滾珠絲杠副摩擦力矩動態測量系統設計*

李春梅 馮虎田 韓 軍 殷愛華

（南京理工大學機械工程學院，江蘇南京 210094）

滾珠絲杠副摩擦力矩動態測量系統設計*

李春梅 馮虎田 韓 軍 殷愛華

（南京理工大學機械工程學院，江蘇南京 210094）

介紹了滾珠絲杠副摩擦力矩動態測量系統的設計，包括系統方案，測量原理，軟件流程和數據處理與分析等，并給出了HJG－S系列滾珠絲杠副動態摩擦力矩的測試結果。該系統測量可靠，實用性強，已在陜西漢江機床有限公司穩定運行。

滾珠絲杠副 摩擦力矩 動態測量 數據處理與分析

滾珠絲杠副是在絲杠與螺母的螺旋槽之間放置適量滾珠作為中間傳動體，借助滾珠返回通道，構成滾珠在閉合回路中循環的新型螺旋傳動機構。滾珠絲杠副是數控機床的關鍵功能部件，其質量的優劣直接影響數控機床的整體性能，高性能的數控機床離不開高性能的功能部件［1］。而摩擦力矩是滾珠絲杠重要的使用性能之一，它直接影響到能量的損耗、溫度的變化（過分的溫升將導致潤滑劑惡化、磨損加劇，甚至導致工作表面燒傷）以及吸聲、振動的變化［2，3］。國外許多知名的滾珠絲杠制造公司，除了致力于研究開發先進的精密加工設備外，都始終把檢測手段的更新換代放在優先的地位，所以他們不僅擁有大量的精密加工機床，而且還有全套的、先進的質量檢測設備，這使得他們的產品質量、性能以及產量都始終處于世界領先地位。研究開發先進的絲杠檢測手段，縮小與國外滾珠絲杠副生產水平的差距，也是當前我國絲杠產業的重要任務。

在滾珠絲杠副的研究生產中，人們一直致力于對絲杠副摩擦力矩的測量及研究。早在1963年，日本的瀨善三郎就用砝碼和彈簧吊秤來測量滾珠絲杠副啟動時的摩擦力矩，進行了載荷、滾珠滾道面、滾珠直徑、潤滑劑、導槽等因素對摩擦力矩的影響的研究。上世紀70年代出現了動態摩擦力矩測量系統，80年代中期美國“WARNER－BEAVER”將微機引入摩擦力矩動態測量系統進行數據處理，摩擦力矩測量系統逐漸成為滾珠絲杠副質量控制、監測以及性能研究不可或缺的測量儀器。

經過多年的開發和試驗，目前國際上已經形成了一套較為完整的滾珠絲杠副檢測體系，它們包括有：導程精度測量儀、觸針式輪廓測量儀、動態預緊力矩儀、摩擦力矩測量儀、壽命試驗機和接觸剛度測量機等。國內比較有代表性的有北京機床研究所1997年研制的“LJYl0滾珠絲杠副動態預緊轉矩測量儀”［4］和山東濟寧博特精密絲杠有限公司研制的“SMLC－2000型摩擦力矩測量儀”［5～8］。這些測量儀中所用的傳感器都是力傳感器，如果機械結構精度不高，就會在計算力矩時由力臂引入誤差。本文對陜西漢江機床有限公司原有的一臺滾珠絲杠疲勞試驗跑合機進行技術改造，采用力矩傳感器直接測量絲杠螺母之間的摩擦力矩，用于滾珠絲杠副摩擦力矩測量，研制成功HJZ－044A絲杠副摩擦力矩動態測量系統，該系統采用計算機和單片機同時控制，檢測精度高，可操作性強，性能更加穩定可靠。

