模擬實(shí)際工況絲杠導(dǎo)軌可靠性試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)試驗(yàn)*

魯苑凱 宋現(xiàn)春 徐加壘 姜洪奎 李彥鳳 許向榮

(山東建筑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101)

滾珠絲杠副和導(dǎo)軌是數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵部件，其質(zhì)量很大程度上決定了數(shù)控機(jī)床質(zhì)量的優(yōu)劣。近些年國(guó)內(nèi)關(guān)于滾珠絲杠副和導(dǎo)軌的研究方法層出不窮，通過不同手段來研究絲杠和導(dǎo)軌的精度、摩擦力、可靠性、直線度等性能參數(shù)，但是這些研究主要是單一的針對(duì)絲杠或者導(dǎo)軌進(jìn)行研究，這些研究成果具有一定的參考價(jià)值。但是在實(shí)際生產(chǎn)中工況復(fù)雜，作用于導(dǎo)軌和絲杠上的力在不斷變化。為了能夠得到更加接近實(shí)際工況的數(shù)據(jù)，研發(fā)了模擬實(shí)際工況絲杠導(dǎo)軌可靠性試驗(yàn)臺(tái)。

1 可靠性試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)方案

可靠性試驗(yàn)臺(tái)的基本原理是對(duì)絲杠和導(dǎo)軌進(jìn)行模擬實(shí)際工況的加載，即模擬在實(shí)際加工過程中絲杠受到不斷變化的軸向力以及導(dǎo)軌受到周期性變化的作用力，從而得到絲杠和導(dǎo)軌在實(shí)際工況下的可靠性數(shù)據(jù)。該試驗(yàn)臺(tái)主要由控制系統(tǒng)、液壓加載系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)三部分組成[1]。控制系統(tǒng)采用先進(jìn)的西門子828D數(shù)控系統(tǒng)，可以準(zhǔn)確控制絲杠的運(yùn)行與液壓系統(tǒng)的壓力變化，上位機(jī)軟件采用LabView編寫，各項(xiàng)檢測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后可保存并輸出檢測(cè)報(bào)告。液壓加載系統(tǒng)使用4個(gè)液壓缸實(shí)現(xiàn)水平、豎直和軸向的加載力，通過控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)比例閥控制壓力變化以模擬實(shí)際加工過程中絲杠受到的不斷變化的軸向力以及導(dǎo)軌受到的不斷變化的豎直壓力和水平方向的應(yīng)力。在線測(cè)量系統(tǒng)可以在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)對(duì)導(dǎo)軌的溫度、振動(dòng)等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)與顯示處理。該試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，軸向液壓缸所在位置為前側(cè)，伺服電動(dòng)機(jī)所在位置為后側(cè)，伺服電動(dòng)機(jī)通過轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速傳感器連接撓性聯(lián)軸器然后連接絲杠，絲杠的螺母通過螺釘安裝在螺母座上，工作臺(tái)與螺母座相連接，絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可帶動(dòng)螺母與工作臺(tái)同步運(yùn)動(dòng)。前側(cè)液壓缸通過拉壓傳感器與工作臺(tái)相連接，導(dǎo)軌液壓加載測(cè)力傳感器安裝在龍門架與工作臺(tái)之間，龍門架與工作臺(tái)通過4個(gè)連桿相連接，可同步運(yùn)動(dòng)，工作臺(tái)下方導(dǎo)軌為試驗(yàn)導(dǎo)軌，試驗(yàn)導(dǎo)軌安裝在可以快速更換的安裝基體上，龍門架下方導(dǎo)軌為機(jī)床的工作導(dǎo)軌，工作導(dǎo)軌將龍門架固定在機(jī)床上并沿導(dǎo)軌做直線運(yùn)動(dòng)。

運(yùn)行時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，工作臺(tái)在螺母座的帶動(dòng)下一起運(yùn)動(dòng)，前側(cè)液壓缸加壓，產(chǎn)生推力或拉力作用在工作臺(tái)上，通過工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)絲杠的軸向加載。龍門架與工作臺(tái)的相對(duì)位置保持固定，控制兩者之間的3個(gè)液壓缸實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)軌的不同方向的加載。試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物照片如圖2所示。

