劉永平 陳 禎 芮執(zhí)元 花志雄 謝軍太

（蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅蘭州 730050）

高速進(jìn)給系統(tǒng)的基本要求是高速度、高加速度、高剛度、高精度、輕量化［1］。目前，高速滾珠絲杠副傳動(dòng)系統(tǒng)仍然是高速機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要形式，一般認(rèn)為:驅(qū)動(dòng)速度達(dá)到60 m/min以上，加減速度在1g左右，精度達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T18587.1.3中的p3級(jí)以上，性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求者，可稱之為精密高速滾珠絲杠副［2］。隨著數(shù)控機(jī)床向高速化發(fā)展，滾珠絲杠副出現(xiàn)了溫度上升，噪聲增大，定位精度下降等現(xiàn)象［3］。為了解滾珠絲杠副在不同使用條件下的性能情況，只有通過(guò)模擬性實(shí)驗(yàn)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能檢測(cè)，得到影響系統(tǒng)性能的主要原因，從而針對(duì)相關(guān)問(wèn)題，提出切實(shí)可行的解決方案［4］。

目前，國(guó)內(nèi)高速滾珠絲杠副的發(fā)展水平和國(guó)外存在不小的差距，除原材料和加工設(shè)備的精度因素外，缺乏完善的試驗(yàn)檢測(cè)手段是制約其發(fā)展的一個(gè)重要因素［5］。肖正義［2］、宋現(xiàn)春［6］、張震宇［7］等通過(guò)試驗(yàn)研究了滾珠絲杠副在高速運(yùn)行狀態(tài)下的各種性能情況，然而，在高速運(yùn)行狀態(tài)下，為了有效控制絲杠副的發(fā)熱，滾珠絲杠通常采用空心結(jié)構(gòu)，因此，為了檢測(cè)空心滾珠絲杠副在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下的各種性能參數(shù)，筆者搭建了一套高速滾珠絲杠副動(dòng)態(tài)性能檢測(cè)平臺(tái)。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體方案

1.1 機(jī)械系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為單軸運(yùn)行平臺(tái)，最大進(jìn)給速度為60 m/min，進(jìn)給加速度為1g。選用長(zhǎng)度為800 mm的空心滾珠絲杠作為被測(cè)元件，滾動(dòng)導(dǎo)軌、軸承、相應(yīng)的支撐附件和密封附件、以及伺服電動(dòng)機(jī)等依據(jù)滾珠絲杠和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)的技術(shù)要求通過(guò)計(jì)算進(jìn)行選型，床身采用灰鑄鐵澆注而成?？赏瓿韶?fù)載狀態(tài)下滾珠絲杠副溫度、螺母表面溫度、絲杠變形、絲杠副振動(dòng)、絲杠預(yù)緊力、絲杠驅(qū)動(dòng)速度和加速度以及空心絲杠冷卻過(guò)程進(jìn)出口油溫和壓力等的在線實(shí)時(shí)測(cè)量。數(shù)控系統(tǒng)采用日本FANUC數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集采用比利時(shí)LMS公司的LMS Test.Lab實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。圖1所示為本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成圖。

如圖2所示，試驗(yàn)臺(tái)安裝時(shí)嚴(yán)格保證兩直線導(dǎo)軌和滾珠絲杠在兩方向的平行度，前后軸承采用NSK推力角接觸球軸承，聯(lián)軸器采用德國(guó)KTR梅花型彈性聯(lián)軸器，絲杠螺母選用NSK高速機(jī)床專用螺母，絲杠選用NSK高速機(jī)床專用空心絲杠，支撐單元選用WBK30FD－31，軸端用密封單元采用 WSK25A－01，軸外周用密封單元采用WSK40B－01，選用FANUC交流伺服電動(dòng)機(jī)αi系列電動(dòng)機(jī)，Ⅲ型α22/3000i，額定功率為4 kW。圖3所示為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)三維模型。

1.2 控制系統(tǒng)

數(shù)控系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，滾珠絲杠副將電動(dòng)機(jī)的順、逆旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為配重塊的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。配重塊的重量可以根據(jù)絲杠副的實(shí)際負(fù)重加以調(diào)整。計(jì)算機(jī)中安裝采集和數(shù)據(jù)處理軟件，通過(guò)各種接口和A/D采集卡將傳感器輸出的信號(hào)采集到計(jì)算機(jī)中，然后用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、曲線繪制和檢測(cè)報(bào)告的打印等。圖4所示為本實(shí)驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖。

2 高速滾珠絲杠副動(dòng)態(tài)性能參數(shù)測(cè)試

2.1 試驗(yàn)臺(tái)性能參數(shù)測(cè)試原理

前端傳感器將需要檢測(cè)的溫度、加速度、位移、壓力、流量等信號(hào)傳遞給數(shù)據(jù)采集和控制部分;數(shù)據(jù)采集和控制部分完成對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)同步采集，并同時(shí)控制伺服電動(dòng)機(jī)按照設(shè)定的各種參數(shù)運(yùn)行;采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)各種接口實(shí)時(shí)記錄，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。圖5為本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)動(dòng)態(tài)性能參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)布線圖。

