安装要求；依据不同滚珠丝杠组件的长度要求，调整行程开关(25)的位置时，只需将固定长压板的螺栓松开后即可调整行程开关(25)的位置并再次固定，满足不同型号的滚珠丝杠组件实现自动跑合的需要。

13、所述的一种用于滚珠丝杠组件的跑合与传动比测量装置，其特征在于：旋转编码器(31)安装在旋转编码器支架(32)上，转动端夹紧在滚珠丝杠组件的过渡轴(24)上，用于检测滚珠丝杠(10)的旋转角度；光栅尺(19)与光栅尺支座(20)固连，光栅尺支座(20)通过螺栓安装在定位底板(1)上，用于测量丝杠螺母(21)的移动距离。光栅尺(19)的读数头(29)通过螺栓安装在读数头过渡件(30)上，读数头过渡件(30)沿竖直方向加工有长圆孔，便于调节读数头(29)与光栅尺(19)的间隙，以满足测量要求。

14、本发明提出一种用于滚珠丝杠组件的跑合与传动比测量装置，其特征在于：用于滚珠丝杠组件的跑合与传动比测量主要通过控制测试模块与轴向力加载装置与跑合驱动装置相互配合来完成，控制测试模块由运动控制器(33)、伺服驱动器(34)、测控与数据处理程序(35)以及工控机(36)；测控与数据处理程序(35)发送指令到工控机(36)，工控机(36)接受到指令后，传送到运动控制器(33)，运动控制器(33)再发送指令给伺服驱动器(34)，伺服驱动器(34)控制伺服电机(22)与电动缸(2)按照指令进行运动；旋转编码器(31)检测滚珠丝杠(10)的旋转角度；光栅尺(19)测量丝杠螺母(21)的移动距离，并将这些数据信息发送给测控与数据处理程序(35)；对接收的被测滚珠丝杠组件位置角度数据与测控与数据处理程序(35)中设置的数据进行计算，得到滚珠丝杠组件的运动精度；

15、该方法具体步骤如下：

16、步骤1：将被测的滚珠丝杠组件安装在丝杠支撑装置上，通过旋松轴承座支架(17)与轴承座支架压板(16)之间的螺栓，调整两个轴承座(15)之间的间距；并通过定位靠板(18)，使两个轴承座支架(17)保持轴线一致；将滚珠丝杠组件中的滚珠丝杠(10)与过渡轴(24)一端相连，另一端通过膜片联轴器(5)与伺服电机(22)相连；将滚珠丝杠组件中的螺母(21)与施力杆(14)相连，进而调整好滑块(12)位置，并以此调整好两个行程开关(25)位置，通过定位靠板(18)保证行程开关(25)与滚珠丝杠组件轴线平行；将传力架(8)与拉压力传感器(7)固连，并将相连的u形块(6)与电动缸(2)连杆末端球型接头通过插销(4)相连；

17、步骤2：在工控机(36)上执行测控与数据处理程序(35)，按照设定的程序对伺服电机(22)与电动缸(2)进行自检，保证程序与装置均可满足正常试验要求；

18、步骤3：待程序与装置自检完成后，设置相应的跑合工况，包括跑合循环数、跑合轴向距离、跑合速度、螺母(21)轴向载荷等；依据设定值进行滚珠丝杠组件的跑合试验；

19、步骤4：待跑合结束后，检查被测滚珠丝杠组件跑合过程中的相关数据，给出跑合结论；

20、步骤5：旋转编码器(31)安装在旋转编码器支架(32)上，其转动端夹紧在滚珠丝杠组件的过渡轴(24)上，用于检测滚珠丝杠(10)的旋转角度。光栅尺(19)粘贴在光栅尺支座(20)的上表面，用于测量丝杠螺母(21)的移动距离。光栅尺支座(20)通过螺栓安装在试验台底板上，光栅尺(19)的读数头(29)通过螺栓安装在读数头过渡件(30)上，该过渡件又通过螺栓安装在直线导轨组件的滑块(12)上。通过调节读数头(29)与光栅尺(19)的间隙，以满足测量要求。

21、步骤6：在工控机(36)上执行测控与数据处理程序(35)，输入滚珠丝杠组件的类型、安装方式以及导程；启动驱动电机，带动滚珠丝杠组件运动；经过一段时间后，停止滚珠丝杠(10)运动；

22、步骤7：测控程序根据旋转编码器(31)测出的滚珠丝杠(10)转动角度以及理论导程，计算出螺母(21)的理论移动距离；将其与光栅尺(19)实测的螺母(21)实际移动距离做比较，从而得到滚珠丝杠组件的运动精度。

23、所述的一种用于滚珠丝杠组件的跑合与传动比测量装置，其特征在于：旋转编码器(31)内圈与过渡轴(24)一起转动，外圈为光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，有光电发射和接收器件读取，获得四组正弦波信号组合成a、b、c、d，并通过信号数据处理得到此次角度码盘运动位移角度；光栅尺(19)则是通过光读头通过检测莫尔条纹个数，来“读取”光栅刻度，然后再根据驱动电路的作用，得出光栅尺(19)的相对位移和相对速度。

24、本发明的技术方案有益效果在于：

25、(1)本发明可分别对单螺母滚珠丝杠组件与双螺母滚珠丝杠组件进行跑合处理，可对螺母施加大小与方向均可控的轴向力，满足不同加载力工况下的跑合处理；

26、(2)本发明可通过测控与数据处理程序(35)，设置包括跑合循环数、跑合轴向距离、跑合速度、螺母(21)轴向载荷等跑合工况参数，与电动缸(2)、伺服电机(22)以及行程开关(25)之间进行信号交流，实现不同工况下的跑合处理，直观了解产品性能是否满足机器人设备的需要，选择出适合的产品，减少因产品损坏或不能满足设备需要而产生的生产及人工成本；

27、(3)本发明采用模块化的设计原则，各自集成为独立模块，便于安装和搬运。并通过设计压板、长圆孔等结构，能快速调整轴承座、行程开关的位置，满足不同尺寸被测产品的安装、定位和测试。并依靠有着高精度定位面的定位靠板，保证装置中各部件的安装精度；

28、(4)本发明中施力杆(14)上下两部分的包围设计，可有效地将轴向力传递到螺母(21)的轴线方向；另外两端的u型槽，与滑块过渡件(11)上的圆柱销钉(9)形成高副，能适应直线导轨组件轴线与滚珠丝杠组件轴线的不平行度误差，又能把轴向力有效传递给螺母(21)；以及直线导轨组件具有良好的抗弯能力，所以电动缸(2)的偏心推力所产生的弯矩完全由滑块(12)承担而不会作用在螺母(21)上，能有效避免产生翻转力矩；

29、(5)本发明针对双螺母滚珠丝杆组件的两个螺母，需要两套轴向力加载装置，并采取高度不同的层叠式布局，节省了空间；

30、(6)本发明使用了高精度的光栅尺和旋转编码器等电子测量设备代替了传统的机械测量工具，能够生成直观的数据和图像，显著地提高了运动精度测量的效率。