基于直線電機的高速滾珠絲杠副壽命試驗機設計

童 亮 王 準

北京信息科技大學，北京，100192

0 引言

滾珠絲杠副作為數控機床、精密儀器等各種精密機械設備中的關鍵零部件，具有傳動效率和傳動精度高、能逆向傳動、同步性能好、性價比高等特點，在機械設備中應用極為廣泛［1－2］。對其性能（包括疲勞壽命和精度壽命等指標）進行測試是保證產品質量、提高產品應用水平的重要手段之一［3－4］。目前，國內外針對滾珠絲杠副相關性能的測量技術呈現如下發展趨勢：測試儀器向自動化的方向不斷發展；用動態連續測量的方法獲得與滾珠絲杠工作狀態一致的精度和物理性能參數；從單一的導程精度、動態摩擦力矩、接觸剛度等性能指標的測定逐步向綜合性能測試的方向發展［5］。

相對國外而言，國內有關滾珠絲杠副測試的研究工作起步比較晚，測試技術水平滿足不了當今高速精密滾珠絲杠副性能檢測的需求，對國內滾珠絲杠副產品性能的提高形成了制約，所以研究適應需求的滾珠絲杠副綜合測試技術、開發高速精密檢測平臺是很有意義的工作［6］。

筆者以直線電機為加載機構、旋轉伺服電機為絲杠驅動機構、多功能運動控制卡為運動控制器，設計了滾珠絲杠副高速加載跑合壽命試驗機。該試驗機在完成滾珠絲杠副相關參數測量的同時，可對試制產品進行壽命試驗，為改進產品結構提供依據，另外，也可以在較短的時間內消除絲杠副的初期磨損，使絲杠副在進入使用過程后即處于穩定磨損階段。

1 試驗機系統整體設計要求及方案

1.1 系統設計基本要求

（1）試驗對象。高速、精密滾珠絲杠副，直徑32～80mm，全長1000～2200mm，行程800～1800mm。

（2）試驗條件。溫度：（20±3）℃；濕度：40%～70%；噪聲小于75dB；驅動速度可達到80m／min。

（3）運動參數。伺服電機作為主驅動機構，在加載電機提供3kN阻力時，絲杠副最大移動速度可達80m／min以上，加速度可達到1.5g；在加載電機提供的持續阻力達到5kN時，絲杠副快移速度可達到65m／min以上，加速度可達到1g以上；單次不停機運行時間不小于50h。

其他需實現的功能及主要技術指標：

（1）可對高速滾珠絲杠副進行高速往復跑合，以實現絲杠副壽命及可靠性的測試。

（2）可測試高速滾珠絲杠副的驅動速度和加速度。

（3）可測試高速滾珠絲杠副的定位精度和重復定位精度。

（4）可測量絲杠副的預緊力矩，并可保存或打印測量結果報告。

（5）可輸入絲杠副的參數，包括絲杠編號、直徑（10～100mm）、導程（1～50mm）、鋼球直徑（1～20mm）、行程（100～2000mm）、絲杠全長（100～2200mm）、精度等級（1～10），預緊力矩（0.001～5.00N·m）。

（6）可設定運動條件。驅動速度（0～100m／min）、直線電機提供的推動阻力（0～8kN）、跑合時間（0～1000h）、跑合次數（0～10 000次）。

（7）可顯示絲杠副的實時運行狀態，包括速度、加速度、承受的負載、跑合次數、跑合時間、定位精度、重復定位精度。

（8）能實現上述運行狀態數據的自動采集（測量）與處理，并可保存或打印運行狀態數據報告。

（9）系統電機具備熱敏保護、行程控制、硬限位等安全保護功能。

1.2 系統總體設計方案

試驗機設計的要點之一是根據試驗絲杠的試驗要求及連接方式設計試驗機機械結構及加載方式，重點解決以下問題：高速重載工況下試驗機的結構設計及制造；實現高速工況下的可調、穩定加載；絲杠預拉伸結構設計；試驗臺的整體壽命問題。綜合以上考慮，系統選擇了直線電機作為加載電機，系統整體結構如圖1所示。

圖1 系統整體設計方案

試驗機絲杠由伺服電機和聯軸器驅動產生旋轉運動，絲杠螺母與直線電機的動子連接，螺母移動，直線電機始終產生與螺母移動方向相反的推力來加載，系統的協調和控制由計算機和運動控制卡來完成，可以實時顯示運動過程中的速度、位移等信息，同時伺服電機及直線電機具備熱敏保護、行程控制、硬限位等安全保護功能。試驗機機械結構平臺如圖2。

