趙子元,石照耀*,于 渤,葉曙兵,沈亞強

(1.北京工業(yè)大學 北京市精密測控技術(shù)與儀器工程研究中心,北京 100124;2.深圳市兆威機電股份有限公司,廣東 深圳 518105)

0 引 言

絲杠副傳動系統(tǒng)由絲杠和螺母組成,可將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動。從摩擦特性的角度對絲杠副進行分類,可分為滑動絲杠副、滾動絲杠副和靜壓絲杠副3類[1]。滑動絲杠副具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便的優(yōu)點,在機床的進給、調(diào)整和一般精度的運動系統(tǒng)中得到了廣泛應用。

由于滑動絲杠副的摩擦阻力大,傳動效率低,通常只有30%～40%[2],限制了滑動絲杠副的應用。因此,研究新型材料的滑動絲杠副,從而減小摩擦、提高傳動效率,成為近年來的研究熱點[3-6]。

隨著高性能工程塑料的發(fā)展,以及塑料設(shè)備、工藝的進步,出現(xiàn)了利用塑料材質(zhì)螺母替代金屬螺母和金屬絲杠配合的絲杠副,為絲杠副傳動效率的提升提供了新的研究思路[7-9]。傳動效率是評價絲杠副傳動性能的重要的參數(shù),因此,對塑料螺母與金屬絲杠配合的絲杠副在不同載荷工況下的傳動效率研究具有重要意義。

當前,國內(nèi)外從事塑料螺母-滑動金屬絲杠副傳動試驗的研究不多。我國在絲杠副產(chǎn)品方面的研究起步較晚,在檢測技術(shù)和檢測設(shè)備方面較弱,并且研究方向主要集中于對金屬絲杠副和滾珠絲杠副的性能研究[10]。

文獻[11]提出了一種對塑料蝸桿傳動效率的測試方法,并據(jù)此搭建了一套完整的測試系統(tǒng)。文獻[12]搭建了研究小模數(shù)蝸桿傳動效率和振動噪聲的測試系統(tǒng),并采用該系統(tǒng)測試了模數(shù)為0.5 mm、導程角為5°～8°的塑料蝸輪的效率和噪聲。文獻[13]利用有限元分析手段,從理論的角度分析了螺旋傳動中酚醛樹脂螺母螺牙的載荷分布情況。文獻[14]提出了一種重載型的新式螺母制造方案(螺母以鋼為基體,襯層為碳纖維織物增強聚合物自潤滑復合材料),并研制了630 kN壓力機測試螺母傳動效率;測試結(jié)果表明,在不同負載下,新式絲杠副的傳動效率范圍為59.8%～76.5%。文獻[15]設(shè)計了一種偏心螺旋傳動試驗臺,并開展了對偏心螺旋傳動裝置的研究,提出了面向偏心螺旋傳動裝置的導程和傳動效率的測試方法。文獻[16]開發(fā)了滑動螺旋效率測試系統(tǒng),該系統(tǒng)可測試不同形狀螺紋的螺旋傳動效率,具有較高的借鑒價值。文獻[17]針對金屬螺母-金屬滑動絲杠副研制了試驗臺,解決了金屬絲杠副的傳動性能的測試問題。

上述測試設(shè)備的研究大多局限于解決大型、重載型金屬螺母-金屬絲杠的測試問題,以及對塑料蝸輪蝸桿方面進行的研究,而對當前新型的小型、帶載荷的塑料材質(zhì)螺母和金屬絲杠作用的絲杠副傳動效率進行的研究較少,且對其測試設(shè)備也鮮有報導。

針對小型、帶載荷的塑料螺母與滑動金屬絲杠配合的絲杠副傳動效率測量問題,本文提出采用螺母旋轉(zhuǎn)-絲杠直線運動的方法對傳動效率進行測試,并研制絲杠副傳動效率測試系統(tǒng)。