1.1 液壓加載系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

常見的加載方式主要以機(jī)械加載、電加載和液壓加載為主，但大多為恒力加載且需要手動(dòng)操作，改變加載力時(shí)需要先停止試驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)行才能改變加載力，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，調(diào)節(jié)不夠靈活[2]。為實(shí)現(xiàn)模擬實(shí)際工況的加載方式，試驗(yàn)臺(tái)采用前側(cè)液壓缸實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)絲杠的軸向加載，液壓缸的拉壓力可由拉壓傳感器傳輸至電腦，其拉壓力由比例伺服閥連續(xù)可調(diào)；導(dǎo)軌加載通過安裝在工作臺(tái)和移動(dòng)龍門架之間3個(gè)加載油缸(左右兩側(cè)2個(gè)、上側(cè)1個(gè))實(shí)現(xiàn)，加載力大小由比例伺服閥連續(xù)可調(diào)。該加載系統(tǒng)可以在不停機(jī)的狀態(tài)下實(shí)時(shí)進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，可根據(jù)提前編寫的程序連續(xù)調(diào)節(jié)壓力，程序運(yùn)行后不需要人員在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)壓操作。液壓加載系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

導(dǎo)軌3個(gè)加載油缸規(guī)格相同，都為缸徑φ80 mm，行程100 mm，工作壓力4 MPa，可產(chǎn)生2 t壓力，滾珠絲杠軸向加載油缸缸徑φ80 mm，活塞桿外徑φ45 mm，行程1 200 mm，工作壓力4 MPa，可產(chǎn)生2 t壓力。4個(gè)油缸通過數(shù)控系統(tǒng)編程給予比例伺服閥不斷變化的模擬電壓，便可以模擬實(shí)際加工中不斷變化的橫向力和軸向力。

1.2 測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

導(dǎo)軌加載力測(cè)量系統(tǒng)傳感器使用GY-2型輪輻式稱重傳感器，顯示導(dǎo)軌受到的橫向壓力；絲杠加載力測(cè)量系統(tǒng)傳感器使用AMS-1型號(hào)傳感器，該傳感器是采用S型梁結(jié)構(gòu)，拉、壓力均可用之測(cè)量，可實(shí)時(shí)顯示絲杠受到的軸向載荷，導(dǎo)軌副溫升測(cè)量系統(tǒng)選用的是pt100溫度傳感器[3]。

上位機(jī)采用LabView編程，主要實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與顯示、數(shù)據(jù)與圖像保存、試驗(yàn)報(bào)告打印等功能。使用流程如圖4所示。

該測(cè)量系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)顯示試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行時(shí)絲杠受到的軸向力以及導(dǎo)軌受到的加載力并將數(shù)據(jù)處理為曲線圖，直觀的顯示壓力變化，同時(shí)檢測(cè)絲杠和導(dǎo)軌運(yùn)行時(shí)的溫度變化，并為試驗(yàn)臺(tái)下階段升級(jí)提供軟件保障。

2 模擬實(shí)際工況運(yùn)行測(cè)試

為驗(yàn)證模擬實(shí)際工況絲杠導(dǎo)軌可靠性試驗(yàn)臺(tái)的檢測(cè)準(zhǔn)確性與可靠性，現(xiàn)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)比內(nèi)容為該試驗(yàn)臺(tái)加載運(yùn)行后絲杠導(dǎo)軌的性能與實(shí)際生產(chǎn)使用的機(jī)床上絲杠導(dǎo)軌的性能。

選取兩根型號(hào)為GD4010×2000的絲杠，在檢測(cè)完摩擦力矩和運(yùn)動(dòng)精度后，分別安裝在試驗(yàn)臺(tái)和生產(chǎn)用的機(jī)床上，設(shè)置其實(shí)際移動(dòng)量為1 000 mm，兩副型號(hào)為DA35AL的滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副檢測(cè)完摩擦力后分別安裝在上述試驗(yàn)臺(tái)和機(jī)床上。實(shí)際加工過程中，如車削、銑削等，絲杠和導(dǎo)軌受到的力是不斷變化的，為模擬實(shí)際工況中絲杠和導(dǎo)軌受到的力，對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行編程，左右兩側(cè)及上側(cè)油缸輸出壓力如圖5所示。

運(yùn)行過程中前側(cè)液壓缸的液壓桿隨絲杠的螺母一起運(yùn)動(dòng)，通過伺服閥調(diào)節(jié)液壓缸壓力使之產(chǎn)生壓力給絲杠進(jìn)行加載，液壓缸輸出壓力變化曲線如圖6所示。

