滾珠絲桿副的振動實驗測試系統(tǒng)及適配性評價*

溫振強(qiáng)，王天雷，陳惠添，趙 挺，王 柱

0 引言

數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的功能是控制刀具運(yùn)動到設(shè)定位置，確保加工工件尺寸、位置和表面精度。滾珠絲杠副作為數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的關(guān)鍵功能部件，其性能的高低很大程度上決定了數(shù)控機(jī)床的精度水平[1-2]。評價絲杠性能的主要指標(biāo)有振動、噪音、摩擦力矩溫升、剛度、壽命等，都要受到進(jìn)給運(yùn)動的傳動精度、靈敏度和穩(wěn)定性的直接影響。其中絲杠的振動除與制造和安裝水平的直接相關(guān)以外，文獻(xiàn)[3-6]表明，滾珠對返向器的沖擊是產(chǎn)生軸向振動重要因素，將直接影響機(jī)床進(jìn)給精度，導(dǎo)致工作臺產(chǎn)生軸向位移，影響工作臺的定位精度。而絲杠的徑向振動也可能作為一個激勵源，使機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)甚至整機(jī)在某一頻域內(nèi)產(chǎn)生共振，加劇刀具的磨損，增大表面粗糙度，產(chǎn)生波紋和無法保證尺寸精度等，影響零件的加工質(zhì)量。

隨著數(shù)控機(jī)床向高速、高精方向發(fā)展，對滾珠絲杠副的性能提出了越來越高的要求，作為功能部件之一，滾珠絲杠副在機(jī)床整機(jī)中起到關(guān)鍵作用，在保證機(jī)床實現(xiàn)客戶要求的前提下，盡可能使?jié)L珠絲桿與整機(jī)功能及性能指標(biāo)相匹配，避免精度冗余或不足，提高產(chǎn)品性價比。

根據(jù)上述要求，本文設(shè)計了一種適合企業(yè)進(jìn)行滾珠絲桿振動測試的系統(tǒng)，該系統(tǒng)由運(yùn)動控制器、多通道數(shù)據(jù)測量分析儀、加速度傳感器和負(fù)載等組成，并針對公司面向不同產(chǎn)品加工的數(shù)控機(jī)床對滾珠絲桿的差異性要求，對三個不同品牌滾珠絲桿副運(yùn)行的振動性能進(jìn)行了測試、分析和適配性評價，為設(shè)計不同用途的數(shù)控機(jī)床/裝備選配滾珠絲桿副提供依據(jù)。

1 測試裝置

1.1 測試裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

滾珠絲桿振動測試系統(tǒng)見圖1，主要由伺服電機(jī)及驅(qū)動器、加速度傳感器和控制系統(tǒng)等組成。其中運(yùn)動控制選用固高公司GTS-800-PV/PG-PCI型運(yùn)動控制器，信號采集與分析采用美國Benstone公司四通道動態(tài)信號測量儀、傳感器采用美國PCB公司LW185401/02/03三軸加速度傳感器，數(shù)控系統(tǒng)采用公司自主研發(fā)的佳鐵系統(tǒng)（JT803），此外，設(shè)計了進(jìn)給系統(tǒng)負(fù)載，可模擬數(shù)控機(jī)床實際加工狀況進(jìn)行加載運(yùn)行。測試系統(tǒng)基本構(gòu)成見圖2。

圖1 滾珠絲桿副振動測試系統(tǒng)

圖2 滾珠絲桿副振動測試系統(tǒng)基本構(gòu)成

1.2 軟件設(shè)計

滾珠絲桿振動性能測試系統(tǒng)軟件設(shè)計見圖3，主要由驅(qū)動模塊，控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集分析模塊等組成。

圖3 測試系統(tǒng)程序總體設(shè)計框圖

2 測試試驗

本文僅針對公司生產(chǎn)的500C/E高光數(shù)控機(jī)床的配套的X軸滾珠絲桿，選擇不同品牌滾珠絲桿進(jìn)行振動測試，分析與評價其對高光數(shù)控機(jī)床的適配性。本文僅對滾珠絲桿在不同轉(zhuǎn)速時產(chǎn)生的振動進(jìn)行測試，并不考慮產(chǎn)生振動的原因，即激勵因素，或進(jìn)行故障診斷分析。因此測試時，采集時域中加速度幅值信號進(jìn)行分析，對振動不做頻域分析。