1 測量原理

根據(jù)效率計算的定義,絲杠副的傳動效率為輸出功率和輸入功率之比,即:

(1)

在實際測試時,可根據(jù)絲杠副運動過程中力矩和軸向負載力的關(guān)系進行計算,即:

(2)

式中:Fax—輸出端軸向負載力;P—絲杠導程;T—扭矩值。

與絲杠副傳動的數(shù)學模型計算傳動效率相比,該方法只需獲取絲杠副導程、絲杠副運動過程中輸入端的扭矩值T和輸出端的軸向負載力Fax,即可計算出絲杠副的傳動效率;同時,在測量過程中,只要保證軸向負載力Fax和扭矩T的精度,即可保證傳動效率測試精度,說明該方法有效可行。

測量原理如圖1所示。

圖1 測量原理T—扭矩;Fax—軸向負載力

圖1中:以扭矩T驅(qū)動塑料螺母進行旋轉(zhuǎn)運動,金屬絲杠的回轉(zhuǎn)自由度被限制,因此,金屬絲杠進行直線運動。在運動過程中,金屬絲杠擠壓彈簧產(chǎn)生軸向負載力Fax,測量該運動過程中的扭矩T和軸向負載力Fax。

2 測量系統(tǒng)工作原理及構(gòu)成

2.1 測試系統(tǒng)工作原理

本文研發(fā)的微小型塑料螺母金屬絲杠副傳動效率測試系統(tǒng)可實現(xiàn)絲杠副的正、反轉(zhuǎn)運動,實時采集運動過程中的軸向力Fax和扭矩T,最終可獲得不同載荷工況下傳動效率的測量。

該系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 測試系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

在該測試系統(tǒng)中,伺服電機作為測試系統(tǒng)的驅(qū)動端,PLC模塊接收到來自上位機的控制指令并傳輸給伺服電機的驅(qū)動器,驅(qū)動器接收到指令信號后控制伺服電機輸出滿足測試要求的轉(zhuǎn)角,扭矩傳感器通過聯(lián)軸器與伺服電機的輸出軸相連;被測絲杠副裝夾在專用工裝,工裝輸入端連接扭矩傳感器,輸出端連接軸向負載力傳感器(測量絲桿副的軸向負載力值),軸向負載力傳感器后方安裝負載機構(gòu)。

測試系統(tǒng)的工作原理如圖2所示。

圖2 測試系統(tǒng)工作原理

圖2中,數(shù)據(jù)采集模塊將采集到的扭矩值和軸向負載力值傳輸?shù)缴衔粰C軟件,上位機軟件進行數(shù)據(jù)處理并進行圖形化顯示,直觀顯示絲杠負載力與扭矩之間的關(guān)系,實現(xiàn)對微小型、帶載荷的塑料螺母-金屬絲杠副傳動效率的測試。

2.2 測試系統(tǒng)構(gòu)成

測試系統(tǒng)實物外形圖如圖3所示。

圖3 測試系統(tǒng)實物圖

圖3中,測試系統(tǒng)主要由精密機械系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和運動控制系統(tǒng)3大部分組成。精密機械系統(tǒng)是測試臺的基礎(chǔ)部分,其結(jié)構(gòu)布局、可靠性、穩(wěn)定性以及精度都影響最終的測量結(jié)果;扭矩和負載力測量系統(tǒng)組成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)則保證測試數(shù)據(jù)的準確性。

除此之外,可靠的控制系統(tǒng)是保證機械系統(tǒng)完成指定測試動作的重要前提。

3 測試系統(tǒng)設(shè)計

3.1 機械結(jié)構(gòu)

測試系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

測試系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)采用臥式機構(gòu),具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、定位精度高等優(yōu)點[18]。系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)主要包括基座、伺服電機、扭矩傳感器、裝夾工裝、負載力傳感器、負載機構(gòu)。

