一種滾珠絲杠副軸向靜剛度測量裝置及方法與流程

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本發明涉及技術測量領域，尤其是涉及一種滾珠絲杠副軸向靜剛度測量裝置及方法。

背景技術：

滾珠絲杠副是由絲杠、滾珠、螺母等組成的機械元件，因其傳動效率高，傳動精度高，結構緊湊，可實現微量及高速進給而廣泛使用在精密數控機床中。但由于制造誤差，裝配誤差以及絲杠和滾珠，滾珠和螺母之間的接觸作用，滾珠絲杠副結合部絲杠和螺母之間存在一定的柔性。在機床運行過程中，尤其是在高速、高加速的進給系統運動過程中，滾珠絲杠副在慣性力、切削力以及摩擦力作用下產生微小變形，很大程度上影響了進給系統的動態特性和定位性能，甚至會導致進給系統產生振動，損壞進給系統部件。因此滾珠絲杠副軸向靜剛度的測量和標定對數控機床加工精度控制和優化具有重大意義。

滾珠絲杠副軸向靜剛度表示滾珠絲杠抵抗軸向變形的能力，它定義為在軸向力作用下發生單位軸向變形(δl＝1um)所需要的軸向力(δf，單位：n)。國內現有對滾珠絲杠副軸向剛度的測試方案主要存在以下問題：

(1)加載系統一般采用液壓油缸或者由伺服電機拖動，加載機構復雜，組建成本高；

(2)沒有修正加載過程中螺母位移及絲杠位移的系統誤差，測量結果存在較大誤差。

技術實現要素：

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種低成本、高精度、結構簡單可靠、操作方便快捷的滾珠絲杠副軸向靜剛度測量系統及方法。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種滾珠絲杠副軸向靜剛度測量裝置，該裝置包括：

支撐組件：包括基座以及設置在基座上的第一支撐塊，所述的基座上從左至右依次開設三個深槽，所述第一支撐塊固定在左側深槽內；

測量數據處理組件：包括力傳感器、位移傳感器、數據采集卡和計算機，所述的力傳感器、位移傳感器通過數據采集卡與計算機連接，所述的位移傳感器設置在第三支撐塊后側面以及被測絲杠的末端上方；

加載組件：包括第二支撐塊、防轉板、第一加載螺母、第二加載螺母和加載滾珠，所述的第二支撐塊安裝在中部深槽中，且能在中部深槽中滑動調整，所述的第一支撐塊依次通過第一加載螺母、力傳感器、第二加載螺母和加載滾珠與被測絲杠的頭端連接，所述被測絲杠的頭端穿過第二支撐塊上的通孔，并且開設有一與加載滾珠匹配的錐形孔，所述的防轉板固定在第二支撐塊上，并且嵌入被測絲杠軸肩處的平面內以防止轉動；

固定組件：包括固定在右部深槽內的第三支撐塊，所述的被測絲杠的末端穿過第三支撐塊上的通孔，被測螺母通過螺栓固定在第三支撐塊上。

所述的第一支撐塊和第三支撐塊的一側端面開有矩形沉孔，另一側端面與深槽內表面緊靠，并通過部分嵌入矩形沉孔的壓塊限制軸向翻轉，所述的第二支撐塊左右兩側面各開設一個矩形沉孔，并通過部分嵌入第二支撐塊矩形沉孔的一對壓塊限制左右翻轉。

所述的位移傳感器包括第一位移傳感器、第二位移傳感器和第三位移傳感器，所述的第一位移傳感器和第二位移傳感器按高低位置依次安裝在第三支撐塊后側端面絲杠的正上方，所述的第三位移傳感器安裝在被測絲杠末端面中心點正上方。

一種滾珠絲杠副軸向靜剛度測量方法，包括以下步驟：

1)在測量裝置上安裝被測絲杠在連接力傳感器、位移傳感器、數據采集卡和計算機后對被測絲杠的頭端施加軸向壓力；

2)根據力傳感器和位移傳感器測得的數據，分別獲取待測螺母軸向位移d2和被測絲杠的旋轉半徑h及旋轉角度α；

3)對被測螺母在軸向載荷作用下的位移以及被測絲杠軸的翻轉位移進行修正，并計算被測絲杠的軸向靜剛度。

所述的步驟2)中，第三支撐塊和被測絲杠的旋轉半徑h和旋轉角度α的計算式為：

其中，m0、m1…mi分別為第一位移傳感器依次測得的第一位移傳感器到第三支撐塊后側面的距離，n0、n1…ni為第二位移傳感器依次測得的第二位移傳感器到第三支撐塊后側面的距離，h1為第一位移傳感器到第二傳感器的垂直距離，h2為第二傳感器到絲杠中心線的垂直距離。

