滚珠丝杠电机（共7篇）
滚珠丝杠电机 篇1
0 引言
滚珠丝杠又称滚珠螺杆, 是将回转运动转化为直线运动的部件, 滚珠丝杠由丝杠螺杆、滚珠和丝杠螺母组成。滚珠在丝杠螺杆与丝杠螺母间滚动, 属于滚动摩擦, 因此能取得比滑动摩擦高的传动效率。与过去的滑动丝杠相比, 滚珠丝杠由于钢球做滚动运动, 启动扭矩极小, 所需驱动扭矩仅为前者的三分之一;不会产生滑动摩擦中出现的爬行现象, 所以能进行非常精确的微量进给。基于以上优点, 目前伺服电机直接驱动滚珠丝杠带动负载的情况越来越多。如何选择伺服电机的参数与运送的负载相匹配从而最大限度地发挥伺服电机的性能就成为系统选型的关键。本文主要从工件水平运动和垂直运动两方面介绍伺服电机的旋转扭矩的计算步骤。
1 伺服电机驱动滚珠丝杠水平运动时轴向负荷的计算
图1为用滚珠丝杠直接运送负载的装置, 水平左右往返运送负载时的轴向负荷Fan按式 (1) ~式 (6) 计算:
式中:Fa1为去路加速时的轴向负荷, N;Fa2为去路等速时的等速负荷, N;Fa3为去路减速时的等速负荷, N;Fa4为返程加速时的轴向负荷, N;Fa5为返程等速时的轴向负荷, N;Fa6为返程减速时的轴向负荷, N;m为运送质量, kg;μ为导向面上的摩擦因数;f为导向面的阻力, N;a为加速度, m/s2。
式中:Vmax为最高速度, m/s;t1为加速时间, s。
2 伺服电机驱动滚珠丝杠垂直运动时轴向负荷的计算
图2为用滚珠丝杠直接运送负载的装置, 垂直上下往返运送负载时的轴向负荷Fan按下式计算。
式中:Fa1为上升加速时的轴向负荷, N;Fa2为上升等速时的等速负荷, N;Fa3为上升减速时的等速负荷, N;Fa4为下降加速时的轴向负荷, N;Fa5为下降等速时的轴向负荷, N;Fa6为下降减速时的轴向负荷, N;m为运送质量, kg;f为导向面的阻力, N;a为加速度, m/s2。
加速度a可通过下式求出:
式中:Vmax为最高速度, m/s;t1为加速时间, s。
3 伺服电机所需的旋转扭矩的计算
将滚珠螺杆的旋转运动转换成丝杠螺母的直线运动所需要的旋转扭矩可以由式 (15) ~式 (21) 求出。
式中:Tt为等速时需要的旋转扭矩, N·mm;T1为由外部负荷引起的摩擦扭矩, N·mm;T2为滚珠丝杠的预压扭矩, N·mm;T4为其它扭矩, N·mm。
式中:Tk为加速时需要的旋转扭矩, N·mm;T3为加速时需要的扭矩, N·mm。
式中:Tg为减速时需要的旋转扭矩, N·mm。
驱动滚珠丝杠旋转所需的旋转扭力之中, 由外部负荷 (主要指接触面的摩擦阻力) 所需要的旋转扭矩, 可根据下式求出:
式中:T1为由外部负荷引起的摩擦扭矩, N·mm;Fa为轴向负荷, N;Ph为滚珠丝杠的导程, mm;η为滚珠丝杠的效率, 0.9~0.95;A为减速比。
由滚珠丝杠出厂前施加的预压力引起的预压扭矩
式中:Td为滚珠丝杠的预压扭矩, N·mm。
滚珠丝杠加速运送负载时所需的加速扭矩[1]
式中:J为转动惯量, kg·m2;ω′为角加速度, rad/s2。
式中:Ph为滚珠丝杠的导程, mm;Js为丝杠轴的惯性力矩, kg·m2;JA为丝杠轴侧齿轮等的惯性力矩, kg·m2;JB为马达侧齿轮等的惯性力矩, kg·m2。
式中:Nm为马达转速, r/min;t为加速时间, s。
式中:J为圆形物的转动惯量[3], kg·m2;m为圆形物的质量, kg;D为丝杠轴外径, mm。
计算出等速时的旋转扭矩Tt、加速时的旋转扭矩Tk、减速时的旋转扭矩Tg, 取其中数值最大者即为选用伺服电机时参考的最小扭矩。
4 结语
目前, 用该种计算方法所选用的伺服电机已经应用于实际中, 从伺服电机反馈的参数来看, 此种计算方法完全合理可靠。
摘要：针对伺服电机直接驱动滚珠丝杠带动负载的应用, 介绍了伺服电机旋转扭矩的计算步骤, 以及相应的公式。
关键词：伺服电机,滚珠丝杠,旋转扭矩
参考文献
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[3]张三慧, 王虎珠.大学物理:第1册[M].北京:清华大学出版社, 1990:185-186.