1 系統總體方案

本系統的總體構成原理圖如圖1所示，是在原有的一臺滾珠絲杠疲勞試驗跑合機的基礎上進行改造的，是一個床身配有兩個獨立的主軸和兩套獨立的控制系統的機床。也就是說，可以有兩名工人分別站在該機床的兩側獨立操控自己一側的主軸進行絲杠的測量或跑合，互不干擾，這樣既提高了工作效率，又使設備得到了充分的利用。所以該系統從應用上可分為兩個獨立的摩擦力矩測控系統1號和2號。兩個獨立的分系統擁有幾乎相同的硬件組成，其中計算機、打印機、多功能IO卡、數據采集卡和端子板是兩個系統共用的，而其它的硬件如控制面板、變頻器、傳感器和電機等都分別屬于各個獨立的分系統，只是1號傳感器最大測量值為5 N·m，而2號傳感器的最大測量值為10 N·m。兩個分系統的測量原理和操作方法是相同的。

2 測量原理

系統采用JN338－F型扭矩傳感器，可測量正、反向靜態扭矩和動態扭矩，旋轉角度小于360°。測量正、反向扭矩時，不需調整零點。其扭矩信號的提取方式為應變電測技術，扭矩測量精度與方向無關，信號檢測采用數字化處理技術，精度高、穩定性好、抗干擾強，具有可靠性高、壽命長，體積小、重量輕、安裝方便等特點。其主要技術參數如下：

轉矩準確度：≤0.1%F·S;

重復性：≤0.1%F·S;

過載能力：150%F·S;

滯后：≤0.1%F·S;

絕緣電阻：≥200 MΩ;

線性：≤0.1%F·S;

工作溫度：－20～60℃;

相對濕度：≤90%RH。

分別選擇JN338－5F型和JN338－10F型靜態扭矩傳感器作為1號和2號系統的力矩測量元件，精度5‰ N·m，轉矩電壓輸出±10 V。

扭矩傳感器安裝在可以沿機床主軸方向來回移動的滑座上，測量摩擦力矩時，通過連桿部件將其與滾珠絲杠螺母徑向連接固定，如圖2所示。因絲杠螺母與傳感器之間徑向連接，測量時在機床的主軸帶動下滾珠絲杠副作等速旋轉，螺母只能沿絲杠軸線方向移動，而不能轉動，于是滾珠絲杠副的摩擦力矩就以力f的形式通過定位連接銷2作用于扭矩傳感器上。這樣在連接銷2的中心線上就產生一對作用力與反作用力，傳感器測到的摩擦力矩就是：

式中：Tc為傳感器的測量值;f為連桿在與連接銷接觸點處受到的力。

滾珠絲杠副的實際摩擦力矩是：

式中：Ts為滾珠絲杠副實際摩擦力矩;f′為絲杠螺母在與連接銷接觸點處受到的力。

由力的平衡原理和作用力與反作用力原理知，f與 f′大小相等，得：

3 軟件設計

則由測量到的摩擦力矩值Tc就可以得到滾珠絲杠副的實際摩擦力矩值：

系統控制軟件采用VB語言編寫，軟件設計中大量采用模塊設計思想，將各個功能程序盡量地封裝在功能模塊中，使程序條理清晰，語言簡化，集成率高。本系統主要包括以下模塊：參數輸入與測量判斷、動態測量與顯示、數據分析、數據存儲、歷史查詢、打印報表、絲杠跑合、電動機測試、狀態監測。操作軟件測量主程序流程圖如圖3所示。

系統在軟硬件設計上都考慮了現場操作工人的操作水平，采取了許多符合操作工人使用習慣的設計。如硬件上不但在測量機床上安裝了工人們熟悉的面板控制（如圖4），而且軟件上的系統操作控制基本和面板一致（如圖5），控制面板設置了啟動/停止、正轉/反轉、左旋/右旋（絲杠旋向）、自動/手動和復位按鍵，以及速度顯示LED和速度控制旋鈕。測量過程采用了“傻瓜”設計，絲杠測量復位后，直接點擊啟動，系統就會自動實現正反向力矩測量，無需人為干預。

4 實驗數據處理與分析

HJZ－044A絲杠副摩擦力矩動態測量系統實驗床身如圖6。對HJG－S 2506－5型滾珠絲杠進行檢測，絲杠精度等級為2級，絲杠公稱直徑為25 mm，導程為6 mm，長度為1.2 m，絲杠的轉速是100 r/min，采樣頻率為250 kHz。

