模擬實際工況的直線進給單元綜合性能退化試驗臺的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種模擬實際工況的直線進給單元綜合性能退化試驗臺，該試驗臺用以研究滾珠絲杠副和直線導軌副精度退化和剛度退化對工作臺的綜合性能的影響。工作臺分別由三個方向的氣缸進行加載，實現了模擬機床工作臺實際運動過程。實驗裝置更接近實際工況。滾珠絲杠與伺服電動機之間聯接有扭矩傳感器。滾珠絲杠螺母座和工作臺之間安裝三方向力傳感器，可測量直線導軌副的摩擦力。伺服電動機內部安裝有圓光柵尺，氣動控制和伺服電機控制相配合，實現對試驗臺的加載磨損運行，試驗過程采用加速退化方式并考慮多種因素對工作臺性能的影響。
【專利說明】模擬實際工況的直線進給單元綜合性能退化試驗臺
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種模擬實際工況的直線進給單元綜合性能退化試驗臺，屬于數控機床制造及檢測【技術領域】。
【背景技術】
[0002]本發明專利提出利用氣缸對直線進給單元進行三個方向加載并用加速退化試驗原理設計退化試驗臺，并在運動副連接處設置多個傳感器，用于檢測各種參數數據。研究滾珠絲杠副和直線運動副對工作臺綜合性能的影響。滾珠絲杠副和直線導軌副是數控機床進給系統的主要移動部件，其精度決定了數控機床工作臺的精度。實際工況下為了提高滾珠絲杠副和直線導軌副的剛度，常采用增加滾珠絲杠副和直線導軌副的預緊力的方法提高剛度。進給單元使用一段時間后，隨滾珠絲杠副和直線導軌副反復的運行，滾動體和滾道的摩擦磨損會導致預緊力喪失，運動副的預緊力下降、運動副產生形位誤差，導致直線進給單元精度下降，如何準確的得知精度下降的機理成為了難題。滾珠絲杠副和直線導軌副的傳動精度與很多因素有關，例如摩擦力矩、預緊力，加載方式，運動方式，接觸角等。國內滾珠絲杠副和直線導軌副制造企業和相關研究單位對滾珠絲杠副和直線導軌副已經做了很多研究，但仍然不能準確描述工作臺和導軌之間綜合性能的退化過程。考慮預緊力和摩擦力矩等多種因素對工作臺綜合性能退化研究并進行建模也少有研究。
【發明內容】
[0003]本發明涉及一種模擬實際工況的直線進給單元綜合性能退化試驗臺，用于研究滾珠絲杠和直線導軌的精度退化對工作臺綜合性能的影響。
[0004]本發明所采用的技術方案是一種模擬實際工況的直線進給單元綜合性能退化試驗臺，該試驗工作臺包括試驗臺底座1、絲杠伺服電機2、連接支座3、直線滾動導軌副4、滾珠絲杠副5、工作臺6、軸向氣缸加載塊7、雙氣缸活塞8、垂直氣缸加載滾輪9、龍門架10、垂直氣缸11、軸向雙氣缸12、側向加載氣缸13、側向氣缸加載滾輪14、扭矩傳感器15、直線光柵尺16、三方向力傳感器17 ;該試驗工作臺米用三方向氣缸加載方式,模擬真實統床的工作狀態。
[0005]絲杠伺服電機2與滾珠絲杠副5通過連接支座3連接，且在連接支座3與滾珠絲杠副5的連接處設置有扭矩傳感器15，絲杠伺服電機2通過聯軸器與滾珠絲杠副5連接并驅動工作臺6進行往復動作；直線滾動導軌副4固定在試驗臺底座I上；龍門架10固定安裝在試驗臺底座I兩側；軸向氣缸加載塊7固定在工作臺6軸向位置；工作臺6和試驗臺底座I之間安裝有直線光柵尺16，直線光柵尺16的動尺安裝在工作臺6底部，直線光柵尺16的定尺安裝在直線滾動導軌副4側面，與直線滾動導軌副4平行。