滚珠丝杠电机 篇2
滚珠丝杠副作为数控机床、精密仪器等各种精密机械设备中的关键零部件, 具有传动效率和传动精度高、能逆向传动、同步性能好、性价比高等特点, 在机械设备中应用极为广泛[1,2]。对其性能 (包括疲劳寿命和精度寿命等指标) 进行测试是保证产品质量、提高产品应用水平的重要手段之一[3,4]。目前, 国内外针对滚珠丝杠副相关性能的测量技术呈现如下发展趋势:测试仪器向自动化的方向不断发展;用动态连续测量的方法获得与滚珠丝杠工作状态一致的精度和物理性能参数;从单一的导程精度、动态摩擦力矩、接触刚度等性能指标的测定逐步向综合性能测试的方向发展[5]。
相对国外而言, 国内有关滚珠丝杠副测试的研究工作起步比较晚, 测试技术水平满足不了当今高速精密滚珠丝杠副性能检测的需求, 对国内滚珠丝杠副产品性能的提高形成了制约, 所以研究适应需求的滚珠丝杠副综合测试技术、开发高速精密检测平台是很有意义的工作[6]。
笔者以直线电机为加载机构、旋转伺服电机为丝杠驱动机构、多功能运动控制卡为运动控制器, 设计了滚珠丝杠副高速加载跑合寿命试验机。该试验机在完成滚珠丝杠副相关参数测量的同时, 可对试制产品进行寿命试验, 为改进产品结构提供依据, 另外, 也可以在较短的时间内消除丝杠副的初期磨损, 使丝杠副在进入使用过程后即处于稳定磨损阶段。
1 试验机系统整体设计要求及方案
1.1 系统设计基本要求
(1) 试验对象。高速、精密滚珠丝杠副, 直径32~80mm, 全长1000~2200mm, 行程800~1800mm。
(2) 试验条件。温度: (20±3) ℃;湿度:40%~70%;噪声小于75dB;驱动速度可达到80m/min。
(3) 运动参数。伺服电机作为主驱动机构, 在加载电机提供3kN阻力时, 丝杠副最大移动速度可达80m/min以上, 加速度可达到1.5g;在加载电机提供的持续阻力达到5kN时, 丝杠副快移速度可达到65m/min以上, 加速度可达到1g以上;单次不停机运行时间不小于50h。
其他需实现的功能及主要技术指标:
(1) 可对高速滚珠丝杠副进行高速往复跑合, 以实现丝杠副寿命及可靠性的测试。
(2) 可测试高速滚珠丝杠副的驱动速度和加速度。
(3) 可测试高速滚珠丝杠副的定位精度和重复定位精度。
(4) 可测量丝杠副的预紧力矩, 并可保存或打印测量结果报告。
(5) 可输入丝杠副的参数, 包括丝杠编号、直径 (10~100mm) 、导程 (1~50mm) 、钢球直径 (1~20mm) 、行程 (100~2000mm) 、丝杠全长 (100~2200mm) 、精度等级 (1~10) , 预紧力矩 (0.001~5.00N·m) 。
(6) 可设定运动条件。驱动速度 (0~100m/min) 、直线电机提供的推动阻力 (0~8kN) 、跑合时间 (0~1000h) 、跑合次数 (0~10 000次) 。
(7) 可显示丝杠副的实时运行状态, 包括速度、加速度、承受的负载、跑合次数、跑合时间、定位精度、重复定位精度。
(8) 能实现上述运行状态数据的自动采集 (测量) 与处理, 并可保存或打印运行状态数据报告。
(9) 系统电机具备热敏保护、行程控制、硬限位等安全保护功能。
1.2 系统总体设计方案
试验机设计的要点之一是根据试验丝杠的试验要求及连接方式设计试验机机械结构及加载方式, 重点解决以下问题:高速重载工况下试验机的结构设计及制造;实现高速工况下的可调、稳定加载;丝杠预拉伸结构设计;试验台的整体寿命问题。综合以上考虑, 系统选择了直线电机作为加载电机, 系统整体结构如图1所示。
试验机丝杠由伺服电机和联轴器驱动产生旋转运动, 丝杠螺母与直线电机的动子连接, 螺母移动, 直线电机始终产生与螺母移动方向相反的推力来加载, 系统的协调和控制由计算机和运动控制卡来完成, 可以实时显示运动过程中的速度、位移等信息, 同时伺服电机及直线电机具备热敏保护、行程控制、硬限位等安全保护功能。试验机机械结构平台如图2。
2 试验机控制系统设计
试验机电控系统的整体实现如图3所示。控制系统以多轴运动控制器为核心, 采用“NC嵌入PC”结构组成开放式的运动控制系统, 多轴运动控制器采用PMAC-PCI-Lite卡, 计算机采用工控机。这种方案可充分利用计算机资源, 它不仅具有信息处理能力强、开放程度高、可靠性高、运动轨迹控制精确、通用性好、操作简单等特点, 而且还在很大程度上提高了应用系统的精度和柔性。系统还包括直线电机和伺服电机功率驱动模块、光栅和编码器位置速度反馈装置、滚珠丝杠副摩擦力矩测量传感器、系统配电控制柜及用户操作界面等部分。
2.1 多轴运动控制卡 (PMAC卡)