輸入端伺服電機和扭矩傳感器固定在精密安裝支架,按同一軸線方向安裝到平臺底座;裝夾工裝與扭矩傳感器保持同一軸線安裝在平臺底座;工裝輸出端和負載機構(gòu)中間安裝負載力傳感器,整個系統(tǒng)采用工業(yè)PC控制,研發(fā)專用測量軟件,可實現(xiàn)微小絲杠副傳動效率的自動測量。

絲杠副裝夾工裝是整個試驗臺的關(guān)鍵組成部分,直接影響被測絲杠副的安裝精度和拆裝復雜程度,關(guān)系到整個試驗臺的精度和使用穩(wěn)定性[19]。

該試驗臺采用絲杠副裝夾工裝與主軸軸系相結(jié)合的設(shè)計方法,減少了試驗臺的中間連接環(huán)節(jié),從根源上減少了試驗臺的機械系統(tǒng)誤差對測試結(jié)果產(chǎn)生的影響,增加了試驗臺的穩(wěn)定性,提高了測試精度。

工裝主要由安裝主軸、帶動轉(zhuǎn)銷、軸承座等構(gòu)成。主軸右側(cè)采用端面法蘭加中孔結(jié)合方式,端面有帶動轉(zhuǎn)銷,用來安裝被測塑料螺母配合的齒輪;被測絲杠的直線運動通過絲杠抱緊裝置和滾珠花鍵實現(xiàn)。

開始測量時,首先要將齒輪安裝在主軸的法蘭盤上,然后將被測絲杠副安裝在滾珠花鍵軸的定位芯軸,并被抱緊裝置鎖緊,令被測絲杠無法轉(zhuǎn)動,最后將被測絲杠副送進齒輪內(nèi)孔,即可完成被測絲杠副的安裝。

絲杠副安裝示意圖如圖5所示。

圖5 絲杠副安裝示意圖

3.2 測控系統(tǒng)

測控系統(tǒng)主要由運動控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)兩部分組成。運動控制系統(tǒng)由伺服電機、驅(qū)動器組成,扭矩采集系統(tǒng)和負載力采集系統(tǒng)組成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),數(shù)據(jù)采集模塊將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C測試軟件,經(jīng)數(shù)據(jù)處理后得出測試結(jié)果,并由測量軟件圖形化表示。

測控系統(tǒng)原理圖如圖6所示。

圖6 測控系統(tǒng)

3.3 測控軟件

測控軟件架構(gòu)由上位機軟件和下位機軟件兩部分構(gòu)成,實現(xiàn)對整個測試系統(tǒng)的控制[20]。

軟件框架如圖7所示。

圖7 軟件架構(gòu)

上位機軟件采用C++編程語言編寫,實現(xiàn)人機交互界面的設(shè)計、測量參數(shù)的輸入、測量結(jié)果和曲線的顯示、報表的打印等功能。下位機控制主要由運動控制模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊組成。

4 系統(tǒng)測試試驗

為了驗證該測試系統(tǒng)的功能是否能達到設(shè)計的要求,并深入研究塑料螺母-金屬絲杠副的傳動效率,筆者對絲杠副進行了測試試驗。

被測絲杠副的參數(shù)如表2所示。

表2 絲杠副參數(shù)

試驗過程中,筆者以該微小型絲杠副傳動效測試系統(tǒng)為試驗手段,對絲杠副分別進行了3類試驗:

(1)單次測試試驗;

(2)重復性試驗;