如圖5所示:①、②接電渦流位移傳感器，用于檢測(cè)絲杠左右兩側(cè)軸承座位移;③、④分別接三向加速度傳感器，用于檢測(cè)工作臺(tái)X、Y、Z三個(gè)方向加速度和床身X、Y、Z三個(gè)方向加速度;⑤接流量傳感器，用于檢測(cè)空心絲杠進(jìn)口冷卻油流量;⑥接數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)網(wǎng)線接口;⑦、⑧分別接絲杠左右兩側(cè)溫度傳感器，用于檢測(cè)空心絲杠進(jìn)出口冷卻油溫度;⑨、⑩分別接絲杠左右兩側(cè)貼片式溫度傳感器，用于檢測(cè)左右兩側(cè)軸承座上表面溫度。

圖6所示為本試驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件界面。

2.2 加速度測(cè)量

采用美國(guó)PCB公司的加速度傳感器，用來(lái)測(cè)量檢測(cè)點(diǎn)位置X、Y和Z三個(gè)方向的加速度，軟件中加速度的方向設(shè)置應(yīng)該由加速度傳感器上顯示的方向與試驗(yàn)平臺(tái)本身的方向共同確定。加速度傳感器的測(cè)量分辨率為0.000 1 g。圖7、8所示，分別為進(jìn)給速度為50 m/min時(shí)，床身加速度頻域圖譜和加速度時(shí)域圖譜。

2.3 溫升測(cè)量

通過(guò)在絲杠螺母，空心絲杠進(jìn)出口和前后軸承座等處設(shè)置多路高精度溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)了滾珠絲杠副在工作狀態(tài)下的溫升實(shí)時(shí)測(cè)量。進(jìn)出口油溫采用接觸式溫度傳感器，分辨率為0.1℃;左右軸承座溫升測(cè)量采用PT100貼片式高精度溫度傳感器，分辨率為0.1℃，通過(guò)RS232串口，將各路溫度采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)依次讀入上位機(jī)中，并且顯示實(shí)時(shí)的溫度變化。圖9、10分別為進(jìn)給速度為50 m/min時(shí)，空心絲杠進(jìn)出口油溫曲線和左右軸承座溫升曲線。

2.4 熱位移測(cè)量

采用非接觸式的電渦流位移傳感器，測(cè)量滾珠絲杠在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的熱變形，其分辨率為0.1 μm。電渦流位移傳感器分別安裝在空心滾珠絲杠兩個(gè)端面，安裝時(shí)需保證被測(cè)端面光滑，并且傳感器與被測(cè)端面垂直，傳感器探頭距被測(cè)端面的距離為0.1～1 mm。

2.5 定位精度測(cè)量

采用光柵尺和激光干涉儀，實(shí)現(xiàn)了高速滾珠絲杠副工作狀態(tài)下定位精度和重復(fù)定位精度的測(cè)量。圖12所示為通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)獲得的定位精度測(cè)試軟件顯示界面。

由于系統(tǒng)的溫升引起的變形量，與絲杠拉升或壓縮引起的變形量、絲杠扭轉(zhuǎn)變形引起的軸向變形量、絲杠受自重彎曲引起的軸向變形量、支撐滾珠絲杠軸承軸向變形量和絲杠任意行程內(nèi)變形量，共同構(gòu)成了滾珠絲杠的軸向變形量，引起滾珠絲杠系統(tǒng)精度的變化。

通過(guò)理論計(jì)算得到的精度變化結(jié)果，與采用系統(tǒng)測(cè)試獲得的結(jié)果對(duì)比，后者不大于前者，則說(shuō)明設(shè)計(jì)滿足要求，否則應(yīng)該查找原因予以解決。

3 結(jié)語(yǔ)

利用本試驗(yàn)平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高速運(yùn)轉(zhuǎn)下的空心滾珠絲杠副的加速度、速度、溫升、熱定位、定位精度等動(dòng)態(tài)性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，為空心滾珠絲杠副產(chǎn)品的改進(jìn)提供可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)參考。由于研究還剛剛開(kāi)始，大量實(shí)驗(yàn)有待進(jìn)一步深入分析，希望通過(guò)進(jìn)一步的試驗(yàn)研究、理論研究和經(jīng)驗(yàn)積累，不斷探索滾珠絲杠副動(dòng)態(tài)性能改進(jìn)的方法，為我國(guó)高速滾珠絲杠的產(chǎn)品質(zhì)量提升有所幫助。

［1］宋現(xiàn)春，劉劍，王兆坦，等.高速滾珠絲杠副綜合性能試驗(yàn)臺(tái)的研制開(kāi)發(fā)［J］.工具技術(shù)，2005，39（3）.

［2］肖正義，焦?jié)?高速滾珠絲杠副的研發(fā)和測(cè)試技術(shù)［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2004（4）:95－98.

［3］袁帥.高速精密滾珠絲杠副綜合檢測(cè)技術(shù)研究［D］.大連:大連理工大學(xué)，2004.

［4］夏軍勇.熱彈性效應(yīng)和數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)熱動(dòng)態(tài)特性的研究［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2008.

［5］張伯霖，黃曉明，范夢(mèng)吾，等.高速機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2002（10）:7－11.

［6］宋現(xiàn)春，林明星，艾興，等.誤差輸入前饋補(bǔ)償控制及其在滾珠絲杠磨削中的應(yīng)用［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2002（4）:100－102.

［7］張震宇.高速滾珠絲杠副綜合性能檢測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用［D］.南京:南京理工大學(xué)，2008.