劉 柱，范元?jiǎng)?/p>

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

0 引言

行星滾柱絲杠主要由絲杠、滾柱和螺母三部分組成，具有將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)[1]。相比行星滾珠絲杠，其具有更高的承載能力及使用壽命。行星滾柱絲杠在精密傳動(dòng)領(lǐng)域特別是航空航天領(lǐng)域已經(jīng)得到了越來越多工程師的關(guān)注和肯定。

行星滾柱絲杠的傳動(dòng)效率在實(shí)際工程運(yùn)用中略低于行星滾珠絲杠，這也在很大程度上限制了其在精密傳動(dòng)領(lǐng)域中的使用。

近年來，國內(nèi)外對行星滾柱絲杠的研究越來越多，其主要集中在結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)[2]、嚙合分析[3-5]、摩擦力矩及效率[7-10]分析等方面。但是對行星滾柱絲杠效率的研究大多還停留在理論層面，對行星滾柱絲杠的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方面研究很少。

本文通過對行星滾柱絲杠效率測試試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，制訂了測試方案，并對試驗(yàn)臺(tái)測試誤差進(jìn)行了分析與消除，實(shí)現(xiàn)了對不同軸向載荷下行星滾柱絲杠傳動(dòng)效率的測試。

1 試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)方案

通過對行星滾柱絲杠效率試驗(yàn)臺(tái)功能進(jìn)行分析及細(xì)化。整個(gè)試驗(yàn)裝置由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、測量系統(tǒng)以及傳動(dòng)系統(tǒng)組成。其中，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由具有抱閘功能的伺服電機(jī)給絲杠提供轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，按照實(shí)驗(yàn)需求，驅(qū)動(dòng)電機(jī)需要實(shí)現(xiàn)精確正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，所以在初始施加載荷時(shí)，電機(jī)抱閘限制絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，以保證在測試試驗(yàn)時(shí)，液壓缸加載與電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步；加載系統(tǒng)主要是油壓控制系統(tǒng)和伺服液壓缸；測量系統(tǒng)由轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器和裝拉壓力傳感器組成，分別測量行星滾柱絲杠的輸入轉(zhuǎn)矩和軸向載荷。試驗(yàn)裝置整體示意圖如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置整體方案示意圖

為了測得行星滾柱絲杠在重載下的傳動(dòng)效率，利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有10t液壓伺服缸對滾柱絲杠進(jìn)行軸向加載。因?yàn)楸疽簤焊诪樨Q直安裝，所以試驗(yàn)臺(tái)采用立式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

試驗(yàn)裝置的絲杠處的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示，絲杠安裝在軸承座上，螺母與螺母套筒采用螺栓聯(lián)接，螺母帶動(dòng)螺母套筒一起做軸向移動(dòng)。螺母套筒上端與拉壓力傳感器通過螺紋配合，下端與限轉(zhuǎn)支座通過導(dǎo)向鍵連接。

圖2 絲杠結(jié)構(gòu)示意圖

無論是測量行星滾柱絲杠的傳動(dòng)精度還是傳動(dòng)效率，都需要絲杠的正向轉(zhuǎn)動(dòng)和反向轉(zhuǎn)動(dòng)，由于行星滾柱絲杠行程比較短，如果不能準(zhǔn)確控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)很容易造成絲杠超過行程，會(huì)損壞行星滾柱絲杠；此外為了保證液壓伺服系統(tǒng)在初始施加載荷時(shí)絲杠不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，需要電機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的力矩抵消絲杠由負(fù)載產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。因此本實(shí)驗(yàn)采用帶抱閘的伺服電機(jī)，電機(jī)型號為西門子1FL6，驅(qū)動(dòng)器型號為西門子V90。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

圖3 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖

圖4 效率試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖

本試驗(yàn)臺(tái)為立式結(jié)構(gòu)，且需要承受拉壓力較大，在實(shí)際測試過程中試驗(yàn)臺(tái)會(huì)出現(xiàn)輕微傾斜現(xiàn)象，且S型比圓形拉壓力傳感器更容易出現(xiàn)更大的誤差。因此本文選用了量程為50000N的圓柱形拉壓力傳感器。試驗(yàn)前預(yù)估本次實(shí)驗(yàn)需要的輸入扭矩低于15N·m，所以本實(shí)驗(yàn)采用由Interface公司生產(chǎn)的額定扭矩為20N·m的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器。由東華DH5922N測試平臺(tái)實(shí)時(shí)采集拉壓力傳感器與轉(zhuǎn)矩傳感器的數(shù)據(jù)，通過USB接口實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。效率測試試驗(yàn)裝置實(shí)物如圖4所示，試驗(yàn)臺(tái)整體部分與地面梯形槽固定，利用液壓缸對試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行加載，裝有驅(qū)動(dòng)器和PLC的控制柜控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，數(shù)據(jù)采集卡采集壓力和轉(zhuǎn)矩傳感器測出的數(shù)據(jù),PC機(jī)負(fù)責(zé)編寫PLC程序以及接收采集卡數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)。

2 傳動(dòng)效率測試原理與方法

2.1 傳動(dòng)效率測試原理

本實(shí)驗(yàn)的行星滾柱絲杠工作方式為：絲杠作為輸入端做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，螺母為輸出端做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。通常情況下，傳動(dòng)效率定義為輸出功率與輸入功率的比值。由行星滾柱絲杠運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，推導(dǎo)出行星滾柱絲杠傳動(dòng)效率計(jì)算公式如下：