所述的步驟3)中，被測絲杠的軸向靜剛度的計算式為：

δ＝(sr-st)·cosα＝(d3-d2+l2)·cosα+(r+h)·sinα-l2

其中，sr、st分別為在o1坐標系中分別與第三位移傳感器測量點同一高度位置上的點到被測絲杠初始末端位置的距離，r為被測絲杠翻轉前第三位移傳感器測量點到被測絲杠中心線的距離，l2為第三支撐塊后側面到絲杠末端的距離，f為由加載螺母施加的軸向載荷，d3為第三位移傳感器測得的絲杠末端位移，d2為待測螺母的軸向位移。

與現有技術相比，本發明具有以下優點：

1)采用旋轉加載螺母的方式加載，避免了加載油缸、加載電機等使用操作復雜，可靠性差，組建成本高等缺點，整體結構簡單可靠，成本較低，操作方便；

2)綜合考慮了測量臺架在加載過程中螺母的軸向位移以及絲杠軸的翻轉位移對軸向靜剛度測量帶來的影響并對其進行修正，測量結果更加準確可靠。

附圖說明

圖1為本發明滾珠絲杠副軸向靜剛度測量裝置的結構組成和連接組裝示意圖；

圖2為本發明測量裝置加載組件結構示意圖；

圖3為本發明被測絲杠旋轉半徑變化和旋轉角度變化原理圖；

圖4為本發明螺母位移及絲杠翻轉位移補償原理圖。

圖中標記說明：1、調整塊，2、第一支撐塊，3、壓塊，4、力傳感器，5、防轉板，6、第二支撐塊，7、被測絲杠，8、被測螺母，9、第三支撐塊，10、第一位移傳感器，11、第二位移傳感器，12、第三位移傳感器，13、基座，14、數據采集卡，15、計算機，16、第二加載螺母，17、加載滾珠。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。

實施例

本發明采用固定被測螺母，對被測絲杠施加力的加載測試方式，使用壓力傳感器對軸向力進行檢測和采集，使用位移傳感器分別對螺母軸向位移和絲杠旋轉位移進行檢測和采集，通過對螺母軸向位移和絲杠旋轉位移的補償，即可繪制出被測滾珠絲杠副軸向靜剛度曲線，從而實現被測滾珠絲杠副軸向靜剛度的測量。

結合圖1、圖2，一種滾珠絲杠副軸向靜剛度測量方法，包括由支撐組件、加載組件、固定組件和測量數據處理組件組成的測量裝置和包含固定組件位移測量、絲杠位移測量和誤差補償算法組成的絲杠螺母副軸向接觸變形測量方法。

所述的支撐組件包括基座13和第一支撐塊2；加載組件包括第二支撐塊6、防轉板5、第一加載螺母、第二加載螺母16、加載滾珠17和被測絲杠7；固定組件包括第三支撐塊9、被測螺母8、調整塊1和壓塊3。

如圖1所示，基座13上開有三個深槽，第一支撐塊2、第二支撐塊6、第三支撐塊9依次被分別安裝在深槽內，其中第一支撐塊2和第三支撐塊9各有一側端面開有矩形沉孔并分別用另一側端面緊靠基座13兩端深槽軸向外側安裝，由部分嵌入第一支撐塊2和第三支撐塊9端面矩形沉孔的壓塊3限制翻轉；第二支撐塊6被安裝在基座13中間深槽內，可以沿槽進行軸向前后移動調整，在第二支撐塊6左右兩側面各開有一個矩形沉孔，由深槽限制其左右移動，并由部分嵌入第二支撐塊6矩形沉孔的一對壓塊3限制其左右翻轉。

如圖2所示，在被測絲杠7一端加工出一個錐形孔，力傳感器4一端通過第一加載螺母安裝到第一支撐塊2上，另一端依次通過第二加載螺母16、加載鋼珠17和被測絲杠7構成加載系統，通過旋轉第二加載螺母16即可加載或卸載。

