童 亮 王 準(zhǔn)

北京信息科技大學(xué)，北京，100192

0 引言

滾珠絲杠副作為數(shù)控機(jī)床、精密儀器等各種精密機(jī)械設(shè)備中的關(guān)鍵零部件，具有傳動(dòng)效率和傳動(dòng)精度高、能逆向傳動(dòng)、同步性能好、性價(jià)比高等特點(diǎn)，在機(jī)械設(shè)備中應(yīng)用極為廣泛［1－2］。對(duì)其性能（包括疲勞壽命和精度壽命等指標(biāo)）進(jìn)行測(cè)試是保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高產(chǎn)品應(yīng)用水平的重要手段之一［3－4］。目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)滾珠絲杠副相關(guān)性能的測(cè)量技術(shù)呈現(xiàn)如下發(fā)展趨勢(shì)：測(cè)試儀器向自動(dòng)化的方向不斷發(fā)展；用動(dòng)態(tài)連續(xù)測(cè)量的方法獲得與滾珠絲杠工作狀態(tài)一致的精度和物理性能參數(shù)；從單一的導(dǎo)程精度、動(dòng)態(tài)摩擦力矩、接觸剛度等性能指標(biāo)的測(cè)定逐步向綜合性能測(cè)試的方向發(fā)展［5］。

相對(duì)國(guó)外而言，國(guó)內(nèi)有關(guān)滾珠絲杠副測(cè)試的研究工作起步比較晚，測(cè)試技術(shù)水平滿足不了當(dāng)今高速精密滾珠絲杠副性能檢測(cè)的需求，對(duì)國(guó)內(nèi)滾珠絲杠副產(chǎn)品性能的提高形成了制約，所以研究適應(yīng)需求的滾珠絲杠副綜合測(cè)試技術(shù)、開(kāi)發(fā)高速精密檢測(cè)平臺(tái)是很有意義的工作［6］。

筆者以直線電機(jī)為加載機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)為絲杠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、多功能運(yùn)動(dòng)控制卡為運(yùn)動(dòng)控制器，設(shè)計(jì)了滾珠絲杠副高速加載跑合壽命試驗(yàn)機(jī)。該試驗(yàn)機(jī)在完成滾珠絲杠副相關(guān)參數(shù)測(cè)量的同時(shí)，可對(duì)試制產(chǎn)品進(jìn)行壽命試驗(yàn)，為改進(jìn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)提供依據(jù)，另外，也可以在較短的時(shí)間內(nèi)消除絲杠副的初期磨損，使絲杠副在進(jìn)入使用過(guò)程后即處于穩(wěn)定磨損階段。

1 試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)要求及方案

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本要求

（1）試驗(yàn)對(duì)象。高速、精密滾珠絲杠副，直徑32～80mm，全長(zhǎng)1000～2200mm，行程800～1800mm。

（2）試驗(yàn)條件。溫度：（20±3）℃；濕度：40%～70%；噪聲小于75dB；驅(qū)動(dòng)速度可達(dá)到80m／min。

（3）運(yùn)動(dòng)參數(shù)。伺服電機(jī)作為主驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，在加載電機(jī)提供3kN阻力時(shí)，絲杠副最大移動(dòng)速度可達(dá)80m／min以上，加速度可達(dá)到1.5g；在加載電機(jī)提供的持續(xù)阻力達(dá)到5kN時(shí)，絲杠副快移速度可達(dá)到65m／min以上，加速度可達(dá)到1g以上；單次不停機(jī)運(yùn)行時(shí)間不小于50h。

其他需實(shí)現(xiàn)的功能及主要技術(shù)指標(biāo)：

（1）可對(duì)高速滾珠絲杠副進(jìn)行高速往復(fù)跑合，以實(shí)現(xiàn)絲杠副壽命及可靠性的測(cè)試。

（2）可測(cè)試高速滾珠絲杠副的驅(qū)動(dòng)速度和加速度。

（3）可測(cè)試高速滾珠絲杠副的定位精度和重復(fù)定位精度。

（4）可測(cè)量絲杠副的預(yù)緊力矩，并可保存或打印測(cè)量結(jié)果報(bào)告。

（5）可輸入絲杠副的參數(shù)，包括絲杠編號(hào)、直徑（10～100mm）、導(dǎo)程（1～50mm）、鋼球直徑（1～20mm）、行程（100～2000mm）、絲杠全長(zhǎng)（100～2200mm）、精度等級(jí)（1～10），預(yù)緊力矩（0.001～5.00N·m）。