測試安排如下。

（1）測試裝置

測試采用公司研發(fā)的滾珠絲桿副振動性能測試系統(tǒng)，見圖1。滾珠絲杠兩端支撐方式為雙推—支承方式，即絲杠一端固定，另一端支承。固定端軸承同時承受軸向力和徑向力，支承端軸承只承受徑向力，而且能作微量的軸向浮動，可以避免或減少絲杠因自重而出現(xiàn)的彎曲。同時絲熱變形可以自由地向一端伸長。在被測絲杠螺母上安放了LW185401三軸加速度傳感器測量絲杠振動，運(yùn)行時分別采集徑向水平、垂直和軸向的振動信號，如圖4所示。

圖4 滾珠絲桿副振動測試系統(tǒng)

（2）測試對象

針對500C/E高光數(shù)控機(jī)床的X軸滾珠絲桿，選取市場三個使用較廣的品牌，分別編號為：1#絲杠、2#絲杠和3#進(jìn)行測試，被測滾珠絲桿主要參數(shù)均為：公稱直徑d0=28 mm，滾珠直徑db=3.5 mm，導(dǎo)程I=5 mm，絲杠最大行程Lmax=800 mm，返向器為內(nèi)循環(huán)式，滾珠直徑為3.175 mm。

（3）測試方案

根據(jù)公司產(chǎn)品500C/E高光數(shù)控機(jī)床設(shè)計要求，切削加工時進(jìn)給速度范圍為：0.25～10 m/min；快速進(jìn)給時為：10～40 m/min。此外，另選高速狀態(tài)，即進(jìn)給速度為100 m/min（2 000 r/min）進(jìn)行測試，分別選定三種速度為滾珠絲杠的測試轉(zhuǎn)速，見表1。測試時，將有預(yù)加載荷的滾珠絲桿安裝在絲桿性能平臺上，通過驅(qū)動單元驅(qū)動絲桿，往返跑合絲桿，在穩(wěn)定運(yùn)行后進(jìn)行曲線錄取與數(shù)據(jù)存儲，數(shù)據(jù)采集模塊采集絲桿3次往返加速度幅值。

表1 測試轉(zhuǎn)速的選取r/min

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 試驗結(jié)果

在轉(zhuǎn)速為200、800與2 000 r/min進(jìn)行測試，對不同滾珠絲桿進(jìn)行3次往返運(yùn)行，將測試的加速度幅值取均值和最大峰值列入表2。圖5、圖6與圖7是在轉(zhuǎn)速為200 r/min滾珠絲桿在時域里的軸向振動、徑向水平振動和徑向垂直振動波形，分析表2與圖5～7可知。

表2 三種品牌測試結(jié)果

（1）對比表2中三個不同轉(zhuǎn)速測試數(shù)據(jù)，1#滾珠絲桿副的軸向振動、徑向水平振動與徑向垂直振動的振幅均值、峰值都小于2#絲桿副和3#絲桿副。

（2）對不同轉(zhuǎn)速絲桿副的測試表明，軸向振幅＜徑向水平振幅＜徑向垂直振幅。即，滾珠絲桿軸向振幅小于徑向振幅。

（3） 圖 5～7 為 轉(zhuǎn) 速 在200 r/min（對應(yīng)的進(jìn)給速度為10 m/min）時，在時域里采集不同絲桿的三個方向振幅變化曲線，可看出：2#滾珠絲桿振幅均大于1#和3#絲杠。

（4）表2與圖5、圖6和圖7表明，三種絲杠都有顯示出峰值，有沖擊，不存在明顯規(guī)律。絲杠1#三個方向的最大峰值均小于1，絲杠2#的最大峰值比絲杠3#最大峰值大。

（5）隨著轉(zhuǎn)速的提高，滾珠絲杠副三個方向振動幅值均增大。

（6）整體評價滾珠絲杠副振動性能，并按優(yōu)劣排序為：1#絲杠＞3#絲杠＞2#絲杠。

3.2 絲桿性能分析及適配性評價

滾珠絲杠的軸向振動是影響定位精度和噪聲的重要因素[4]，數(shù)控機(jī)床的X、Y軸的絲杠振動會影響加工零件的水平投影輪廓的尺寸精度誤差和表面精度，Z軸絲杠振動可能導(dǎo)致工件表面粗糙度值增大或產(chǎn)生波紋[5-7]。