[0006]垂直加載氣缸11安裝在龍門架10頂部，垂直加載氣缸11通過垂直氣缸加載滾輪9對工作臺6進行豎直方向加載，垂直氣缸加載滾輪9與工作臺6之間為滾動接觸。
[0007]側向加載氣缸13安裝在龍門架10側面，側向加載氣缸13通過側向氣缸加載滾輪14對工作臺6進行側向加載，側向氣缸加載滾輪14與工作臺6之間為滾動接觸。
[0008]軸向雙氣缸12安裝在龍門架10上，軸向雙氣缸12上的雙氣缸活塞8與滾珠絲杠副5平行，雙氣缸活塞8可與軸向氣缸加載塊7相接觸，對工作臺6進行軸向加載；軸向氣缸活塞8與軸向氣缸加載塊7之間設置有緩沖橡膠墊。
[0009]與現有技術相比，本發明的有益效果如下。
[0010]I)本發明試驗臺采用氣缸對工作臺進行三個方向加載，實現了模擬機床工作臺實際運動過程。實驗裝置更接近實際工況。綜合考慮滾珠絲杠副和直線導軌副的磨損誤差，將預緊力和摩擦力矩對精度退化的影響考慮到建模當中，并采用重載加速退化試驗。
[0011]2)本發明試驗臺采用大流溢流閥配調壓閥實現高加載力，并控制氣缸與伺服電機配合完成加載試驗。
[0012]3)本發明試驗臺在傳動鏈之間設置多種傳感器以檢測需要的參數。考慮精度退化的因素比以往更多。采用實時監測方式對工作臺進行測量。伺服電機與氣動加載可實現單程加載、往復加載，單方向加載和多方向加載等多種方式對工況進行模擬。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1為本發明裝置的總體結構示意圖。
[0014]圖2為本發明裝置左視圖。
[0015]圖3為本發明裝置俯視圖。
[0016]圖中:1、試驗臺底座，2、絲杠伺服電機，3、連接支座，4、直線滾動導軌副，5、滾珠絲杠副，6、工作臺，7、軸向氣缸加載塊，8、雙氣缸活塞，9、垂直氣缸加載滾輪，10、龍門架，11、垂直氣缸，12、軸向雙氣缸，13、側向加載氣缸，14、側向氣缸加載滾輪，15、扭矩傳感器，16、直線光柵尺，17、三方向力傳感器。
【具體實施方式】
[0017]以下結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細說明。
[0018]如圖1-3所示，一種模擬實際工況的直線進給單元綜合性能退化試驗臺，該試驗工作臺包括，試驗臺底座1、絲杠伺服電機2、連接支座3、直線滾動導軌副4、滾珠絲杠副5、工作臺6、軸向氣缸加載塊7、雙氣缸活塞8、垂直氣缸加載滾輪9、龍門架10、垂直氣缸11、軸向雙氣缸12、側向加載氣缸13、側向氣缸加載滾輪14、扭矩傳感器15、直線光柵尺16、三方向力傳感器17 ;該試驗工作臺米用三方向氣缸加載方式，模擬真實統床的工作狀態。
[0019]絲杠伺服電機2與滾珠絲杠副5通過連接支座3連接，且在連接支座3與滾珠絲杠副5的連接處設置有扭矩傳感器15，絲杠伺服電機2通過聯軸器與滾珠絲杠副5連接并驅動工作臺6進行往復動作；直線滾動導軌副4固定在試驗臺底座I上；龍門架10固定安裝在試驗臺底座I兩側；軸向氣缸加載塊7固定在工作臺6軸向位置；工作臺6和直線滾動導軌副4之間安裝有直線光柵尺16，直線光柵尺16的動尺安裝在工作臺6底部，直線光柵尺16的定尺安裝在直線滾動導軌副4側面，與直線滾動導軌副4平行。
[0020]垂直加載氣缸11安裝在龍門架10頂部，垂直加載氣缸11通過垂直氣缸加載滾輪9對工作臺6進行豎直方向加載，垂直氣缸加載滾輪9與工作臺6之間為滾動接觸。