（6）可設(shè)定運(yùn)動(dòng)條件。驅(qū)動(dòng)速度（0～100m／min）、直線電機(jī)提供的推動(dòng)阻力（0～8kN）、跑合時(shí)間（0～1000h）、跑合次數(shù)（0～10 000次）。

（7）可顯示絲杠副的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，包括速度、加速度、承受的負(fù)載、跑合次數(shù)、跑合時(shí)間、定位精度、重復(fù)定位精度。

（8）能實(shí)現(xiàn)上述運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集（測(cè)量）與處理，并可保存或打印運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)報(bào)告。

（9）系統(tǒng)電機(jī)具備熱敏保護(hù)、行程控制、硬限位等安全保護(hù)功能。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)之一是根據(jù)試驗(yàn)絲杠的試驗(yàn)要求及連接方式設(shè)計(jì)試驗(yàn)機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)及加載方式，重點(diǎn)解決以下問(wèn)題：高速重載工況下試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造；實(shí)現(xiàn)高速工況下的可調(diào)、穩(wěn)定加載；絲杠預(yù)拉伸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；試驗(yàn)臺(tái)的整體壽命問(wèn)題。綜合以上考慮，系統(tǒng)選擇了直線電機(jī)作為加載電機(jī)，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

試驗(yàn)機(jī)絲杠由伺服電機(jī)和聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，絲杠螺母與直線電機(jī)的動(dòng)子連接，螺母移動(dòng)，直線電機(jī)始終產(chǎn)生與螺母移動(dòng)方向相反的推力來(lái)加載，系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和控制由計(jì)算機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制卡來(lái)完成，可以實(shí)時(shí)顯示運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的速度、位移等信息，同時(shí)伺服電機(jī)及直線電機(jī)具備熱敏保護(hù)、行程控制、硬限位等安全保護(hù)功能。試驗(yàn)機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)平臺(tái)如圖2。

圖2 試驗(yàn)機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)平臺(tái)

2 試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)機(jī)電控系統(tǒng)的整體實(shí)現(xiàn)如圖3所示。控制系統(tǒng)以多軸運(yùn)動(dòng)控制器為核心，采用“NC嵌入PC”結(jié)構(gòu)組成開(kāi)放式的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，多軸運(yùn)動(dòng)控制器采用PMAC－PCI－Lite卡，計(jì)算機(jī)采用工控機(jī)。這種方案可充分利用計(jì)算機(jī)資源，它不僅具有信息處理能力強(qiáng)、開(kāi)放程度高、可靠性高、運(yùn)動(dòng)軌跡控制精確、通用性好、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，而且還在很大程度上提高了應(yīng)用系統(tǒng)的精度和柔性。系統(tǒng)還包括直線電機(jī)和伺服電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)模塊、光柵和編碼器位置速度反饋裝置、滾珠絲杠副摩擦力矩測(cè)量傳感器、系統(tǒng)配電控制柜及用戶操作界面等部分。

圖3 試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)方案

2.1 多軸運(yùn)動(dòng)控制卡（PMAC卡）

PMAC（programmable multi－axis controller）是美國(guó)Deltu Tau Data System公司遵循開(kāi)放式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)的集運(yùn)動(dòng)軸控制、PLC控制以及數(shù)據(jù)采集等多種功能為一體的運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)品，單控制器最多可以支持32軸同時(shí)高效運(yùn)行。PMAC既可以與PC機(jī)進(jìn)行總線或串口通信，也可以脫離PC機(jī)運(yùn)行，可以控制任何類型的電機(jī)和連接多種反饋裝置，除了可以執(zhí)行運(yùn)動(dòng)程序、PLC程序及電機(jī)伺服更新主要功能以外，PMAC還提供了換相更新、內(nèi)部安全管理、與主機(jī)通信等功能，PMAC提供的上述功能使得PMAC卡能夠安全可靠地工作［7－8］：

2.2 直線電機(jī)及其控制

結(jié)合測(cè)試系統(tǒng)的基本要求和條件，使用直線電機(jī)作為滾珠絲杠負(fù)載加載電機(jī)，由于采用直線電機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電機(jī)－絲杠系統(tǒng)，因而消除了機(jī)械傳動(dòng)鏈及其帶來(lái)的誤差、間隙和速度限制等一系列影響精度、速度和動(dòng)態(tài)性能的環(huán)節(jié)，電機(jī)和負(fù)載之間直接耦合，使系統(tǒng)具備高速度、高加速度、高負(fù)載定位精確性、快速循環(huán)等優(yōu)點(diǎn)，可獲得很高的動(dòng)態(tài)性能，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊。