結合圖1，被測螺母8通過螺栓安裝在第三支撐塊9上，在被測絲杠7一端靠近軸肩處加工出一個平面，被測絲杠7穿過第二支撐塊6上的通孔由防轉板5頂死該小平面而限制其轉動；

測量數據處理組件由第一位移傳感器10、第二位移傳感器11、第三位移傳感器12和力傳感器4，數據采集卡14和計算機15組成。

結合圖1，第一位移傳感器10和第二位移傳感器11以某一距離依次按上下位置安裝到第三支撐塊9后側端面絲杠正上方，用于測量第三支撐塊9旋轉位移；第三位移傳感器12以某一固定距離安裝到被測絲杠7末端面中心點正上方，用于測量被測絲杠軸向位移；

結合圖1、圖2，力傳感器4左端通過第一加載螺母和第一支撐塊2連接，力傳感器4右端通過第二加載螺母16和加載滾珠17、被測絲杠7相連，用于實現軸向載荷的加載和卸載；

結合圖1，數據采集卡14一端通過屏蔽線分別和位移傳感器及力傳感器4相連，另一端通過接口和計算機15相連，調用建立在計算機15上的數據采集軟件就可以編輯各項數據采集參數，開始或停止各傳感器數據的采集；

固定組件位移測量包括第三支撐塊9旋轉位移測量以及確定絲杠旋轉半徑和旋轉角度隨軸向載荷變化曲線。

結合圖1和圖3，在第三支撐塊9后側面以某一距離h1在被測絲杠7正上方按上下位置安裝第一位移傳感器10(s1)、第二位移傳感器11(s2)就可以實現第三支撐塊9旋轉位移的測量；

結合圖1和圖3，假設第三支撐塊為剛體，在軸向載荷作用下沒有彈性變形，則第三支撐塊9和被測絲杠7旋轉半徑h和旋轉角度α可以表示為：

分別對h-f測量點集和α-f測量點集進行擬合，得到第三支撐塊水平位移和旋轉位移隨載荷的近似變化曲線。

其中：

α、h分別為第三支撐塊連同絲杠軸繞z軸旋轉的旋轉角度和旋轉半徑；

m0、m1…mi分別為位移傳感器s1依次測得的到第三支撐塊后側面的距離；

n0、n1…ni為位移傳感器s2依次測得的到第三支撐塊后側面的距離；

h1、h2分別為位移傳感器s1到s2和s2到絲杠中心線的垂直距離；

f為由加載螺母施加的軸向載荷。

絲杠位移測量包括被測絲杠7末端軸向位移測量以及螺母5軸向位移的測量。

結合圖1和圖4，由于被測絲杠7末端存有工藝中心孔，為了不影響實驗數據，在被測絲杠7末端面中心點正上方以距離r安裝位移傳感器s3，結合位移傳感器s1和位移傳感器s2對被測螺母8軸向位移的測量，設位移傳感器s3測得的絲杠末端位移和位移傳感器s1、位移傳感器s2測得的螺母軸向位移分別為d3和d2，則經過螺母軸向位移補償后的絲杠當量軸向位移sr為：

sr＝d3-d2

同時sr也為o1坐標系中與s3點同一高度上p2位置上的點到絲杠初始末端位置的距離；

誤差補償算法即為第三支撐塊9旋轉位移和被測螺母8軸向位移對被測絲杠7軸向位移的補償：

結合圖4，點s3在o2坐標系下的坐標可以看做由在o1坐標系下的坐標平移得到，得o1到i2的坐標變換矩陣[t12]：

s3點在o3坐標系下的坐標可以看成由點s3在o1坐標系下的坐標旋轉變換得到，得o1到o3的坐標變換矩陣[t13]：

可得s3點在o3坐標系下的坐標：

s3點在o4坐標系下的坐標可以看成由o3坐標系下的坐標平移得到，點s3到絲杠翻轉但滾珠未受擠壓變形絲杠末端面理論位置p1的距離d即為s點在o4坐標系下的x坐標值，由齊次坐標變換：

d＝(l2+m)·cosα+(r+h)·sinα-l2

由幾何關系：

由幾何關系，得絲杠僅因滾珠受擠壓變形而產生的軸向位移δ為：

δ＝(sr-st)·cosα

＝(d3-d2+l2)·cosα+(r+h)·sinα-l2