丝杠副试验台包括试验台机身、位于试验台机身上的滚珠丝杠副25 以及由滚珠丝杜副驱动的模拟工作台23,轴向加载试验台连接在模拟工作台23上，轴向加 载试验台包括加载台机身、设置在加载台机身上的卷动体以及缠绕在卷动体上的加载绳， 在本实施例中，卷动体为滑轮3,加载绳选用钢丝绳4。钢丝绳4的另一端连接在模拟工作 台23上，在加载台机身上还设置有作用在滑轮3上用于控制钢丝绳4加载在模拟工作台23 上加载力大小的加载力调节装置。
[0037] 加载力调节装置采用制动卡钳8,制动卡钳包括控制器30、与控制器连接的加载 电源、与加载电源连接的直流电磁铁9以及连接在电磁铁上的刹车片5,刹车片5优选复合 材料。刹车片5在电磁铁9的作用下与滑轮3轮面接触，并在加载电源可调节的电流下产 生不同的制动力。
[0038] 制动卡钳还包括一制动卡钳支座，电磁铁9和刹车片5设置在该制动卡钳支座上， 该制动卡钳支座与加载台机身固连。制动卡钳支座上有滑槽，电磁铁安装在滑槽中，刹车片 5固定在电磁铁内侧与滑轮轮面接触。
[0039] 本发明的工作流程：滚珠丝杠副24启动后，模拟工作台23向远离轴向加载试验 台6的方向运行，拉动固定在工作台23侧面拉压力传感器24上的钢丝绳4进行轴向位移。 通过动态控制器对电磁铁9施加电流，电磁铁9通电吸合与滑轮3产生压力，将刹车片5加 压于滑轮轮面上，利用复合材料刹车片5与滑轮轮面的摩擦产生的阻力模拟轴向载荷的施 加。动态输出反馈控制器可实现对加载力的大小、加载力波形，加载时间等参数的设置从而 控制电流大小随时间进行变化，同时固定在模拟工作台上的拉压力传感器2将得到的信号 通过信号放大器放大后反馈给动态输出反馈控制器，实现闭环控制。
[0040] 本发明通过控制直流电磁铁电流大小来控制安装在电磁铁内侧的刹车片与滑轮 轮面的压力，进而在钢丝绳的带动下，滑轮旋转产生摩擦力。忽略钢丝绳与滑轮绕线轴的摩 擦阻力，工作台受到单根钢丝绳拉力F可以计算得到。电磁铁与滑轮面间产生的压力匕，其 中，复合材料刹车片与滑轮的摩擦系数μ，滑轮半径R，滑轮绕线轴半径为r。
[0041 ]F=μ^F^R/r(1)
[0042] 直流电磁铁吸力：
[0043]
[0044] 其中：Φ:通过铁芯极化面的磁通量Mx
[0045] S:为铁心极化面面积cm2
[0046]δ:未吸合时衔铁和铁芯的气隙长度cm
[0047]α:修正系数，一般在3~5之间，在此可取其中间值α= 4
[0048] 在式（1)中磁通量为：
[0049] Φ=Iff*G5*108 (3)
[0050] 其中：IW:线包的安匝值
[0051]Gs:工作磁通的磁导Η
[0052] 在式⑵中工作磁通的磁导为：
[0053]
[0054] 其中：R。:衔铁旋转位置到铁芯中心的长度cm
[0055] μ。:空气中的磁导率为0. 4π*10sH/cm
[0056]r:极化面的半径cm
[0057] 根据式（2)_⑷可求出直流电磁铁电流大小：
[0058]
[0059] 首先确定滚珠丝杜副所需模拟加载的轴向力大小为2F-根据式（1)计算出电磁 铁与滑轮间的接触压力匕一动态输出反馈控制器设置电流大小一滚珠丝杠副启动一实现 轴向加载。
[0060] 参见图4所示，滚珠丝杠副进给实验台底座10为花岗石材质，底座10为中部凹陷 结构，凹陷平面为安装面，安装有T型槽滑轨29。T型槽滑轨29上安装有电机座12、固定 端支撑单元座13和支撑端支撑单元座20。同时，T型槽滑轨中间安装有直线导轨18,用以 控制导向精度。伺服电机11安装于电机座12上，并与联轴器27相联。试验台采用一端固 定，一端支撑的安装方式，滚珠丝杜副25靠近伺服电机11的一端为固定端，由安装在固定 端支撑单元座13上的固定端支撑单元26支撑并轴向固定，再联至联轴器27。另一端为支 撑端，由安装在支撑端支撑单元座20上的支撑端支撑单元19支撑。固定端支撑单元座13 安装有前旋转编码器14,支撑端支撑单元座20安装有后旋转编码器17,前后两旋转编码器 都套在滚珠丝杠副25的丝杠轴上。滚珠丝杠副25的螺母通过其法兰面安装在螺母套15 上，螺母套15安装于模拟工作台23上。工作台23的两端分别架设在两条直线导轨16上。 直线导轨16安装在导轨座28上。工作台23的一侧还安装有光栅尺扫描头22,连接到直线 光栅尺21的安装块上。直线光栅尺21水平安装于底座10的安装面上。