[0021 ] 側向加載氣缸13安裝在龍門架10側部，側向加載氣缸13通過側向氣缸加載滾輪14對工作臺6進行側向加載，側向加載氣缸加載滾輪14與工作臺6之間為滾動接觸。
[0022]軸向雙氣缸12安裝在龍門架10上，軸向加雙氣缸12上的雙氣缸活塞8與滾珠絲杠副5平行，雙氣缸活塞8可與軸向氣缸加載塊7相接觸，對工作臺6進行軸向加載；軸向氣缸活塞8與軸向氣缸加載塊7之間設置有緩沖橡膠墊。
[0023]工作臺采用三方向加載以模擬進給單元實際工況。加載力高于實際工況負載，考慮兩種退化方式，第一、采用勻速高載荷退化方式進行精度退化實驗，第二、采用工作臺加減速運行進行精度退化實驗，通過加速退化試驗中傳感器獲得的數據建立精度預測模型，預測工作臺綜合性能退化機理。
[0024]三個方向的氣缸均采用恒壓輸出，并且輸出壓力通過調壓閥可調。為了獲得更大的加載力，軸向氣缸采用雙氣缸，總回路和分回路均設有節流閥并聯單向閥，便于調整雙氣缸為同步運行。
[0025]本試驗臺測量的數據包括:工作臺6總負載扭矩，通過扭矩傳感器15測得。滾珠絲杠副5與工作臺6之間的摩擦力矩，通過雙螺母機構測量。工作臺6直線位移，通過直線光柵尺16測得。光柵尺采用絕對式編碼或者相對式編碼。絲杠伺服電機2的角位移，通過絲杠伺服電機的內置圓光柵測得。三方向氣缸的輸出壓力，由氣動系統的調壓閥的壓力表測得。工作臺6所受總摩擦力，由三方向力傳感器17測得。
[0026]實施例
[0027]本發明所述試驗臺采用三個方向氣缸加載方式，模擬真實銑床的工作狀態，滾珠絲杠副采用雙螺母結構(已申請發明專利，申請號:201410067042.7)，加載試驗狀態下，滾珠絲杠副5通過主螺母驅動工作臺6往復運動，副螺母通過測力桿測量滾珠絲杠副的摩擦力矩；軸向氣缸采用對稱的兩組氣缸同時對工作臺進行加載。
[0028]該試驗工作臺的操作步驟如下，
[0029]步驟1:垂直加載氣缸11安裝在龍門架10上通過垂直氣缸加載滾輪9對工作臺6加載，垂直氣缸加載滾輪9與工作臺6之間為滾動接觸；側向加載氣缸13安裝在龍門架10側部，側向加載氣缸13通過側向氣缸加載滾輪14對工作臺6進行側向加載，側向氣缸加載滾輪14與工作臺6之間為滾動接觸；軸向雙氣缸12安裝在龍門架10上，軸向雙氣缸12上的雙氣缸活塞8與滾珠絲杠副5平行，雙氣缸活塞8通過軸向氣缸加載塊7，對工作臺6進行軸向加載。
[0030]步驟2:工作臺6和滾珠絲杠副5的螺母座之間安裝三方向力傳感器和扭矩傳感器，三方向力傳感器為塊狀，上表面直接與工作臺6連接，下表面直接與滾珠絲杠副5主螺母座連接。用于測量滾動導軌副的摩擦力。扭矩傳感器15安裝在工作臺6與副螺母之間，扭矩傳感器6的一側保持副螺母座上表面與工作臺平面平行。該裝置用于測量滾珠絲杠副的摩擦力矩。
[0031]步驟3:工作臺6和試驗臺底座I之間安裝有直線光柵尺16，動尺安裝在工作臺底部，定尺安裝在導軌側，與導軌平行。滾珠絲杠和伺服電機之間采用力矩傳感器15連接，力矩傳感器兩側安裝聯軸器分別連接伺服電機和滾珠絲杠，伺服電機尾部同軸安裝有圓光柵。
[0032]步驟4:試驗采用加速退化方式，采用三個方向氣缸對工作臺進行加載，模擬直線進給單元實際工況，各個氣缸的氣壓由氣動系統控制，并且軸向雙氣缸12的兩個氣缸通過節流閥調整為同步運行方式。
【權利要求】
