滾珠絲杠動態(tài)特性測量控制與數(shù)據(jù)處理探討

呂永昌 苗義高

（麗水學(xué)院，麗水 323000）

引言

滾珠絲杠副是由絲杠、螺母、滾珠、返向器等零部件裝配而成。典型的滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)如圖1所示。滾珠絲杠副的主要作用是改變運(yùn)動路徑，可以在直線運(yùn)動路徑和曲線運(yùn)動路徑之間轉(zhuǎn)換。滾珠絲杠副具有傳動精度高、傳動效率高、傳動可逆性、使用壽命長、同步性能好的特點(diǎn)，所以被廣泛應(yīng)用于制造業(yè)加工過程。但是，使用過程中如果滾珠絲杠副出現(xiàn)磨損，則會較大程度影響機(jī)械加工過程中的整體精確度。所以，為了保證產(chǎn)品的質(zhì)量，需要在使用過程中定期對滾珠絲杠副進(jìn)行檢驗(yàn)，以保證滾珠絲杠副的正常、有效運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖1 典型滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

以德國、日本為代表的工業(yè)化程度較高的國家，在工業(yè)革命中率先崛起。他們在工業(yè)制造加工過程中擁有先進(jìn)的技術(shù)，對于滾珠絲杠副方面的研究也是遙遙領(lǐng)先。滾珠絲杠副的驅(qū)動速度通過研究和技術(shù)的提高，已經(jīng)從20m/min增加到現(xiàn)在10倍的速度。在滾珠絲杠副測量方面，日本東京工業(yè)大學(xué)聯(lián)合先進(jìn)的工業(yè)制造加工企業(yè)，研發(fā)了LMS型3m動態(tài)激光導(dǎo)程測量機(jī)[1]，從連續(xù)性檢測角度出發(fā)，實(shí)現(xiàn)了對滾珠絲杠副的動態(tài)性檢測過程，通過全方位、全過程的連續(xù)不斷數(shù)據(jù)采集，增加了數(shù)據(jù)的可靠性和檢測數(shù)據(jù)的

準(zhǔn)確性[2]。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國整體的工業(yè)化起步較晚，沒有在工業(yè)革命時(shí)期抓住革命的命脈，工業(yè)化的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于世界上其他先進(jìn)的國家。從工業(yè)化發(fā)展過程來看，我國對滾珠絲杠副研究的起步較晚，研究基礎(chǔ)比較薄弱，研究過程中的實(shí)踐應(yīng)用也不足。因此，在這方面的研究尚有一定程度的欠缺[3]。國內(nèi)先進(jìn)水平的代表為北京機(jī)床所，它在長時(shí)間研究過程中調(diào)整產(chǎn)生的綜合測試裝置，極大提高了測量速度，為國內(nèi)滾珠絲杠副的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)[4]。本文在此國內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行滾珠絲杠動態(tài)特性測量控制與數(shù)據(jù)處理探討，通過提出滾珠絲杠動態(tài)特性測量的指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對滾珠絲杠動態(tài)特性的控制，并從數(shù)據(jù)處理中得出分析的結(jié)論。

2 測量指標(biāo)的選取

檢測指標(biāo)的選取直接關(guān)系到實(shí)驗(yàn)裝置的構(gòu)建，針對不同的測量需求選擇不同的測量儀器，并通過不同儀器之間的相互配合、相互補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)對測量指標(biāo)的綜合性測量。本文將主要從以下5個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析。

2.1 定位精度及重復(fù)定位精度

滾珠絲杠副最主要的功能是定位功能。通過定位功能能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)床對零部件的精準(zhǔn)加工，對于控制零部件的外形和減少精度差具有重要作用。因此，把定位精度及重復(fù)定位精度作為最重要的測量指標(biāo)。

2.2 反向間隙

反向間隙會影響機(jī)器空轉(zhuǎn)的問題。機(jī)器在空轉(zhuǎn)過程中會加快機(jī)械的非正常磨損，且反向間隙的存在也會在一定程度上影響定位精度及重復(fù)定位精度，導(dǎo)致精度下降。所以，反向間隙也是重要的測量指標(biāo)之一。

