滾珠絲杠副可靠性試驗臺測控系統設計*

常永壽，馮虎田，韓　軍，楊　雪

(南京理工大學 機械工程學院，南京　210094)

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滾珠絲杠副可靠性試驗臺測控系統設計*

常永壽，馮虎田，韓軍，楊雪

(南京理工大學 機械工程學院，南京210094)

摘要：根據滾珠絲杠副可靠性試驗的要求，設計了滾珠絲杠副試驗臺的測控系統。首先介紹了滾珠絲杠副可靠性試驗臺的結構構成，通過對試驗臺所需要實現功能的分析，主要介紹了試驗臺的驅動系統、加載控制系統、數據采集系統的設計，并提出測控系統的硬件圖以及設計軟件。該測控系統的設計為滾珠絲杠副可靠性試驗提供了軟硬件基礎。

關鍵詞：滾珠絲杠副；可靠性；測控系統

0引言

滾珠絲杠副是一種以滾動摩擦為特征的直線驅動單元，是機械制造業中重要的基礎部件，具有定位精度高、響應迅速、傳動能量損失少等眾多優點，廣泛應用在高檔數控機床上[1]。近年來，國產機床在使用性能上得到了很大提高，國產機床數控化率也不斷提高[2]。但是，從機床產品總體技術水平來看，我國與國際先進水平還有較大差距，特別在一些高性能、高精度的高端機床產品方面差距尤為明顯。因此，從性能可靠性入手，提高滾動功能部件的性能和質量已成為國產滾動功能部件生產企業的當務之急，直接影響到我國機床行業和裝備制造業的發展[3]。

針對這種現狀，設計研發滾珠絲杠副可靠性試驗臺尤為重要。該試驗臺可以模擬滾珠絲杠副的實際工況，在對應的工況下進行加載與跑合，通過傳感器將測得的信號傳送到工控機中，并進行數據與故障信息的處理分析，得到故障原因，從而對滾珠絲杠副進行優化，為國內滾珠絲杠副的可靠性研究提供依據[4]。

1測控系統設計分析

1.1試驗臺的結構設計

圖1　試驗臺的系統組成

滾珠絲杠副可靠性試驗臺由機械結構和測控系統組成。機械結構是進行可靠性試驗的基礎，在完善機械結構的基礎上，利用測控系統進行試驗臺的跑合與數據的采集。試驗臺的整體結構框圖如圖1所示。

試驗臺的機構組成如圖2所示，由驅動電機、加載部件、床身、頭尾架等組成。可同時將三根及以下的絲杠安裝在頭尾架之間進行試驗，加載部件采用滾珠絲杠副螺母軸向加載，通過伺服電機驅動加載機構運動，給被測絲杠螺母施加軸向拉壓力。驅動電機通過帶傳動，帶動絲杠螺母進行往復運動。

圖2　滾珠絲杠副可靠性試驗臺

1.2試驗臺驅動系統

驅動系統由安川變頻器及變頻電機組成。電機具備優良的恒轉矩與功率調速性能，調節范圍廣，調速過程平穩，噪聲較低，與安川變頻器參數匹配性能良好，通過矢量控制以及編碼器的反饋功能，可以完成試驗臺加載系統高精度閉環速度控制。

圖3　驅動系統原理圖

驅動系統的原理如圖3所示，固高運動控制卡輸出兩路信號，1路控制電機的啟停，1路控制電機的換向。當工控機中發出啟停信號后，固高卡對應端口輸出相應電壓信號，使能變頻機電機，啟動或者停止；換向信號的發出，需要通過光電開關信號的觸發。兩個光電開關安裝在試驗臺的頭架和尾架之間，當工作臺遮擋到光電開關，光電開關給固高卡的輸入端口發出信號，通過工控機中的程序控制電機實現正反轉；調速功能通過PCI-1716實現，經分析，PCI-1716可以提供0～10V的模擬量輸出。電機的額定轉速為3000r/min，通過公式(1)計算，PCI-1716發出調速電壓，變頻器根據發出的調速電壓，輸出相應的頻率達到控制電機轉速的目的。

(1)

其中，U是PCI-1716發出的調速電壓，V是變頻電機的實際轉速。

1.3加載控制系統

1.3.1試驗臺的加載力分析

圖4　 加載結構示意圖

我國目前的滾珠絲杠副試驗臺加載方式單一，加載力不能變化，不能很好的模擬實際工況[5]。為了提高試驗效率，本試驗臺上可以同時進行三根絲杠的可靠性試驗，因此需要分別對相應絲杠實行加載，并且能控制加載力的不同與變化。為了模擬實際工況，可靠性試驗的加載力的范圍應能保證最大是絲杠額定動載荷的20%左右[6]。因此采用滾珠絲杠副螺母軸向加載機構[7-8]實施內力加載，可以根據實際的加載要求選擇對應的伺服電機進行加載。加載結構如圖4所示。