(3)類比性試驗。

4.1 單次測試試驗

在單次測試試驗中,筆者選取一組全新的塑料螺母-金屬絲杠副進行單次傳動效率測試。

單次傳動效率的測試結(jié)果如圖8所示。

圖8 測試結(jié)果曲線

圖8中,1號實線為被測絲杠副將輸入端扭矩值轉(zhuǎn)化為輸出端軸向力的理論值,2號線為力傳感器實測值。

本次測試結(jié)果顯示:負載力為5 500 N,傳動效率為83.818%。

4.2 重復性試驗

接下來,筆者選取3組全新的絲杠副(編號分別為a、b、c)進行重復性測試,每組試驗共重復測量10次。

重復性測試結(jié)果的曲線如圖9所示。

圖9 重復性試驗結(jié)果

通過圖9可以看出:絲杠副傳動效率的測量結(jié)果呈現(xiàn)出開始逐步增大,然后趨于平穩(wěn)的趨勢。

上述3組絲杠副重復性測試結(jié)果的具體數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 重復性試驗結(jié)果(%)

通過表3可看到:在重復性測試中,傳動效率測試結(jié)果的極差較大。

產(chǎn)生該種現(xiàn)象的原因是因為被測絲杠副為新工件,金屬絲杠和塑料螺母的工作螺紋表面存在突觸、毛刺原因等,使其表面粗糙度較大,導致其摩擦系數(shù)較大,所以前幾次的測試結(jié)果偏小;在后面的測試中,由于絲杠副經(jīng)過多次加載磨合,工件的表面粗糙度變小而逐漸趨于光滑,摩擦系數(shù)變小,測試結(jié)果逐漸趨于穩(wěn)定。

4.3 類比性試驗(隨機性試驗)

筆者選取塑料螺母1、2,被測絲杠m、n隨機組合測試,進行隨機性試驗;并將被測工件分為4種組合:(1)塑料螺母1和絲杠m;(2)塑料螺母1和絲杠n;(3)塑料螺母2和絲杠m;(4)塑料螺母2和絲杠n。每種組合共測試10次。

從上述重復性試驗得到的結(jié)論可知:絲杠副的傳動效率存在逐漸增大,再逐漸趨于穩(wěn)定的趨勢,因此,在此處的類比性試驗(隨機性試驗)中,測試結(jié)果剔除了前3次測量結(jié)果。

最后得到類比性試驗(隨機性試驗)結(jié)果的具體數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 測試結(jié)果(%)

從表4可以看出:

(1)在4種組合中,螺母2和絲杠b的組合傳動效率最高,測試結(jié)果平均值為82.521%,比其他3種組合傳動效率值約高1%,說明該對組合配合程度較好,傳動效率較高;

(2)測試10次的傳動效率結(jié)果標準偏差在1%以內(nèi),說明在隨機組合測試的情況下,被測絲杠副傳動效率仍保持在合理范圍內(nèi)。

5 結(jié)束語

為了對小型、帶載荷的塑料螺母與滑動金屬絲杠配合的絲杠副傳動效率進行測量,本文提出了一種采用螺母旋轉(zhuǎn)-絲杠直線運動的方式來測試傳動效率,并研制出了一套絲杠副傳動效率測試系統(tǒng),最后對被測的塑料螺母-金屬絲杠副進行了測試試驗。

測試及研究結(jié)果表明:

(1)筆者研制的絲杠副傳動效率測試系統(tǒng)滿足測試要求,測試系統(tǒng)的測量結(jié)果分散性小,具有較高的重復性;

(2)工況模擬實驗表明,塑料螺母與滑動金屬絲杠配合的絲杠副具有較高的傳動效率,在5 500 N的負載下可達83.818%,傳動效率比以金屬為基底、表面帶有自潤滑織物涂層的絲杠副提高了約15%;

(3)對于同一組絲杠副,效率值隨試驗次數(shù)增加而提高,表明塑料螺母的生產(chǎn)工藝可能對傳動效率產(chǎn)生影響,通過降低表面粗糙度可以提高滑動絲杠副的傳動效率。

該測試系統(tǒng)可用于測試不同負載下的絲杠副傳動效率,便于對塑料螺母的摩擦特性和負載間的關(guān)系作進一步研究;同時,可以為今后改進塑料螺母的生產(chǎn)工藝提供參考。