(2)

式中，η為行星滾柱絲杠傳動(dòng)效率；F為螺母軸向載荷，；v為螺母移動(dòng)速度；M為行星滾柱絲杠輸入轉(zhuǎn)矩，n為絲杠轉(zhuǎn)速，M測為轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器所測轉(zhuǎn)矩，M阻為試驗(yàn)裝置阻力矩，由試驗(yàn)測得；P為絲杠導(dǎo)程。

進(jìn)行傳動(dòng)效率測試實(shí)驗(yàn)時(shí)，只需測出行星滾柱絲杠輸出端的軸向載荷和輸入端的轉(zhuǎn)矩兩組數(shù)據(jù)。

2.2 試驗(yàn)裝置阻力矩測量

絲杠端輸入扭矩誤差主要由兩個(gè)方面造成，一方面是測量系統(tǒng)存在的誤差，另一方面是試驗(yàn)臺(tái)的本身機(jī)械結(jié)構(gòu)。對于測量系統(tǒng)存在的誤差，主要通過選用高精度傳感器和減少數(shù)據(jù)信號干擾等方式減小其誤差影響；而機(jī)械結(jié)構(gòu)造成的誤差主要是試驗(yàn)裝置中軸承和聯(lián)軸器產(chǎn)生的。所以本次試驗(yàn)測得的扭矩值為聯(lián)軸器阻力轉(zhuǎn)矩、軸承阻力轉(zhuǎn)矩與絲杠實(shí)際轉(zhuǎn)矩之和。如圖5所示。

圖5 裝置誤差來源

圖6 軸承安裝示意圖

對于聯(lián)軸器的扭矩?fù)p耗可以查詢生產(chǎn)手冊得到不同扭矩下的扭矩?fù)p耗；為了測出軸承阻力矩對效率測試實(shí)驗(yàn)的影響程度，采用如圖6所示的軸承安裝方式將軸承安裝在試驗(yàn)臺(tái)上，對軸承外圈施加載荷F，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸承內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)。 所測得試驗(yàn)裝置阻力矩如圖7所示，由圖可以看出，軸承受到的軸向載荷越大，其產(chǎn)生的阻力矩也越大，所以在重載情況下，試驗(yàn)臺(tái)中的軸承阻力矩不可忽略。

圖7 試驗(yàn)裝置阻力矩

2.3 傳動(dòng)效率測試方法

完成試驗(yàn)臺(tái)的安裝后，為了保證本實(shí)驗(yàn)可以連續(xù)的數(shù)據(jù)采集，在伺服電機(jī)連續(xù)正反轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，液壓缸施加的載荷方向也應(yīng)該隨之改變，因此將液壓缸的輸出載荷設(shè)置為如圖8所示的交變載荷。

圖8 加載運(yùn)動(dòng)曲線

為了減少液壓缸在施加交變載荷時(shí)對行星滾柱絲杠副造成的沖擊和振動(dòng)，應(yīng)使液壓缸的輸出載荷平穩(wěn)過渡到設(shè)定值。并且實(shí)驗(yàn)要求在低速的情況下完成以減小滑移現(xiàn)象對傳動(dòng)效率的影響[11]。

利用數(shù)據(jù)采集卡對行星滾柱絲杠的軸向載荷和轉(zhuǎn)矩該數(shù)據(jù)采集和紀(jì)錄。

3 試驗(yàn)結(jié)果

對表1所示參數(shù)行星滾柱絲杠進(jìn)行效率測試。

表1 行星滾柱絲杠幾何參數(shù)

試驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 行星滾柱絲杠傳動(dòng)效率數(shù)據(jù)表

計(jì)算得到行星滾柱絲杠傳動(dòng)效率與軸向載荷的關(guān)系如圖9所示。

從圖9我們可以看出，行星滾柱絲杠的實(shí)際效率最低為80%。該樣件理論傳動(dòng)效率為88.07%，本實(shí)驗(yàn)在不同載荷測得的傳動(dòng)效率均低于理論數(shù)值，這是符合實(shí)際情況的，且差值都在可接受范圍內(nèi)。在理論計(jì)算中，還有好多因素沒有考慮到：絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，螺紋接觸點(diǎn)處存在滑移現(xiàn)象，且軸向載荷越大，滑移現(xiàn)象越嚴(yán)重，相應(yīng)的傳動(dòng)效率也會(huì)降低，與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果相符合；行星滾柱絲杠副傳動(dòng)不僅存在螺紋間的摩擦，還有滾柱兩端齒輪與螺母之間的摩擦以及擋圈與滾柱之間的摩擦等，這些摩擦損耗在理論計(jì)算中并沒有考慮到；試驗(yàn)臺(tái)本身結(jié)構(gòu)的震動(dòng)和摩擦損耗等都會(huì)影響到其傳動(dòng)效率的測試。

圖9 行星滾柱絲杠效率曲線

4 結(jié)論

(1)文中通過對行星滾柱絲杠效率試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并考慮了實(shí)際存在的轉(zhuǎn)矩測量誤差，繪制出了在高負(fù)載下行星滾柱絲杠的傳動(dòng)效率曲線圖；

(2)對行星滾柱絲杠傳動(dòng)效率進(jìn)行測試，試驗(yàn)結(jié)果表明，在重載情況下行星滾柱絲杠的傳動(dòng)效率可以穩(wěn)定在80%以上。