[0061] 滚珠丝杠副试验台配有500kg质量块，同时可实现对工作台模拟施加竖直方向的 负载，每一块质量块为25kg，通过螺栓固定在工作台上。
【主权项】
1. 一种滚珠丝杠副轴向加载装置，包括轴向加载试验台和滚珠丝杠副试验台，所述滚 珠丝杠副试验台包括试验台机身、位于所述试验台机身上的滚珠丝杠副以及由所述滚珠丝 杠副驱动的模拟工作台，所述轴向加载试验台与所述模拟工作台连接，其特征在于：所述轴 向加载试验台包括加载台机身、设置在所述加载台机身上的卷动体以及缠绕在所述卷动体 上的加载绳，所述加载绳的另一端连接在所述模拟工作台上，在所述加载台机身上还设置 有作用在所述卷动体上用于控制所述加载绳加载在所述模拟工作台上加载力大小的加载 力调节装置。2. 根据权利要求1所述的滚珠丝杠副轴向加载装置，其特征在于：所述加载力调节装 置为制动卡钳，该制动卡钳包括控制器、与所述控制器连接的加载电源、与所述加载电源连 接的电磁铁以及连接在所述电磁铁上的刹车片，所述刹车片在所述电磁铁的作用下与所述 卷动体接触，并在所述加载电源不同的电流下产生不同的制动力。3. 根据权利要求2所述的滚珠丝杠副轴向加载装置，其特征在于：所述制动卡钳还包 括一制动卡钳支座，所述电磁铁和刹车片设置在该制动卡钳支座上，该制动卡钳支座与所 述加载台机身固连。4. 根据权利要求3所述的滚珠丝杠副轴向加载装置，其特征在于：所述制动卡钳支座 上有滑槽，所述电磁铁安装在滑槽中，所述刹车片固定在电磁铁内侧。5. 根据权利要求1所述的滚珠丝杠副轴向加载装置，其特征在于：所述加载台机身上 安装有两端对称的固定支座，在两个固定支座之间设置有圆柱轴，在所述圆柱轴上安装所 述的卷动体，该卷动体为两个滑轮，在每个所述滑轮缠绕一根所述加载绳。6. 根据权利要求2所述的滚珠丝杠副轴向加载装置，其特征在于：在所述模拟工作台 上设置有拉压力传感器，该拉压力传感器与所述控制器连接用于反馈控制所述加载电源的 输出电流大小，所述加载绳连接在该拉压力传感器上。7. 根据权利要求6所述的滚珠丝杠副轴向加载装置，其特征在于：所述加载绳与所述 拉压力传感器中心重合。8. 根据权利要求1所述的滚珠丝杠副轴向加载装置，其特征在于：在所述滚珠丝杠副 试验台机身上安装有位于滚珠丝杠副两侧的直线导轨，每侧直线导轨上安装有两块直线导 轨滑块，所述模拟工作台设置在所述两块直线导轨滑块上。9. 根据权利要求8所述的滚珠丝杠副轴向加载装置，其特征在于：在所述滚珠丝杠副 试验台安装有提供动力源的伺服电机，伺服电机的输出轴进过联轴器与滚珠丝杠副一端相 连；滚珠丝杠副一端通过固定端支撑单元安装在固定端支撑单元座上，另一端通过支撑端 支撑单元安装在支撑端支撑单元座上；滚珠丝杠副两端各安装有一个旋转编码器；丝杠副 试验台机身侧面安装有光栅尺。10. 根据权利要求9所述的滚珠丝杠副轴向加载装置，其特征在于：所述滚珠丝杠副一 端通过轴承安装在固定的密封单元支架上，所述滚珠丝杠副的另一端通过轴承安装在轴承 座上，滚珠丝杠副螺母通过螺母套安装在模拟工作台下部；所述滚珠丝杠副试验台底座采 用中部凹陷结构，凹陷平面上安装有T型槽滑轨；电机座、固定端支撑单元座和支撑端支撑 单元座通过槽用螺栓固定在花岗岩底座上，T型槽滑轨中间安装有一个直线导轨，用以保证 轴向位置精度。
【专利摘要】本发明公开了一种滚珠丝杠副轴向加载装置，包括轴向加载试验台和滚珠丝杠副试验台，滚珠丝杠副试验台包括试验台机身、位于试验台机身上的滚珠丝杠副以及由滚珠丝杠副驱动的模拟工作台，轴向加载试验台与模拟工作台连接，轴向加载试验台包括加载台机身、设置在加载台机身上的卷动体以及缠绕在卷动体上的加载绳，加载绳的另一端连接在模拟工作台上，在加载台机身上还设置有作用在卷动体上用于控制加载绳加载在模拟工作台上加载力大小的加载力调节装置。本发明可实现对不同型号的滚珠丝杠副进行竖直方向惯性负载与动态轴向负载的施加。本发明装置结构简单，操作方便，运动与测试响应实时性能好，有一定的可靠性。
【IPC分类】G01M13/02
【公开号】CN105372061
【申请号】CN201510780224
【发明人】汤文成, 朱彦清, 包达飞, 徐楠楠, 钱智婷, 安树阳
【申请人】东南大学
【公开日】2016年3月2日
【申请日】2015年11月13日