圖2 試驗機機械結構平臺

2 試驗機控制系統設計

試驗機電控系統的整體實現如圖3所示。控制系統以多軸運動控制器為核心，采用“NC嵌入PC”結構組成開放式的運動控制系統，多軸運動控制器采用PMAC－PCI－Lite卡，計算機采用工控機。這種方案可充分利用計算機資源，它不僅具有信息處理能力強、開放程度高、可靠性高、運動軌跡控制精確、通用性好、操作簡單等特點，而且還在很大程度上提高了應用系統的精度和柔性。系統還包括直線電機和伺服電機功率驅動模塊、光柵和編碼器位置速度反饋裝置、滾珠絲杠副摩擦力矩測量傳感器、系統配電控制柜及用戶操作界面等部分。

圖3 試驗機控制系統方案

2.1 多軸運動控制卡（PMAC卡）

PMAC（programmable multi－axis controller）是美國Deltu Tau Data System公司遵循開放式系統體系結構標準開發的集運動軸控制、PLC控制以及數據采集等多種功能為一體的運動控制產品，單控制器最多可以支持32軸同時高效運行。PMAC既可以與PC機進行總線或串口通信，也可以脫離PC機運行，可以控制任何類型的電機和連接多種反饋裝置，除了可以執行運動程序、PLC程序及電機伺服更新主要功能以外，PMAC還提供了換相更新、內部安全管理、與主機通信等功能，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 直線電機及其控制

結合測試系統的基本要求和條件，使用直線電機作為滾珠絲杠負載加載電機，由于采用直線電機代替傳統的電機－絲杠系統，因而消除了機械傳動鏈及其帶來的誤差、間隙和速度限制等一系列影響精度、速度和動態性能的環節，電機和負載之間直接耦合，使系統具備高速度、高加速度、高負載定位精確性、快速循環等優點，可獲得很高的動態性能，而且結構簡單、緊湊。

直線電機是一種可以直接產生直線運動的電磁裝置。它可以看成由旋轉電動機演化而來（圖4），由定子演變而來的一側稱為初級，由轉子演變而來的一側稱為次級。該電機用永磁體代替了電勵磁系統，因而省去了電刷、滑環和勵磁線圈，但其定子與繞線式同步電機基本相同，因此稱之為永磁同步直線電動機（permanent magnet synchronous linear motor，PMSLM）［9－10］。

本系統直線電機持續推力為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 控制系統軟件設計

根據試驗機系統的基本要求和結構特點，完成了控制系統軟件和操作界面的設計。

圖4 從旋轉電機到直線電機的演化

控制系統軟件和操作界面主要完成試驗參數設置、運行過程參數實時顯示及試驗報告生成等幾部分功能。試驗設置參數包括絲杠參數（直徑、長度、導程、鋼球直徑、行程、預緊力矩等）設置和運行參數（行程、運行次數、運行速度和加速度、直線電機加載力等）設置；實時參數顯示主要包括絲杠運行的位置、速度、加速度、阻力、定位誤差、重復定位誤差，以及力矩測量模塊中的摩擦力矩等參數；試驗報告模塊對運行過程進行記錄、計算、分析，并在試驗結束時形成試驗報告。

3 試驗結果及分析

在完成系統軟硬件設計之后，對系統進行了初步試驗。運行條件如下：絲杠速度500mm／s、加速度500mm／s2、加載力1000N。試驗結果如圖5～圖9所示。

圖5 絲杠運行位置曲線

圖6 絲杠運行速度曲線

圖7 絲杠運行加速度曲線

圖8 絲杠運行定位誤差曲線

圖9 直線電機加載力曲線

從試驗結果可看出，試驗機準確地反映了滾珠絲杠副在多個運動循環中的位置、速度、加速度、定位誤差和加載力等參數的變化情況。由于試驗采用S形加速過程，運行行程短（800mm），加速時間也比較短，因此，其位置和速度變化接近于正弦曲線。絲杠運行定位誤差也比較小，不超過20μm。多次的試驗結果表明，該試驗機在連續穩定變負載的情況下，可以對滾珠絲杠在高速、高加速度、大負荷等條件下進行長時間測試，可滿足壽命試驗機對滾珠絲杠副疲勞壽命和精度壽命測試的要求。

4 結論

本試驗機使用直線電機作為滾珠絲杠負載加載電機，具備高速度、高加速度、高負載定位精確性、快速循環等優點，可獲得很高的動態性能，且結構簡單、緊湊；同時采用多軸運動控制卡和工控機結合的“NC嵌入PC”結構組成開放式的運動控制系統，結合完善的軟件操作系統的編制，實現了直線電機和旋轉伺服電機的協調控制及相關試驗過程的設置和管理工作。近一年的運行結果表明，設備主要部件工作正常、可靠，可滿足長時間穩定運行的需求。

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