滾珠絲杠副精度保持性試驗(yàn)臺(tái)開發(fā)及試驗(yàn)研究*

高山龍，宋現(xiàn)春，姜洪奎，馬洪君，榮伯松，杜　偉

(1.山東建筑大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，濟(jì)南　250100；2.山東博特精工股份有限公司，山東 濟(jì)寧　272071)

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滾珠絲杠副精度保持性試驗(yàn)臺(tái)開發(fā)及試驗(yàn)研究*

高山龍1，宋現(xiàn)春1，姜洪奎1，馬洪君1，榮伯松2，杜偉2

(1.山東建筑大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，濟(jì)南250100；2.山東博特精工股份有限公司，山東 濟(jì)寧272071)

摘要：簡(jiǎn)述一種絲杠副精度保持性試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加載系統(tǒng)設(shè)計(jì)及測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，制定精度保持性試驗(yàn)規(guī)范與流程。該試驗(yàn)臺(tái)科學(xué)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，加載系統(tǒng)設(shè)計(jì)及測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)為試驗(yàn)的順利進(jìn)行提供了一個(gè)有效的平臺(tái)；精度保持性試驗(yàn)方案為規(guī)范試驗(yàn)操作流程，提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度提供依據(jù)。試驗(yàn)平臺(tái)的研究與開發(fā)填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)此領(lǐng)域的市場(chǎng)。

關(guān)鍵詞：滾珠絲杠副；精度保持性試驗(yàn)臺(tái)；試驗(yàn)規(guī)范與流程

0引言

隨著國(guó)內(nèi)工業(yè)的迅速發(fā)展和人們對(duì)高端精密數(shù)控機(jī)床的需求，目前國(guó)內(nèi)落后的機(jī)械裝備業(yè)正面臨著重新洗牌的格局，與此相關(guān)的一些科研院所、企業(yè)單位正經(jīng)歷著時(shí)刻創(chuàng)新的挑戰(zhàn)。近年來(lái)，國(guó)產(chǎn)滾動(dòng)功能部件(滾珠絲杠與滾珠導(dǎo)軌)在使用性能上得到了長(zhǎng)足發(fā)展。但是，精度保持性與可靠性問(wèn)題一直沒(méi)有得到有效解決。為此，一些高端高精度高可靠性的數(shù)控產(chǎn)品一直受制于外資企業(yè)與他國(guó)，嚴(yán)重影響了我國(guó)高端裝備制造業(yè)的自主研發(fā)與國(guó)產(chǎn)化。滾珠絲杠副精度保持性試驗(yàn)臺(tái)的研究與開發(fā)彌補(bǔ)了國(guó)內(nèi)此領(lǐng)域的空白，為解決絲杠副精度保持性方面的問(wèn)題搭建了有效的試驗(yàn)平臺(tái)。該試驗(yàn)臺(tái)為今后國(guó)內(nèi)滾珠絲杠副可靠性能的提高提供了有力的支撐。

1精度保持性試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1　試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

精度保持性試驗(yàn)臺(tái)由床身、伺服電機(jī)、制動(dòng)器、導(dǎo)軌、加載(被測(cè))絲杠、加載(運(yùn)行)工作臺(tái)、尾架等幾部分組成。試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)控系統(tǒng)分為控制系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)，控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺(tái)有無(wú)載荷的運(yùn)行，測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)滾珠絲杠副有關(guān)精度參數(shù)的在線實(shí)時(shí)測(cè)量與采集。

滾珠絲杠副精度保持性試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試結(jié)構(gòu)分布圖如圖1所示。

2試驗(yàn)臺(tái)加載系統(tǒng)設(shè)計(jì)

加載系統(tǒng)是滾珠絲杠副精度保持性試驗(yàn)臺(tái)的主要模塊，它的作用是模擬絲杠副在實(shí)際工作條件下的可變載荷。從成本、環(huán)保、安全等方面綜合權(quán)衡，試驗(yàn)臺(tái)選取電動(dòng)加載方式。電動(dòng)加載系統(tǒng)包括：測(cè)量?jī)x、傳感器、制動(dòng)器、制動(dòng)輪、控制器等幾部分。各元件之間的工作關(guān)系如下圖2所示，電機(jī)加載裝置結(jié)構(gòu)圖如下圖3所示。

圖2　電動(dòng)加載系統(tǒng)原理圖

圖3　電動(dòng)加載裝置結(jié)構(gòu)圖

3試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

滾珠絲杠副精度保持性試驗(yàn)臺(tái)的系統(tǒng)硬件由pCI—1784計(jì)數(shù)卡、雷尼紹光柵尺、pXI8996采集卡、加速度傳感器、XST智能數(shù)字顯示儀、MS6稱重傳感器、MahrC1216信號(hào)調(diào)理器等幾部分組成，各硬件之間的聯(lián)結(jié)如下圖4所示。

圖4　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理圖

3.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖5　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