對(duì)液壓系統(tǒng)編程調(diào)試無誤后，進(jìn)行加載跑合試驗(yàn)，記錄跑合距離。對(duì)實(shí)裝試驗(yàn)機(jī)床開機(jī)進(jìn)行銑削加工，通過控制柜控制機(jī)床的跑合距離。控制機(jī)床和試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行速度相同，跑合1 000 km后，將絲杠和導(dǎo)軌分別取下，同時(shí)從機(jī)床上取下同樣運(yùn)行1 000 km的絲杠和導(dǎo)軌，分別檢測(cè)螺母與絲杠的摩擦力矩和運(yùn)動(dòng)精度，以及導(dǎo)軌與滑塊的摩擦力。

將絲杠安裝在摩擦力檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)上，絲杠的摩擦力矩檢測(cè)原理如圖7所示。

絲杠在空載狀態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠螺母之間的摩擦力將通過擺桿轉(zhuǎn)換為對(duì)壓力傳感器的壓力，因θ非常小，cscθ≈1，因此絲杠的摩擦力矩為M=L×FN。

滾珠絲杠副摩擦力矩使用平均值表示，試驗(yàn)檢測(cè)記錄如表1所示。

表1 滾珠絲杠副摩擦力矩檢測(cè)記錄

試驗(yàn)臺(tái)機(jī)床(正/反)摩擦力矩/(N·m)132/15131/15

滾珠絲杠副的運(yùn)動(dòng)精度檢測(cè)采用3 m激光測(cè)量?jī)x進(jìn)行檢測(cè)，其檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確反應(yīng)靈敏。滾珠絲杠副運(yùn)動(dòng)精度用最大行程1 000 mm的變動(dòng)量表示，試驗(yàn)檢測(cè)記錄如表2所示。

表2 滾珠絲杠副運(yùn)動(dòng)精度檢測(cè)記錄

試驗(yàn)臺(tái)機(jī)床最大行程變動(dòng)量/μm794759

從表1數(shù)據(jù)看，跑合1 000 km后，絲杠在試驗(yàn)臺(tái)和機(jī)床上的摩擦力矩幾乎相等，運(yùn)動(dòng)精度差值在1 μm以內(nèi)，檢測(cè)結(jié)果有效。

將導(dǎo)軌安裝在直線導(dǎo)軌副加載試驗(yàn)臺(tái)上，在空載的情況下通過拉壓傳感器拉動(dòng)導(dǎo)軌勻速運(yùn)動(dòng)，通過計(jì)算機(jī)讀取傳感器測(cè)量值，便可得到導(dǎo)軌副的摩擦力，其檢測(cè)原理如圖8所示。

導(dǎo)軌滑塊摩擦力檢測(cè)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 導(dǎo)軌滑塊摩擦力檢測(cè)記錄

最大摩擦力/N最小摩擦力/N平均摩擦力/N變動(dòng)量范圍/N試驗(yàn)臺(tái)152810171225511機(jī)床15039851241518

可以看出，導(dǎo)軌試驗(yàn)臺(tái)的加載試驗(yàn)后測(cè)量結(jié)果與機(jī)床實(shí)際加工后的測(cè)量結(jié)果基本相同，可判斷檢測(cè)結(jié)果有效[4]。

3 結(jié)語

通過對(duì)比絲杠和導(dǎo)軌分別在模擬實(shí)際工況絲杠導(dǎo)軌可靠性試驗(yàn)臺(tái)上運(yùn)行1 000 km和在機(jī)床上實(shí)際生產(chǎn)加工運(yùn)行1 000 km后的檢測(cè)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)臺(tái)變力加載后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與實(shí)際生產(chǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致，說明該試驗(yàn)臺(tái)模擬實(shí)際工況的加載方式能夠有效模仿實(shí)際生產(chǎn)加工所產(chǎn)生的變力，具有實(shí)際使用價(jià)值。對(duì)于該試驗(yàn)臺(tái)的研究還處于初始階段，有待對(duì)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)一步改進(jìn)并且進(jìn)行大量的對(duì)比試驗(yàn)與分析論證，希望能夠?yàn)闈L動(dòng)部件的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

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