根據GB/T17587.3—1998《滾珠絲杠副驗收條件及驗收檢驗》，長徑比大于40小于等于60的2級絲杠，摩擦力矩均值在0.6～1.0 Nm內，摩擦力矩的變化應該小于摩擦力矩均值的32%。現測量滾珠絲杠1正反向摩擦力矩的結果如圖7和表1。

圖8和圖9顯示了兩根滾珠絲杠副2和3的正向摩擦力矩曲線圖、直方圖和頻譜圖。被測絲杠的螺距是6 mm，摩擦力矩曲線圖放大后可以看出幾乎在每個螺距上摩擦力矩曲線都有很明顯的波動，這是滾珠在通過反向器時，在滾道中受擠壓發生卡球現象而引起的摩擦力矩的波動。

表1 滾珠絲杠1正反向摩擦力矩

由直方圖可以看出：摩擦力矩測量曲線較好的滾珠絲杠副2對應的直方圖近似于正態分布，而測量曲線較差的滾珠絲杠副3對應的直方圖則顯得雜亂。

由頻譜圖可以看出，兩根滾珠絲杠副摩擦力矩的一次諧波幅值都比較大，可以看出一次諧波的頻率和被測滾珠絲杠副的絲杠轉動頻率（100/60=1.67 Hz）接近，這說明摩擦力矩中的一次諧波是伺服電動機的周期性轉動影響到測量系統所造成的;低中頻波動可能是裝配過程中使用的滾珠質量或者滾珠間隙不合適引起的滾珠之間的摩擦造成的;而高頻波動來源于干擾和測量系統的機械振動。

5 結語

本系統已通過驗收，各項技術指標均已達到或超過設計要求，至今性能穩定、運行可靠，能夠滿足工廠實際生產測量的要求。通過本測試系統可以對滾珠絲杠副的動態摩擦力矩進行測量，實時測得滾珠絲杠副的動態摩擦力矩曲線圖，同時給出摩擦力矩最大值、最小值、均值和合格性判定，大大提高了摩擦力矩測量的效率和準確度。同時還根據摩擦力矩曲線圖、直方圖和頻譜圖分析了產生摩擦力矩波動的各種原因，為漢江機床有限公司提升絲杠品質和產品競爭力提供了有力保證。

1 黃祖堯.精密高速滾珠絲杠副的發展及其應用［J］.制造技術與機床，2002（5）：8～11

2 宋現春，王兆坦，劉現銀.精密滾珠絲杠磨削加工中的熱變形控制［J］.制造技術與機床，2006（1）：59 ～61

3 王兆坦，劉現銀，李保民等.影響滾珠絲杠副熱伸長的因素及解決對策［J］.制造技術與機床，2007（10）：129～133

4 焦潔，梅景登，劉若華等.滾珠絲杠副動態預緊轉矩的測量技術［J］.制造技術與機床，1998（11）：32～33

5 王兆坦，朱繼生，張瑞等.滾珠絲杠副性能指標的測試與研究［J］.制造技術與機床，2009（6）：128～134

6 宋現春，張剛，厲超.滾珠絲杠副摩擦力矩測量系統的研制［J］.山東建筑大學學報，2007（6）：240～242

7 劉曉慧，宋現春.滾珠絲杠副摩擦力矩影響因素及測試方法研究［J］.工具技術，2006，40（6）：59 ～61

8 王兆坦，宋現春等.影響滾珠絲杠副摩擦力矩的因素及其測量方法［J］.機械工人，2007（增刊）：16 ～19

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The Design of Dynamic Friction Torque Measuring System of Ball Screws

LI Chunmei，FENG Hutian，HAN Jun，YIN Aihua
（School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，CHN）

The design of the dynamic friction torque measuring system of ball screws is introduced in this paper.System scheme，measurement principle，software process，data processing and analysis are included.And the measured results of the dynamic friction torque of the HJG－S series ball screws are given.The system has high reliablity and practicability.It has running unfailingly in the Shaanxi Hanjiang Machine Tool Co.，Ltd..

Ball Screws;Friction Torque;Dynamic Measuring;Data Processing and Analysis

* 江蘇省學者攀登計劃項目（BK2008050）

李春梅，女，1974年生，博士，講師，主要研究方向：機械制造及自動化，檢測與控制。發表論文十余篇。

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2009－09－25）

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