PMAC (programmable multi-axis controller) 是美国Deltu Tau Data System公司遵循开放式系统体系结构标准开发的集运动轴控制、PLC控制以及数据采集等多种功能为一体的运动控制产品, 单控制器最多可以支持32轴同时高效运行。PMAC既可以与PC机进行总线或串口通信, 也可以脱离PC机运行, 可以控制任何类型的电机和连接多种反馈装置, 除了可以执行运动程序、PLC程序及电机伺服更新主要功能以外, PMAC还提供了换相更新、内部安全管理、与主机通信等功能, PMAC提供的上述功能使得PMAC卡能够安全可靠地工作[7,8]:
2.2 直线电机及其控制
结合测试系统的基本要求和条件, 使用直线电机作为滚珠丝杠负载加载电机, 由于采用直线电机代替传统的电机-丝杠系统, 因而消除了机械传动链及其带来的误差、间隙和速度限制等一系列影响精度、速度和动态性能的环节, 电机和负载之间直接耦合, 使系统具备高速度、高加速度、高负载定位精确性、快速循环等优点, 可获得很高的动态性能, 而且结构简单、紧凑。
直线电机是一种可以直接产生直线运动的电磁装置。它可以看成由旋转电动机演化而来 (图4) , 由定子演变而来的一侧称为初级, 由转子演变而来的一侧称为次级。该电机用永磁体代替了电励磁系统, 因而省去了电刷、滑环和励磁线圈, 但其定子与绕线式同步电机基本相同, 因此称之为永磁同步直线电动机 (permanent magnet synchronous linear motor, PMSLM) [9,10]。
本系统直线电机持续推力为8kN, 峰值推力为10kN, 最大速度为2050mm/s, 采用的光栅分辨力为20μm, 量程为2100mm。
2.3 控制系统软件设计
根据试验机系统的基本要求和结构特点, 完成了控制系统软件和操作界面的设计。
控制系统软件和操作界面主要完成试验参数设置、运行过程参数实时显示及试验报告生成等几部分功能。试验设置参数包括丝杠参数 (直径、长度、导程、钢球直径、行程、预紧力矩等) 设置和运行参数 (行程、运行次数、运行速度和加速度、直线电机加载力等) 设置;实时参数显示主要包括丝杠运行的位置、速度、加速度、阻力、定位误差、重复定位误差, 以及力矩测量模块中的摩擦力矩等参数;试验报告模块对运行过程进行记录、计算、分析, 并在试验结束时形成试验报告。
3 试验结果及分析
在完成系统软硬件设计之后, 对系统进行了初步试验。运行条件如下:丝杠速度500mm/s、加速度500mm/s2、加载力1000N。试验结果如图5~图9所示。
从试验结果可看出, 试验机准确地反映了滚珠丝杠副在多个运动循环中的位置、速度、加速度、定位误差和加载力等参数的变化情况。由于试验采用S形加速过程, 运行行程短 (800mm) , 加速时间也比较短, 因此, 其位置和速度变化接近于正弦曲线。丝杠运行定位误差也比较小, 不超过20μm。多次的试验结果表明, 该试验机在连续稳定变负载的情况下, 可以对滚珠丝杠在高速、高加速度、大负荷等条件下进行长时间测试, 可满足寿命试验机对滚珠丝杠副疲劳寿命和精度寿命测试的要求。
4 结论
本试验机使用直线电机作为滚珠丝杠负载加载电机, 具备高速度、高加速度、高负载定位精确性、快速循环等优点, 可获得很高的动态性能, 且结构简单、紧凑;同时采用多轴运动控制卡和工控机结合的“NC嵌入PC”结构组成开放式的运动控制系统, 结合完善的软件操作系统的编制, 实现了直线电机和旋转伺服电机的协调控制及相关试验过程的设置和管理工作。近一年的运行结果表明, 设备主要部件工作正常、可靠, 可满足长时间稳定运行的需求。
参考文献
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滚珠丝杠副反向间隙调整方法 篇3
关键词：滚珠丝杠副,反向间隙,调整
一、反向间隙测量
在数控机床修理中, 调整滚珠丝杠副反向间隙最关键的一步是准确测量其间隙大小。只有准确测量出反向间隙, 才能有效地调整。滚珠丝杠副反向间隙可用百分表、千分表来测量。以千分表测量为例 (图1) , 先将机床数控系统参数表中原反向间隙补偿值设为零, 把千分表固定在机床导轨上, 按以下测量步骤操作。
(1) 通过数控程序, 将被测滚珠丝杠副带动的移动部件 (工作台或刀架) 从“+”侧向“-”侧移动一定距离L1。
(2) 将千分表表头对准移动部件“+”侧的表面, 并调整指针对准“0”位 (表头要有一定的压入长度) 。
(3) 通过数控程序, 设置移动位移参数, 将移动部件快速向“-”侧移动一定距离。假设移动部件实际移动距离为L2。
(4) 然后按第3步相同的位移参数反向移动, 即从“-”侧向“+”侧快速移动。假设移动部件反向移动实际距离为L3。