2.3 驅(qū)動速度及加速度

驅(qū)動速度及加速度直接決定機(jī)床的加工速度。對于驅(qū)動速度及加速度較快的機(jī)器，定位速度快則大大提升了機(jī)械加工的速度，提高了整體的生產(chǎn)能力。

2.4 噪聲

在機(jī)械加工過程中，不可避免會產(chǎn)生一定噪聲，而噪聲有害于人的身體。此外，使用過程中，由于機(jī)械損耗的存在，機(jī)械噪聲會越來越大。通過檢測噪聲，可在一定程度上發(fā)現(xiàn)機(jī)械中潛在的健康問題。

2.5 溫升

機(jī)械在連續(xù)的摩擦過程中會產(chǎn)生大量熱能，如果熱能沒有及時(shí)疏散則，機(jī)械會產(chǎn)生溫度變形，長期下去將加速機(jī)械的磨損過程。此外，溫度升高也會影響滾珠絲的定位精度及重復(fù)定位精度。

3 測量方案布置

為了同時(shí)測量定位精度及重復(fù)定位精度、反向間隙、驅(qū)動速度及加速度、噪聲、溫升等指標(biāo)，選取合適的測量儀器，通過適當(dāng)?shù)慕M合方法進(jìn)行儀器的組合應(yīng)用，可以測量直徑為32、50、80且長度不超過2m的滾珠絲杠副的以上五個(gè)指標(biāo)。儀器的具體組合和布置方案如圖2所示，主要包括11個(gè)主要部分：（1）伺服電機(jī)；（2）左軸承座；（3）絲杠；（4）螺母；（5）右軸承座；（6）同步帶輪；（7）氣浮導(dǎo)軌；（8）光柵尺；（9）連接器；（10）工作臺；（11）花崗巖基座。通過以上11個(gè)機(jī)械部分的合理組合和布置，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)原理的搭建，從而實(shí)現(xiàn)測量滾珠絲杠副的目的。

1.伺服電機(jī)；2.左軸承座；3.絲杠；4.螺母；5.右軸承座；6.同步帶輪；7.氣浮導(dǎo)軌；8.光柵尺；9.連接器；10.工作臺；11.花崗巖基座

4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

通過上述測量方案進(jìn)行系統(tǒng)布置，然后選用合適的儀器進(jìn)行綜合布置，就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。但是，數(shù)據(jù)采集過程中需要將系統(tǒng)中的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)能夠進(jìn)行處理的數(shù)據(jù)信號。通常，測量過程中傳感器能夠采集到的信號都是連續(xù)的模擬信號，需要進(jìn)行一次處理才能夠把連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)楸阌谟?jì)算機(jī)識別加工的數(shù)字信號。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的主要功能包括以：（1）傳感器進(jìn)行直接數(shù)據(jù)采集的工具；（2）信號調(diào)理電路是進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕橘|(zhì)；（3）數(shù)據(jù)采集單元是進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的最小單位；（4）計(jì)算機(jī)是信息處理的終端，也是把數(shù)字圖像化的使用終端，是實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器互動的直接媒介。

5 結(jié)語

通過對滾珠絲杠副的測量指標(biāo)選取和針對測量指標(biāo)選擇合適的數(shù)據(jù)采集儀器進(jìn)行組合，最后通過傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并利用傳輸媒介進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X終端，最終在計(jì)算機(jī)終端實(shí)現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，形成完成的測量方案和過程。

[1]張振宇.高速滾珠絲杠副綜合性能測試系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用[D].南京：南京理工大學(xué)，2008.

[2]錢榮榮.高速高精度滾珠絲杠定位系統(tǒng)動態(tài)特性與控制方法研究[D].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2016.

[3]孫志平.滾珠絲杠副綜合性能測量試驗(yàn)臺測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方法研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2015.

[4]張?bào)愠剑吆炅ΓS海鳳，等.數(shù)控機(jī)床滾珠絲杠副性能退化評估技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2015，21（5）：1293-1300.