1.3.2加載力控制系統設計

工控機使能絲杠上的加載伺服電機，伺服電機轉動，通過減速器，帶動縱向螺母加載機構里的加載梯形螺母伸出或回縮。加載機構剖面圖如圖5所示，加載梯形螺母伸出時，壓迫拉壓力傳感器，通過受載端的軸肩對絲杠產生壓加載；回縮時，對拉壓力傳感器產生拉力，通過左端鎖緊螺母對絲杠產生拉加載。

圖5　加載機構剖面圖

加載控制系統主要由工控機、固高運動控制卡、伺服驅動器、伺服電機、編碼器、拉力傳感器組成。加載時，工控機控制程序發指令給固高運動控制卡，使能對應的加載伺服電機驅動器。驅動器根據指令，通過改變脈沖的位置控制方式來控制電機的轉速。伺服驅動器通過持續發出脈沖，使電機連續運轉，電機的正反轉驅動加載機構產生位移實現拉加載或壓加載。拉壓力傳感器的接線圖如圖6所示。

圖6　拉壓力傳感器接線圖

加載時，拉壓力傳感器輸出對應的電壓信號，通過放大器CSG110放大后，由PCI1716采集，并顯示在工控機上。放大器的輸出電壓量程為0～10V，拉壓力傳感器的量程為20kN，所以操作人員可以根據PCI1716讀取的電壓，得到當前加載力的準確值，根據公式(2)進行計算。當加載力達到設定值后，固高卡自動取消對應加載伺服電機的使能，伺服電機被鎖死，加載力恒定，滿足試驗要求。

(2)

其中K是實際加載力大小，V是拉壓力傳感器反饋電壓。

1.4數據采集系統

1.4.1數據采集分析

試驗臺在往復運行時，被測絲杠的振動狀態以及輸入扭矩可以體現絲杠的可靠性狀況，通過絲杠振動數據和扭矩的重復性對比，可以分析絲杠表面的磨損狀況，是否出現點蝕等失效特征[9]；同時，絲杠的加載力也要進行實時監測，確保絲杠承受的載荷按預設的大小施加的。

1.4.2數據采集系統設計

振動量、加載力以及輸入扭矩的采集都是通過PCI-1716采集，并傳送到工控機中，在界面上顯示出來，實現實時監控的目的。

根據上面的分析，測控系統的硬件框圖如圖7所示。

圖7　測控系統的硬件框圖

試驗臺進行可靠性試驗時，工控機通過GT運動控制卡，控制加載伺服電機進行加載，并驅動變頻電機，實現試驗臺的往復運動；振動傳感器、力傳感器以及扭矩傳感器采集到的信號通過PCI1716的模擬量輸入口采集到工控機中；噪聲傳感器放置在機床頭架位置處，將采集到噪聲信號通過RS232串口讀取到計算機中，對比歷史噪聲數據的變化，從而分析絲杠的可靠性。

2控制系統軟件設計

根據試驗的要求，系統的軟件包括試驗大綱、控制軟件、測試軟件及數據分析軟件。針對本試驗臺所要實現的功能，試驗大綱主要是存儲絲杠的型號參數，以及分配絲杠的載荷、速度等試驗參數；控制軟件主要是電機的控制、加載伺服電機的控制及潤滑泵的控制；測試軟件是對被測絲杠的扭矩、噪聲以及振動變化曲線的檢測；數據分析軟件主要是對于實驗數據的分析、記錄、調用打印等。

2.1系統主程序流程圖

圖8　系統主程序流程圖

系統的主程序流程圖如圖8所示，試驗開始時，控制柜上電，啟動試驗程序，進入試驗大綱的設置界面，填寫對應的實驗數據；接下來按試驗大綱中設置的載荷，對三根試驗絲杠分別進行記載至指定值；然后啟動變頻拖動電機，帶動工作臺面往復運動，同時采集運動過程中，扭矩、振動、噪聲傳感器反饋的信號。

在測試軟件中，對信號進行分析。如果信號異常，停機觀察絲杠表面是否發生點蝕。如果沒有點蝕，并且沒有達到試驗預期時間，分析信號異常原因，并繼續跑合；若達到試驗預期時間，則說明絲杠可靠，記錄相應試驗數據。如果發生點蝕，記錄點蝕位置、點蝕面的大小，并對點蝕現象進行理論分析。

2.2試驗臺程序主界面

程序的主界面是利用Visual Basic 6.0編寫的，程序的主界面如圖9所示，界面上包括繼續試驗、添加新試驗、振動界面、綜合查詢、報表打印、用戶管理、試驗臺調試等功能。