(5) 读千分表, 计算反向间隙值, 反向间隙δ=L2-L3。
二、反向间隙调整方法
滚珠丝杠副反向间隙调整方法可分为机械调整法 (也称硬件调整法) 和数控参数补偿法 (也称软件调整法) 两类。常见的滚丝杠副结构见图2～图9。
1. 机械调整法
因滚珠丝杠副结构型式不同, 其机械调整方法可分为垫片法、螺纹法、齿差法、旋转法、变导程法、选配法等6种。
(1) 垫片法。垫片法是指通过改变调整垫片厚度来调整滚珠丝杠与滚珠螺母之间反向间隙的方法。垫片法适用于上述图2和图3两种结构。调整垫片分为整体式、剖分式和缺口式3种结构形式 (图10) 。在调整中优先选用剖分式和缺口式两种结构。
(2) 螺纹法。螺纹法是指直接旋转滚珠螺母上的调整螺母或调节螺钉来调整滚珠丝杠与滚珠螺母之间反向间隙的方法。螺纹法适用于上述图4和图9两种结构。
(3) 齿差法。齿差法是利用两个螺母上的齿数差来调整滚珠丝杠与滚珠螺母之间反向间隙的方法。
此法只适用于图5所示结构。调整前, 先根据反向间隙的大小确定间隙消除量Δ, 运用式 (1) 计算出n的值。
式中n———滚珠螺母相对内齿圈转过的齿数
Δ———反向间隙消除量, mm
Z1、Z2———滚珠螺母A、B上的齿数
t———丝杠螺距, mm
调整时, 将内齿圈拆下, 相对原位同向旋转两个滚珠螺母n个齿数的角度, 装上内齿圈, 调整结束。
(4) 旋转法。旋转法是指通过相对旋转两个滚珠螺母来调整滚珠丝杠与滚珠螺母之间反向间隙的方法。双螺母腰形孔式图6结构适于旋转法, 调整时松开固定螺钉, 两个滚珠螺母相对滚珠丝杠反向旋转来消除间隙。其实上述的齿差法也属于旋转法, 双螺母齿差式图5的两个滚珠螺母相对滚珠丝杠是同向旋转, 其实对于两滚珠螺母来说, 就是相对旋转。
(5) 变导程法。变导程法是指改变单个滚珠螺母内螺纹中央处导程的大小来调整滚珠丝杠与滚珠螺母之间反向间隙的方法。此法多用于单螺母滚珠丝杠, 见图8。变导程法调整反向间隙只适用于滚珠丝杠专业制造厂。
(6) 选配法。选配法是指通过选配滚珠尺寸的大小来调整滚珠丝杠与滚珠螺母之间间隙的方法。单螺母预紧式图7结构中就运用了选配法, 通过筛选滚珠消除其间隙, 而且其选配的滚珠能达到大约为额定动载荷5%的预紧力。选配法只适用于滚珠丝杠专业制造厂。
2. 数控参数补偿法
数控参数补偿法是数控机床特有的反向间隙调整的方法。适用于上述滚珠丝杠副所有的结构型式。数控机床因机床生产厂家选用的控制系统不同, 其参数补偿法操作界面、指令和对应的参数号也有所不同, 但其补偿调整的基本步骤是相同的, 如图11所示。首先启动机床数控系统, 进入系统参数设置/修改模式。其次调出滚珠丝杠副所对应轴的参数号, 根据测得的滚珠丝杠副反向间隙的大小修改参数值。参数修改结束, 退出参数设置/修改模式。
(1) 圣维数控Fa系列控制系统
第一步:启动系统进入屏幕LOGO界面;
第二步:按〖F1〗～〖F2〗功能键任意一键进入系统主菜单;
第三步:按〖F2〗键进入参数设置, 屏幕显示相关参数主界面;
第四步:使用〖↑〗、〖↓〗选择用户参数, 按主ENTER著进入相应参数设置;
第五步:使用〖↑〗、〖↓〗选择反向间隙, 按主ENTER著进入相应参数设置, 屏幕显示当前X、Z轴自动补偿间隙值;
第六步:根据测定的数值, 修改相应坐标轴的反向间隙补偿值, 按主ENTER著键, 系统自动保存输入的数值;
第七步:按〖F6〗或主ESC著退出设置。
(2) 广州数控GSK980TA控制系统
第一步:启动系统进入屏幕初始界面;
第二步:按“录入方式”选择键, 进入录入 (MDI) 操作方式;
第三步:按“设置”键进入设置界面中的开关设置页面;
第四步:按“光标移动”键移动光标至“参数开关”项, 通过地址键切换开关到“开”状态, 这时系统会出现P/S100号报警, 可同时按“复位”键和“取消”键消除报警;
第五步:按“参数”键进入参数界面, 通过“前、后翻页”键选择坐标轴所对应的参数号所在页, X轴反向间隙补偿量对应的参数号为034, Z轴反向间隙补偿量对应的参数号为035;
第六步:按“光标移动”键移动光标选择对应轴的参数号, 根据测定的数值输入新参数 (设定范围0～2000, 单位0.001mm) , 按“输入”键, 系统自动保存输入的数值并显示;
第七步:按“设置”键进入设置界面中的开关设置页面, 将参数开关切换到“关”状态;
第八步:按“复位”键退出设置。
(3) BeiJing-FANUC Power mate 0控制系统
第一步:启动系统进入屏幕初始界面;
第二步:置MDI方式或紧急停止状态;
第三步:按功能键“offset/setting”;