系統(tǒng)軟件采用VB編寫，該軟件能夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)量圖形或數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)、回放、預(yù)覽、打印等功能;可將傳感器檢測(cè)信號(hào)通過(guò)采集儀傳輸?shù)絍B界面,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要來(lái)調(diào)節(jié)測(cè)量?jī)x的參數(shù)和性能。 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)功能主要包括以下內(nèi)容：①系統(tǒng)復(fù)位，清除系統(tǒng)內(nèi)存中的歷史數(shù)據(jù)；②輸入絲杠副的性能參數(shù)，設(shè)定初始值；③試驗(yàn)數(shù)據(jù)與圖像的采集、顯示、存儲(chǔ)；④試驗(yàn)數(shù)據(jù)與圖像的分析，并形成報(bào)告、打印。⑤瀏覽歷史文件。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

4精度保持性試驗(yàn)規(guī)范與流程

4.1試驗(yàn)條件

(1)絲杠副直徑與長(zhǎng)度取值:20mm≤d0≤63mm,L≤2000mm。

(2)試驗(yàn)環(huán)境溫度：一般要求在15℃~25℃的條件下進(jìn)行。

(3)試驗(yàn)潤(rùn)滑條件：①本試驗(yàn)采用符合SH/T 0017-1990規(guī)定的L-FC型32油或優(yōu)于其性能的油品進(jìn)行油潤(rùn)滑，周期性加注潤(rùn)滑油并作有關(guān)記錄。②潤(rùn)滑油中的污垢及磨屑的顆粒不應(yīng)大于10μm。 ③供油量要滿足試驗(yàn)中被測(cè)絲杠的充分潤(rùn)滑。

(4)支承軸承：①試驗(yàn)用軸承額定動(dòng)載荷應(yīng)能滿足被測(cè)樣品的加載要求，軸承應(yīng)選擇p4及以上級(jí)別精度，軸承壽命不小于被測(cè)樣品試驗(yàn)時(shí)間。②軸承在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的潤(rùn)滑要求應(yīng)得到充分保障③采用一端固定一端支撐的方式安裝被測(cè)滾珠絲杠副。

(5)被測(cè)滾珠絲杠副的預(yù)加載荷：滾珠絲杠副預(yù)加載荷設(shè)定范圍如表1所示。

表1　絲杠副預(yù)加載荷設(shè)定范圍

(6)被測(cè)滾珠絲杠副的試驗(yàn)轉(zhuǎn)速與加載如表2所示。

表2　絲杠副試驗(yàn)轉(zhuǎn)速與加載

(7)試驗(yàn)臺(tái)：精度保持性試驗(yàn)臺(tái)具備所要求的設(shè)計(jì)功能，并能實(shí)現(xiàn)相關(guān)的試驗(yàn)要求，同時(shí)具備在線實(shí)時(shí)測(cè)試的能力。

4.2試驗(yàn)準(zhǔn)備

(1)試驗(yàn)樣品選取

①隨機(jī)抽取檢測(cè)合格的滾珠絲杠副進(jìn)行精度保持性試驗(yàn)。②抽取的滾珠絲杠副數(shù)量應(yīng)該不少于3根。

(2)試驗(yàn)樣品標(biāo)號(hào)

在試驗(yàn)的滾珠絲杠副非工作表面上按照一定的順序標(biāo)記序號(hào)。

(3)被測(cè)樣品精度與預(yù)加載荷的測(cè)試

①精度測(cè)試

按GB/T17587.3-1998規(guī)定，轉(zhuǎn)速為20r/min，測(cè)試滾珠絲杠副行程變動(dòng)量初始值，并計(jì)算行程變動(dòng)量精度儲(chǔ)備量EC。

②預(yù)加載荷測(cè)試

按GB/T17587.3-1998規(guī)定，檢測(cè)滾珠絲杠副動(dòng)態(tài)預(yù)緊轉(zhuǎn)矩的實(shí)際數(shù)值。預(yù)加載荷Fp與動(dòng)態(tài)預(yù)緊轉(zhuǎn)矩Tp(N·m)按以下公式換算：

ph—表示公稱導(dǎo)程(mm)

η—表示滾珠絲杠副傳動(dòng)效率

當(dāng)取精度1、2、3級(jí)時(shí)η取0.9；

當(dāng)取精度4級(jí)及以下時(shí)η取0.85。

(4)被測(cè)滾珠絲杠副安裝與要求

被測(cè)滾珠絲杠副應(yīng)按照有關(guān)規(guī)定正確安裝，安裝完畢后進(jìn)行檢驗(yàn)的部分如下表3所示。

表3　絲杠副檢測(cè)項(xiàng)目與要求

4.3試驗(yàn)臺(tái)檢查

(1)確保試驗(yàn)臺(tái)各構(gòu)成部件之間協(xié)作運(yùn)行正常。

(2)確保試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)運(yùn)作正常。

(3)確保試驗(yàn)臺(tái)加載機(jī)構(gòu)與控制系統(tǒng)協(xié)作正常。

(4)確保試驗(yàn)臺(tái)輔助系統(tǒng)內(nèi)各部件之間的正常運(yùn)作。

4.4試驗(yàn)過(guò)程

對(duì)于滾珠絲杠副精度保持性的試驗(yàn)，應(yīng)嚴(yán)格按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行操作，避免出現(xiàn)一些外在因素的干擾，影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集與分析。精度保持性試驗(yàn)臺(tái)要求在試驗(yàn)過(guò)程中連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，試驗(yàn)載荷、轉(zhuǎn)速要在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并控制在要求范圍內(nèi)并做及時(shí)如實(shí)記錄。精度保持性試驗(yàn)臺(tái)在運(yùn)行過(guò)程中，各部件的溫度(被測(cè)絲杠副，軸承，導(dǎo)軌等)不應(yīng)超過(guò)60℃。