1.一種模擬實際工況的直線進給單元綜合性能退化試驗臺，其特征在于:該試驗工作臺包括試驗臺底座(I)、絲杠伺服電機(2)、連接支座(3)、直線滾動導軌副(4)、滾珠絲杠副(5)、工作臺￠)、軸向氣缸加載塊(7)、雙氣缸活塞(8)、垂直氣缸加載滾輪(9)、龍門架(10)、垂直氣缸(11)、軸向雙氣缸(12)、側向加載氣缸(13)、側向氣缸加載滾輪(14)、扭矩傳感器(15)、直線光柵尺(16)、三方向力傳感器(17);該試驗工作臺米用三方向氣缸加載方式，模擬真實銑床的工作狀態； 絲杠伺服電機(2)與滾珠絲杠副(5)通過連接支座(3)連接，且在連接支座(3)與滾珠絲杠副(5)的連接處設置有扭矩傳感器(15)，絲杠伺服電機(2)通過聯軸器與滾珠絲杠副(5)連接并驅動工作臺(6)進行往復動作；直線滾動導軌副(4)固定在試驗臺底座(I)上；龍門架(10)固定安裝在試驗臺底座(I)兩側；軸向氣缸加載塊(7)固定在工作臺(6)軸向位置；工作臺(6)和試驗臺底座(I)之間安裝有直線光柵尺(16)，直線光柵尺(16)的動尺安裝在工作臺(6)底部，直線光柵尺(16)的定尺安裝在直線滾動導軌(4)側面，與直線滾動導軌副(4)平行； 垂直加載氣缸(11)安裝在龍門架(10)頂部，垂直加載氣缸(11)通過垂直氣缸加載滾輪(9)對工作臺(6)進行豎直方向加載，垂直氣缸加載滾輪(9)與工作臺(6)之間為滾動接觸； 側向加載氣缸(13)安裝在龍門架(10)側面，側向加載氣缸(13)通過側向氣缸加載滾輪(14)對工作臺(6)進行側向加載，側向氣缸加載滾輪(14)與工作臺(6)之間為滾動接觸； 軸向雙氣缸(12)安裝在龍門架(10)上，軸向雙氣缸(12)上的雙氣缸活塞(8)與滾珠絲杠副(5)平行，雙氣缸活塞⑶可與軸向氣缸加載塊(7)相接觸，對工作臺(6)進行軸向加載；軸向氣缸活塞(8)與軸向氣缸加載塊(7)之間設置有緩沖橡膠墊。
2.根據權利要求1所述的模擬實際工況的直線進給單元綜合性能退化試驗臺，其特征在于:工作臺采用三方向加載以模擬進給單元實際工況；加載力高于實際工況負載，考慮兩種退化方式，第一、采用勻速高載荷退化方式進行精度退化實驗，第二、采用工作臺加減速運行進行精度退化實驗，通過加速退化試驗中傳感器獲得的數據建立精度預測模型，預測工作臺綜合性能退化機理。
3.根據權利要求1所述的模擬實際工況的直線進給單元綜合性能退化試驗臺，其特征在于:三個方向的氣缸均采用恒壓輸出，并且輸出壓力通過調壓閥可調；為了獲得更大的加載力，軸向氣缸采用雙氣缸，總回路和分回路均設有節流閥并聯單向閥，便于調整雙氣缸為同步運行。
4.根據權利要求1所述的模擬實際工況的直線進給單元綜合性能退化試驗臺，其特征在于:本發明試驗臺測量數據包括，工作臺(6)總負載扭矩，通過扭矩傳感器(15)測得；滾珠絲杠副(5)與工作臺(6)之間的摩擦力矩，通過雙螺母機構測量；工作臺(6)直線位移，通過直線光柵尺(16)測得；光柵尺采用絕對式編碼或者相對式編碼；絲杠伺服電機(2)的角位移，通過絲杠伺服電機的內置圓光柵測得；三方向氣缸的輸出壓力，由氣動系統的調壓閥的壓力表測得；工作臺(6)所受總摩擦力，由三方向力傳感器(17)測得。
【文檔編號】G01M99/00GK104198204SQ201410438959
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月30日 優先權日:2014年8月30日
【發明者】張巍, 王民, 孔德順, 高相勝 申請人:北京工業大學