第四步:按软键[SETTING]进入设定界面, 用光标移动键将光标移动至参数写入处;顺序按[ (操作) ]、[1:ON]软键, 置参数为写入状态, 这时系统CNC会出现P/S报警[NO.100]状态;
第五步:按功能键“SYSTEM“, 按软键[参数], 将光标移动到要设定或显示的参数号位置或按软键[NO.检索], X轴反向间隙补偿量对应的参数号为535, Z轴反向间隙补偿量对应的参数号为536;
第六步:按“光标移动”键移动光标选择对应轴的参数号, 根据第一步测定的数值用数值键输入新参数, 按软键[输入], 参数值被设定并显示;
第七步:按软键[SETTING]回到设定界面, 用光标移动键将光标移动至参数写入处;顺序按[操作]、[0:OFF]软键;
第八步:按“RESET”键, 系统CNC出现P/S报警解除。
三、结束语
数控机床滚珠丝杠副调整维修 篇4
一、滚珠丝杠副结构与工作原理
1. 滚珠丝杠副的结构、原理
滚珠丝杠螺母副结构与原理见图1。在丝杠和螺母间装有滚珠作为中间元件, 丝杠和螺母上都有半圆弧形的螺旋槽, 套装在一起时便形成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠回路管道, 将几圈螺旋滚道的两端连接起来构成封闭的循环滚道, 并在滚道内装满滚珠。当丝杠旋转时, 滚珠在滚道内沿滚道循环转动即自转, 迫使螺母 (或丝杠) 轴向移动。
2. 滚珠丝杠螺母副的循环方式
常用的循环方式有两种:滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触的称为外循环;始终与丝杠保持接触的称内循环。
(1) 外循环。图2所示为常用的一种外循环方式, 这种结构是在螺母体上轴向相隔数个半导程处钻两个孔与螺旋槽相切, 作为滚珠的进口与出口。再在螺母的外表面上铣出回珠槽并沟通两孔。另外在螺母内进出口处各装一个挡珠器, 并在螺母外表面装一个套筒, 这样构成封闭的循环滚道。外循环结构制造工艺简单, 使用较广泛。缺点是滚道接缝处很难做得平滑, 影响滚珠滚动的平稳性, 甚至发生卡珠现象, 噪声也较大。
(2) 内循环。内循环均采用反向器实现滚珠循环, 反向器有两种型式。如图3a所示为圆柱凸键反向器, 反向器的圆柱部分嵌入螺母内, 端部开有反向槽。反向槽靠圆柱外圆面及其上端的凸键定位, 以保证对准螺纹滚道方向。图3b为扁圆镶块反向器, 反向器为一半圆头平键形镶块, 镶块嵌入螺母的切槽中, 其端部开有反向槽, 用镶块的外廓定位。两种反向器比较, 后者尺寸较小, 从而减小了螺母的径向尺寸及缩短了轴向尺寸。但这种反向器的外廓和螺母上的切槽尺寸精度要求较高。
二、滚珠丝杠副的安装
数控机床的进给系统要获得较高的传动刚度, 除了加强滚珠丝杠螺母本身的刚度之外, 滚珠丝杠正确的安装及其支承的结构刚度也是不可忽视的因素。螺母座及支承座都应具有足够的刚度和精度。通常都适当加大和机床结合部件的接触面积, 以提高螺母座的局部刚度和接触刚度, 新设计的机床在工艺条件允许时, 常常把螺母座或支承座与机床本体做成整体来增大刚度。滚珠丝杠副的安装方式通常有以下几种。
1. 双推——自由方式
如图4a所示。丝杠一端固定, 另一端自由。固定端轴承同时承受轴向力和径向力。这种支承方式用于行程小的短丝杠。
2. 双推———支承方式
如图4b所示。丝杠一端固定, 另一端支承。固定端同时承受轴向力和径向力, 支承端只承受径向力, 而且能作微量轴向浮动, 可以减少或避免因丝杠自重而出现的弯曲, 同时丝杠热变形可以自由地向一端伸长。
3. 双推———双推方式
如图4c所示。丝杠两端均固定, 固定端轴承可以同时承受轴向力, 这种支承方式, 可以对丝杠施加适当的预紧力, 提高丝杠支承刚度, 可以部分补偿丝杠的热变形。
三、滚珠丝杠螺母副的调整、维护
为保证滚珠丝杠反向传动精度和轴向刚度, 必须消除滚珠丝杠螺母副轴向间隙。消除间隙的方法常采用双螺母结构, 利用两个螺母的相对轴向位移, 使两个滚珠螺母中的滚珠分别贴紧在螺旋滚道的两个相反的侧面上, 用这种方法预紧消除轴向间隙时, 应注意预紧力不宜过大 (小于1/3最大轴向载荷) , 预紧力过大会使空载力矩增加, 从而降低传动效率, 缩短使用寿命。
1. 滚珠丝杠副消除间隙方法
(1) 垫片调隙式。如图5所示, 调整垫片厚度使左右两螺母产生轴向位移, 即可消除间隙和产生预紧力。这种方法结构简单刚性好, 但调整不便, 滚道有磨损时不能随时消除间隙和进行预紧。
(2) 螺纹调整式。如图6所示, 螺母的一端有凸缘, 螺母外端制有螺纹, 调整时只要旋动圆螺母, 即可消除轴向间隙并可达到产生预紧力的目的。