試驗(yàn)步驟流程：

第一步：運(yùn)行精度保持性試驗(yàn)臺(tái)，在線實(shí)時(shí)測(cè)試被測(cè)滾珠絲杠副行程變動(dòng)量的實(shí)際值。試驗(yàn)條件要求在19℃~20℃并且等溫不小于2h、空載、轉(zhuǎn)速為20r/min。

第二步：運(yùn)行絲杠副加載裝置，逐步并緩慢實(shí)現(xiàn)絲杠副的加載要求，然后按照試驗(yàn)條件中規(guī)定的當(dāng)量轉(zhuǎn)速做往復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

第三步：試驗(yàn)運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)按每隔120h對(duì)被測(cè)絲杠副進(jìn)行一次行程變動(dòng)量的在線檢測(cè)，并記錄測(cè)試數(shù)據(jù)。當(dāng)在線行程變動(dòng)量精度損失值≥80%EC時(shí)，應(yīng)停止試驗(yàn)，進(jìn)行離線測(cè)量。若精度未失效，則計(jì)算出新的精度儲(chǔ)備量并繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)。

第四步：試驗(yàn)的滾珠絲杠副精度指標(biāo)不能達(dá)到標(biāo)稱精度等級(jí)，則判定為失效，失效與否必須通過(guò)離線測(cè)量來(lái)判定。

第五步：試驗(yàn)中由于非被測(cè)滾珠絲杠副本身造成的樣品失效，應(yīng)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及被測(cè)絲杠副進(jìn)行單獨(dú)處理，并不計(jì)入正常的失效數(shù)據(jù)中。采集記錄到的數(shù)據(jù)一般應(yīng)精確到0.0001mm。試驗(yàn)結(jié)束后被測(cè)樣品應(yīng)妥善保存，以備對(duì)典型失效樣品進(jìn)行失效分析。

滾珠絲杠副精度保持性試驗(yàn)流程圖如圖6所示。

圖6　精度保持性試驗(yàn)流程圖

5結(jié)束語(yǔ)

滾珠絲杠副精度保持性試驗(yàn)臺(tái)已在山東博特精工股份有限公司設(shè)計(jì)裝配完畢，并進(jìn)行了試運(yùn)行。目前，已經(jīng)投入使用，運(yùn)行狀態(tài)良好。試驗(yàn)臺(tái)的研制填補(bǔ)了當(dāng)前國(guó)內(nèi)有關(guān)滾珠絲杠副精度保持性試驗(yàn)設(shè)備的空白，為提高高速重載滾珠絲杠副的可靠性及精度保持性提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。但是，試驗(yàn)臺(tái)本身存在的軟、硬件持續(xù)升級(jí)，是今后逐步解決的一個(gè)問(wèn)題，諸如實(shí)現(xiàn)VB軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)與完善等。

[參考文獻(xiàn)]

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(編輯李秀敏)

Ball Screw Accuracy Stable Development and Experimental Study on the Test Bench

GAO Shan-long1，SONG Xian-chun1，JIANG Hong-kui1，MA Hong-jun1，RONG Bai-song2,DU Wei2

(1.School of Mechanical and Electronic Engineering,Shandong Jianzhu University, Jinan 250101,China;2.Shandong Best precision Co. Ltd, Jining Shandong 272071,China)

Abstract：A brief introduction of the test bed of a screw pair accuracy stable structure design, design of loading system and the measurement and control system design, formulate accuracy stable test specification and process. Scientific and reasonable structure design, this test bed load system design and the smooth progress of measurement and control system is designed to test provides an effective platform; Accuracy stable test scheme for specification test operation process, improve the accuracy of the test data. Research and development of test platform to fill the domestic market in this area.

Key words：ball screw pair;accuracy stable test bench;test specification and process

中圖分類號(hào)：TH161;TG506

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：高山龍(1987—)，男，山東臨沂人，山東建筑大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)電系統(tǒng)控制及自動(dòng)化，(E-mail)shanlong1818@163.com。

*基金項(xiàng)目：“高檔數(shù)控機(jī)床與裝備制造基礎(chǔ)”國(guó)家重大科技專項(xiàng)(2012ZX04002013)；國(guó)家自然科學(xué)基金(51375279)

收稿日期：2015-03-16；修回日期：2015-04-16

文章編號(hào)：1001-2265(2016)01-0014-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.01.004