圖9　程序主界面

2.3試驗大綱程序界面

試驗大綱程序界面如圖10所示，用戶可以在這個界面填寫絲杠的型號參數，并且對試驗的具體試驗參數進行設計。

圖10　試驗大綱界面

2.4加載界面的設置

加載界面如圖11所示，用戶可以在這個界面選擇自己要加載的力的大小，并選擇加載電機加載的速度。當實際加載值大于等于設定加載值的時候，電機自動鎖緊，保持加載力不變。

圖11　加載界面

2.5試驗振動監控界面

如圖12所示，可以實時觀測試驗臺運動過程中的振動參數的變化，對采集到的振動的平均值，進行重復性分析，從而判斷絲杠是否發生故障。

圖12　試驗振動監控界面

2.6數據處理軟件

本測控系統的數據處理軟件采用Access數據庫設計了滾珠絲杠副可靠性信息數據庫以及數據庫管理軟件[10]，用來保存試驗過程中的原始數據、數據分析結果，能很好的幫助試驗人員完成試驗。

3試驗臺設計成果

如圖13所示，為滾珠絲杠副可靠性試驗臺，在機械結構的基礎上，運用上文所設計的測控系統，試驗臺面已經可以模擬實際工況的往復運轉。加載系統最大加載力為2t，拖動電機最高轉速3000r/min，各傳感器信號正常，能很好的完成試驗的要求。

圖13　試驗臺整體實物圖

4結束語

本文針對滾珠絲杠副可靠性試驗臺所需要實現的功能問題，對其測控系統進行了研究。結合試驗裝置，提出了試驗臺測控系統的設計方案，用以模擬實際工況下，被測絲杠的運轉以及參數的檢測功能。本文提出的滾珠絲杠副測控系統的設計方案，有利于完成絲杠的可靠性試驗，為滾珠絲杠副可靠性的參數分析提供試驗基礎。

[參考文獻]

[1] 喻忠志. 我國滾動功能部件產業現狀分析[J]. 制造技術與機床, 2004(4):92-94.

[2] 黃育全,喻忠志. 我國滾珠絲杠副發展歷程及未來趨勢[J]. 現代零部件,2004(10):60-61.

[3] 屠國俊,陶衛軍,馮虎田,等. 滾動功能部件可靠性研究及其關鍵技術[J].制造技術與機床,2011(4):17-20.

[4] 沈嘉禾，陶衛軍，馮虎田，等.重載滾珠絲杠副可靠性設計與試驗方法研究[J].組合機床與自動化加工技術，2013(4):18-21.

[5] 李興林.滾動軸承壽命試驗機及其試驗技術的現狀及發展[J].試驗技術與試驗機,2007(3):1-6.

[6] 田茂林.重載滾珠絲杠副可靠性試驗及分析[J]. 金屬加工, 2012(5): 31-32.

[7] 歐屹,馮虎田，陳燁妍，等. 一種滾珠絲杠副螺母軸向加載機構[P].中國專利：201310030214.9，2015-01-21.

[8] 徐益飛,馮虎田,歐屹. 四種加載方式下滾珠絲杠副受力對比分析[J]. 組合機床與自動化加工技術, 2015(2):30-34.

[9] 羅榮.重載滾珠絲杠副接觸應力分析與實驗臺設計[D].杭州:浙江大學，2010.

[10] 馮虎田,楊艷國,王小牧,等.滾動直線導軌副摩擦力動態測量系統設計[J].金屬加工,2010(20):54-56.

(編輯趙蓉)

Design of Control System for the Reliability of Ball Screw

CHANG Yong-shou, FENG Hu-tian,HAN Jun,YANG Xue

(School of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Abstract：Aiming at the requirements of the reliability for the ball screw, design the control system for the reliability for the ball screw. Firstly, the structure of the the reliability for the ball screw is introduced, the analyse functions that is needed to realize according to the test rig, Mainly analyse the drive of test rig, the load control system and the data collection system. Put forward the hardware diagram of the control system and design the software. The design method of control system offer the software and hardware foundation for the reliability test of the ball screw.

Key words：ball screw; reliability；control system

中圖分類號：TH166;TG659

文獻標識碼：A

作者簡介：常永壽(1990—)，男，江蘇泰州人，南京理工大學碩士研究生，研究方向為滾動功能部件試驗技術、精密機電測控技術，(E-mail)cyscrystal@163.com；通訊作者：馮虎田(1965—)，男，遼寧義縣人，南京理工大學教授，博士，研究方向為機器人技術、精密機電測控技術，(E-mail)fenght@mail.njust.edu.cn。

*基金項目：國家科技重大專項(2012ZX04002021)

收稿日期：2015-04-16

文章編號：1001-2265(2016)02-0047-04

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.02.014