(3) 齿差调隙式。如图7所示。在两个螺母的凸缘上各制有圆柱外齿轮, 分别与固紧在套筒两端的内齿圈相啮合, 其齿数分别为Z1和Z2, 并相差一个齿。调整时, 先取下内齿圈, 让两个螺母相对于套筒同方向都转动一个齿, 然后再插入内齿圈, 则两个螺母便产生相对角位移, 其轴向位移量S= (1/Z1-1/Z2) Pn。例如, Z1=80, Z2=81, 滚珠丝杠的导程Pn=6mm时, S=6/6480≈0.001mm, 这种调整方法能精确调整预紧量, 调整方便、可靠、但结构尺寸较大, 多用于高精度的传动。
(4) 单螺母变位螺距预加负荷消隙。如图8所示。它是在滚珠螺母体内的两列循环珠链之问, 使内螺母滚道在轴向产生一个ΔL0的螺距突变量, 从而使两列滚珠在轴向错位实现预紧。这种调隙方法结构简单, 但负荷量须预先设定且不能改变。
(5) 单螺母螺钉预紧。如图9所示, 螺母的专业生产工作完成精磨之后, 沿径向开一薄槽, 通过内六角调整螺钉实现间隙的调整和预紧。该专利技术成功地解决了开槽后滚珠在螺母中良好的通过性。单螺母结构不仅具有很好的性能价格比, 而且间隙的调整和预紧极为方便。
2. 滚珠丝杠副的防护及润滑
(1) 滚珠丝杠副的防护。滚珠丝杠副和其他滚动摩擦的传动器件一样, 应避免硬质灰尘或切屑污物进入, 因此必须装有防护装置。如果滚珠丝杠副在机床上外露, 则应采用封闭的防护罩, 如采用螺旋弹簧钢带套管、伸缩套管以及折叠式套管等。安装时将防护罩的一端连接在滚珠螺母的侧面, 另一端固定在滚珠丝杠的支承座上。如果滚珠丝杠副处于隐蔽的位置, 则可采用密封圈防护, 密封圈装在螺母的两端。接触式的弹性密封圈采用耐油橡胶或尼龙制成, 其内孔做成与丝杠螺纹滚道相配的形状;接触式密封圈的防尘效果好, 但由于存在接触压力, 使摩擦力矩略有增加。非接触式密封圈又称迷宫式密封圈, 它采用硬质塑料制成, 其内孔与丝杠螺纹滚道的形状相反, 并稍有间隙, 这样可避免摩擦力矩, 但是防尘效果差。工作中应避免碰击防护装置, 防护装置一有损坏应及时更换。
(2) 滚珠丝杠副的润滑。润滑剂可提高耐磨性及传动效率。润滑脂可分为润滑油和润滑脂两大类。润滑油一般为全损耗系统用油;润滑脂可采用锂基润滑脂。润滑脂一般加在螺纹滚道和安装螺母的壳体空间内, 而润滑油则经过壳体上的油孔注入螺母的空间内。每半年对滚珠丝杠上的润滑脂更换一次, 清洗丝杠上的旧润滑脂, 涂上新的润滑脂。用润滑油润滑的滚珠丝杠副, 可在每次机床工作前加油一次。
(3) 支承轴承的定期检查。应定期检查丝杠支承与床身的连接是否有松动以及支承轴承是否损坏等。如有以上问题, 要及时紧固松动部件并更换支承轴承。
四、滚珠丝杠副的常见故障及排除方法
1. 滚珠丝杠副常见故障及排除方法
(1) 加工件粗糙值高。导轨的润滑油不足够, 致使溜板爬行伺服电动机未调整好, 增益过大丝杠轴承损坏, 运动不平稳滚珠丝杠有局部拉毛或研损。加润滑油, 排除润滑故障, 调整伺服电机控制系统, 更换损坏轴承, 更换或修理丝杠。
(2) 反向误差大, 加工精度不稳定。丝杠轴联轴器锥套松动丝杠轴滑板配合压板过紧或过松丝杠轴滑板配合楔铁过紧或过松滚珠丝杠预紧力过紧或过松滚珠丝杠螺母端面与结合面不垂直, 结合过松丝杠支座轴承预紧力过紧或过松其他机械干涉润滑油不足或没有滚珠丝杠制造误差大或轴向窜动。重新紧固并用百分表反复测试, 重新调整或修研, 用O.03mm塞尺塞不入为合格, 重新调整或修研, 使接触率达70%以上, 用0.03mm塞尺塞不入为合格, 排除干涉部位, 修理、调整或加垫处理, 修理调整, 用控制系统自动补偿功能消除间隙, 用仪器测量并调整丝杠窜动, 调节至各导轨面均有润滑油, 调整预紧力。检查轴向窜动值, 使其误差≤0.015mm。
(3) 滚珠丝杠在运转中转矩过大。二滑板配合压板过紧或研损滚珠丝杠螺母反向器损坏, 滚珠丝杠卡死或轴端螺母预紧力过大丝杠研损伺服电动机与滚珠丝杠联结不同轴无润滑油伺服电动机过热报警超程开关失灵造成机械故障。重新调整或修研压板, 使0.04mm塞尺塞不入为合格, 修复或更换丝杠并精心调整, 更换, 调整同轴度并紧固连接座, 调整润滑油路, 检查故障并排除。
(4) 丝杠螺母润滑不良。分油器是否分油, 油管是否堵塞。清除污物使油管畅通检查定量分油器。
(5) 滚珠丝杠副噪声。滚珠丝杠轴承压盖压合不良, 滚珠丝杠润滑不良, 丝杠支承轴承可能破损电动机与丝杠联轴器松动, 滚珠产生破损。调整压盖, 使其压紧轴承, 检查分油器和油路, 使润滑油充足, 更换滚珠, 如轴承破损更换新轴承, 拧紧连轴器锁紧螺钉。
(6) 滚珠丝杠不灵活。丝杠弯曲变形轴向预加载荷太大丝杠与导轨不平行螺母轴线与导轨不平行。