直線電機(jī)是一種可以直接產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)的電磁裝置。它可以看成由旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)演化而來(lái)（圖4），由定子演變而來(lái)的一側(cè)稱為初級(jí)，由轉(zhuǎn)子演變而來(lái)的一側(cè)稱為次級(jí)。該電機(jī)用永磁體代替了電勵(lì)磁系統(tǒng)，因而省去了電刷、滑環(huán)和勵(lì)磁線圈，但其定子與繞線式同步電機(jī)基本相同，因此稱之為永磁同步直線電動(dòng)機(jī)（permanent magnet synchronous linear motor，PMSLM）［9－10］。

本系統(tǒng)直線電機(jī)持續(xù)推力為8kN，峰值推力為10kN，最大速度為2050mm／s，采用的光柵分辨力為20μm，量程為2100mm。

2.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)的基本要求和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，完成了控制系統(tǒng)軟件和操作界面的設(shè)計(jì)。

圖4 從旋轉(zhuǎn)電機(jī)到直線電機(jī)的演化

控制系統(tǒng)軟件和操作界面主要完成試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置、運(yùn)行過(guò)程參數(shù)實(shí)時(shí)顯示及試驗(yàn)報(bào)告生成等幾部分功能。試驗(yàn)設(shè)置參數(shù)包括絲杠參數(shù)（直徑、長(zhǎng)度、導(dǎo)程、鋼球直徑、行程、預(yù)緊力矩等）設(shè)置和運(yùn)行參數(shù)（行程、運(yùn)行次數(shù)、運(yùn)行速度和加速度、直線電機(jī)加載力等）設(shè)置；實(shí)時(shí)參數(shù)顯示主要包括絲杠運(yùn)行的位置、速度、加速度、阻力、定位誤差、重復(fù)定位誤差，以及力矩測(cè)量模塊中的摩擦力矩等參數(shù)；試驗(yàn)報(bào)告模塊對(duì)運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行記錄、計(jì)算、分析，并在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)形成試驗(yàn)報(bào)告。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

在完成系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)之后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了初步試驗(yàn)。運(yùn)行條件如下：絲杠速度500mm／s、加速度500mm／s2、加載力1000N。試驗(yàn)結(jié)果如圖5～圖9所示。

圖5 絲杠運(yùn)行位置曲線

圖6 絲杠運(yùn)行速度曲線

圖7 絲杠運(yùn)行加速度曲線

圖8 絲杠運(yùn)行定位誤差曲線

圖9 直線電機(jī)加載力曲線

從試驗(yàn)結(jié)果可看出，試驗(yàn)機(jī)準(zhǔn)確地反映了滾珠絲杠副在多個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán)中的位置、速度、加速度、定位誤差和加載力等參數(shù)的變化情況。由于試驗(yàn)采用S形加速過(guò)程，運(yùn)行行程短（800mm），加速時(shí)間也比較短，因此，其位置和速度變化接近于正弦曲線。絲杠運(yùn)行定位誤差也比較小，不超過(guò)20μm。多次的試驗(yàn)結(jié)果表明，該試驗(yàn)機(jī)在連續(xù)穩(wěn)定變負(fù)載的情況下，可以對(duì)滾珠絲杠在高速、高加速度、大負(fù)荷等條件下進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試，可滿足壽命試驗(yàn)機(jī)對(duì)滾珠絲杠副疲勞壽命和精度壽命測(cè)試的要求。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)機(jī)使用直線電機(jī)作為滾珠絲杠負(fù)載加載電機(jī)，具備高速度、高加速度、高負(fù)載定位精確性、快速循環(huán)等優(yōu)點(diǎn)，可獲得很高的動(dòng)態(tài)性能，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊；同時(shí)采用多軸運(yùn)動(dòng)控制卡和工控機(jī)結(jié)合的“NC嵌入PC”結(jié)構(gòu)組成開(kāi)放式的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，結(jié)合完善的軟件操作系統(tǒng)的編制，實(shí)現(xiàn)了直線電機(jī)和旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)的協(xié)調(diào)控制及相關(guān)試驗(yàn)過(guò)程的設(shè)置和管理工作。近一年的運(yùn)行結(jié)果表明，設(shè)備主要部件工作正常、可靠，可滿足長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行的需求。

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