為較客觀地評價滾珠絲杠振動特性，應(yīng)考慮在不同轉(zhuǎn)速和不同的方向振動對整機(jī)加工精度與工作穩(wěn)定性的影響程度不一樣，因此，本文采用加權(quán)平均的綜合評價法對三種絲杠振動性能進(jìn)行優(yōu)劣排序。權(quán)重的確定如下。

（1）振幅方向權(quán)重的確定。用加權(quán)平均值來評價絲杠振動特性的優(yōu)劣，考慮軸向振動對加工質(zhì)量影響最大，取加權(quán)系數(shù)為0.4，徑向垂直和水平均取0.3。

（2）不同轉(zhuǎn)速所測振幅的權(quán)重的確定。考慮轉(zhuǎn)速200 r/min時，對應(yīng)的進(jìn)給速度為10 m/min，為高速加工一個重要指標(biāo)，因此取加權(quán)系數(shù)為0.5；800 r/min為空行程快速定位，取加權(quán)系數(shù)取0.3；，2000 r/min為特別設(shè)定高速，僅作評價參考，取加權(quán)系數(shù)為0.2。

圖5 滾珠絲杠副軸向振動波形(n=200 r/min)

圖6 滾珠絲杠副徑向水平振動波形(n=200 r/min)

圖7 滾珠絲杠副徑向垂直振動波形(n=200 r/min)

綜合評價計算公式：

其中：Aˉi分別為各絲杠振幅加權(quán)平均值，當(dāng)i=1時為1#絲杠振幅加權(quán)平均值，其他以此類推；aijk為i絲桿在j方向，對應(yīng)的k轉(zhuǎn)速時滾珠絲桿測得振幅；j為滾珠絲桿測得的軸向、徑向水平和徑向垂直三個方向振幅測試；k為對應(yīng)的轉(zhuǎn)速在200 r/min、800 r/min和2000 r/min時滾珠絲桿測試；wj為軸向振幅、徑向水平振幅和徑向垂直振幅的加權(quán)系數(shù)，分別為：0.3、0.3和0.4。

最大峰值取各個絲杠在不同測試狀態(tài)所采集的振幅最大峰值，進(jìn)行簡單的數(shù)學(xué)平均，公式為：

A?i分別為各絲杠最大峰值的平均值；a?ijk為i絲桿在j方向，對應(yīng)的k轉(zhuǎn)速時滾珠絲桿測得最大峰值。

根據(jù)表2數(shù)據(jù)分別計算 Aˉi、 A?i，結(jié)果列入表3，由表3可明顯看出優(yōu)劣排序為：1#絲杠＞3#絲杠＞2#絲杠。

表3 絲桿振動性能綜合評價及適配性評價

4 結(jié)語

（1）針對各種數(shù)控機(jī)床對滾珠絲桿的不同要求，設(shè)計了一種適合企業(yè)進(jìn)行滾珠絲桿振動測試系統(tǒng)平臺，該平臺配置其他測試附件，還可用于測試絲杠的噪音、摩擦力矩、溫升、剛度、壽命等。

（2）對三個不同品牌滾珠絲桿副進(jìn)行了測試，并采用加權(quán)平均的綜合評價法對三種絲杠振動性能進(jìn)行優(yōu)劣排序。較客觀地區(qū)分不同品牌絲桿振動性能差異。

（3）分析了不同絲杠與面向不同加工對象的數(shù)控機(jī)床的適配性，為設(shè)計數(shù)控機(jī)床/裝備選配滾珠絲桿副提供了依據(jù)。

對不同品牌的電機(jī)進(jìn)行測試，分析與客觀評價了伺服電機(jī)的整體性能，為企業(yè)生產(chǎn)的不同數(shù)控機(jī)床/裝備選擇適配滾珠絲桿副提供了可靠客觀依據(jù)，有效提高了數(shù)控機(jī)床/裝備的性價比，為企業(yè)創(chuàng)造了較大的經(jīng)濟(jì)效益。

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