(7) 滚珠丝杠副传动状况不良。用润滑脂润滑的丝杠需要移动工作台取下套罩, 涂上润滑脂滚珠丝杠副润滑状况不良。
2. 滚珠丝杠副维修实例
(1) 跟踪误差过大报警。XK713加工过程中, X轴出现跟踪误差过大报警。该机床采用闭环控制系统, 伺服电机与丝杠采用直联的连结方式。在检查系统控制参数无误后, 拆开电机防护罩, 在电机伺服带电的情况下, 用手拧动丝杠, 发现丝杠与电机有相对位移, 可以判断是由于电机与丝杠连接的胀紧套松动所致, 紧定紧固螺钉后, 故障消除。
(2) 位移中产生机械抖动。CK6136车床在Z向移动时有明显的机械抖动。该机床在Z向移动时, 明显感受到机械抖动, 在检查系统参数无误后, 将Z轴电机卸下, 单独转动电机, 电机运行平稳。用扳手转动丝杠, 振动手感明显。拆下Z轴丝杠防护罩, 发现丝杠上有很多小铁屑及污物, 初步判断为丝杠故障引起的机械抖动。拆下滚珠丝杠副, 打开丝杠螺母, 发现螺母反向器内也有很多小铁屑及污物, 造成钢球运转流动不畅, 时有阻滞现象。用汽油认真清洗, 清除杂物, 重新安装, 调整好间隙, 故障排除。
五、小结
数控机床进给系统中的机械传动装置和器件具有高寿命、高刚度、无间隙、高灵敏度和低噪声。数控机床的进给运动链中, 采用丝杠螺母副较普遍。在日常维护中要经常检查润滑状况, 机械精度每年检测调整一次, 新机床可两年检测调整一次, 以确保机床的加工精度。W13.12-11
摘要：数控机床滚珠丝杠副的结构、调整与维修。常见问题有加工件粗糙值高, 加工精度不稳定, 反向误差大, 滚珠丝杠运转中负荷过大, 丝杠螺母副润滑及传动状况不良, 滚珠丝杠副噪声与运转不灵活。
滚珠丝杠电机 篇5
关键词：滚珠丝杠,HyperWorks,疲劳寿命,仿真
1 引言
数控机床及各类机电一体化装备正沿着高精度、高速度、高可靠性及智能环保的方向迅速发展。作为数控机床伺服进给系统中的关键功能部件, 滚珠丝杠性能和功能也在不断提高, 精密高速滚珠丝杠在国内外已得到越来越广泛的应用, 但在高速化的要求下, 滚珠丝杠高速驱动时的振动、噪声、温升和工作可靠性等问题也亟待解决[1]。深入分析滚珠丝杠的疲劳寿命对提高其工作可靠性具有十分重要的意义[5]。
2 滚动接触疲劳理论
在安装、润滑、维护良好的条件下, 因为大量重复地承受变化的接触应力, 滚珠丝杠正常失效形式是滚珠或螺旋槽和螺母的疲劳点蚀。所以丝杠的寿命按疲劳点蚀失效进行计算。
由赫兹弹性理论知, 在压力F作用下两自由弹性体点接触时, 接触区域是一个椭圆, 而且接触椭圆区各点的接触应力按半椭圆规律分布[2]。即
式中, a、b为接触椭圆的长短轴, 其值由以下公式确定:
其中, m=4/ (ρ11+ρ12+ρ21+ρ22) , n=8/3[ (1-μ12) /E1+ (1-μ22) /E2], α、β是由主曲率值确定的几何系数, μ1、μ1和E1、E2分别为材料纵向泊松比和弹性模量。
影响滚珠丝杠副接触强度的主要因素有螺旋角λ和接触角β。轴向力相同时接触角β越大, 在相同扭矩输出下螺旋角λ越大, 每个钢珠所承受的法向力F越小, 且两个接触点处的曲率半径ρ22越大, 接触应力越小, 所以增加接触角β和螺旋角λ可以提高接触强度。
在转速为ni条件下, 滚珠丝杠副工作时间为ti, 所受载荷为Fi。当量转速计算公式为:
滚珠丝杠副在当量载荷Fm及当量转速nm条件下运转, 达到预期寿命时所能承受的最大轴向动载荷Cam, 设计时选用Ca≥Cam。若按滚珠丝杠副的预期工作时间Lh计算, 则
若按滚珠丝杠副的预期运行距离Ls计算, 则
式中:fw为载荷系数, fa为精度系数, 可以按照表1选取。载荷性质
额定疲劳寿命计算公式:
3 滚动接触应力疲劳分析流程
应力寿命法 (Stress-Life Method) , 也叫做S-N曲线法, 是最早的抗疲劳设计方法。应力-寿命模型疲劳分析的一般过程如图1所示。
疲劳寿命分析过程包括:准确描述材料的疲劳行为、确定合适的载荷历程、建立合适的疲劳评估模型、确定模型中危险区域及预测疲劳寿命[5]。
4 疲劳寿命分析文件流
滚珠丝杠疲劳寿命分析需要应用几个软件文件相互的转换和生成。Hyper Mesh作为前处理和后处理软件, 与CAD和求解器都有较好的接口。在Hyper Mesh中建立的有限元分析模型以hmnast模板生成输出文件.dat格式用来提交求解器Nastran求解计算。计算生成的结果文件.pch需要经过Hyper Mesh转换为可读的.res格式。
FE-Fatigue软件就是在静强度分析的基础上, 找到关键部位, 进而在已知的材料S-N曲线和载荷谱作用下求解关键部位的疲劳寿命。得到的疲劳寿命结果文件需导入Hyper Mesh软件进行后处理分析。疲劳寿命分析的文件流如图2所示。
其中有两种路线可以执行: (1) 通过Nastran直接生成.fes文件; (2) 由Nastran生成的.pch文件在Hyper Mesh中转换成FE-Fatigue所需要的.fes文件。为了能在Hyper Mesh中查看各个步骤的分析结果, 本文采用第二种方法。
5 载荷谱
应力测量是为了进行载荷谱统计处理。滚珠丝杠疲劳强度的载荷谱分析采用雨流循环计数方法 (应用相当广泛) 。考虑实际工况, 滚珠丝杠副中滚珠与螺旋槽接触处的应力测量目前没有试验数据, 可以通过计算机仿真得到。利用Radioss对滚珠与丝杠传动过程接触应力变化进行瞬态分析, 得到接触力随时间变化图作为载荷谱的原始数据, 如图3所示, 其中分析时间为0.03s。
根据以上接触力转化成滚珠的应力在一次滚珠丝杠传动的载荷谱, 如图4所示, 历时4.25s。生成的.dac格式文件用于滚珠丝杠疲劳寿命仿真。
6 疲劳寿命仿真
滚珠丝杠副中滚珠与丝杠一般超过一百万次循环以上才发生材料失效, 属于高周疲劳, 在进行滚动接触疲劳分析及预测寿命时适合采用S-N法。滚珠丝杠在传动过程中, 与滚珠啮合点处的应力较大, 是滚珠及丝杠引起疲劳失效的关键因素。对滚珠丝杠进行S-N疲劳寿命分析后的结果如图5所示。
在滚珠丝杠螺旋槽处与滚子接触的部分呈现不同颜色疲劳损伤云图。单次循环最危险处的损伤为2.63E-09。由图6可知在567号单元处, 其寿命为1.7068E8次。该结果完全满足丝杠1亿次的疲劳强度要求。
7 结语
用Hyperworks中的Hyper Mesh模块对滚珠丝杠作了模态分析, 并通过Radioss模块对滚珠与丝杠接触传动进行了瞬态分析, 从而为疲劳寿命分析所需的载荷谱编制提供了数据, 最后利用N-soft中的FE-Fatigue模块对滚珠丝杠疲劳寿命进行了仿真, 验证了其疲劳寿命符合设计要求。其结果为提高滚珠丝杠的可靠性提供了有力依据, 同时也为其结构优化设计提供了重要的参考数据。
参考文献
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[5]文孝霞, 等.随机载荷作用下微车车身结构疲劳寿命仿真分析[J].现代制造工程, 2012 (7) :78-82.
滚珠丝杠副的预拉伸安装探究 篇6
关键词：丝杠,安装,拉伸
机床的性能在很大程度上取决于进给传动系统的定性和定量装配。机械驱动机构是数控机床进给系统中位置控制的重要环节,对进给系统精度有直接的影响。进给驱动机构主要有滚珠丝杠驱动、齿轮齿条驱动、直线电机驱动和并联虚拟轴驱动几种型式,根据机床的使用范围及精度要求不同,可采用的进给驱动机构也会有很大的差异。由于滚珠丝杠具有传动效率高、定位精度高、使用寿命长、同步性能好、传递可逆性等优点,目前,数控机床使用最普遍、最广泛是“旋转电机+滚珠丝杠”进给传动机构,该机构又分为丝杠转动结构和丝母转动结构。由于丝母转动结构复杂,受移动工作台空间的限制,装配维修比较繁琐,数控机床进给系统中得到广泛使用的是“丝杠转动结构”。滚珠丝杠副一般只能承受轴向力,较大的径向力和倾覆力矩可能造成丝杠的损坏,所以,滚珠丝杠的正确安装对其使用运转性能具有重要的决定作用。
1 滚珠丝杠转动的结构型式
常见的滚珠丝杠转动进给机构有伺服电机与滚珠丝杠直联和伺服电机通过齿轮(或同步带)减速与滚珠丝杠相连,即丝杠随电动机转动,刀架工作台跟随丝母移动,从而将旋转运动转化为直线运动。其结构设计制造相对简单,可以减少启动力矩及滞后时间,见图1~4。
图1型式为一端固定一端自由,适用于短丝杠或垂直安装的丝杠;
图2型式为一端固定一端游动,适用于经济形数控机床进给传动;
图3型式为两端固定,机床使用的较少;
图4型式为一端固定一端拉伸,适用于普及形机床或中高挡机床进给传动,即是预拉伸滚珠丝杠传动的结构型式。
2 预拉伸滚珠丝杠的安装
数控机床滚珠丝杠进给传动结构有轴承座、丝杠专用轴承、滚珠丝杠副、压盖、紧定精密螺母、工作台、伺服电机、联轴器、齿轮或带轮同步带等零件组成。其装配流程是:伺服进给电机轴承座→电机端轴承→丝杠副→后轴承座→压盖→工作台→滚珠螺母座→滚珠丝杠螺母→伺服进给电机。首先要将滚珠丝杠两端轴承座和轴承正确安装后,再将螺母座和工作台相连,最后紧固滚珠丝杠螺母法兰与螺母座的连接螺钉。
轴承支承座的装配之前的检查,当确定某两个轴承座为一组时,首先用专用研检具对轴承座进行检查其止口端面对孔的垂直度,不良时研刮解决,接触率75%且均匀。用芯轴检查单个轴承座的等高度(芯轴要求等径)图五,在轴承座端面根部及距端面100mm处,均不得超过0.005mm,可采用研刮、磨削等方法加工至要求。
轴承支承座的安装,先将电机端轴承座安装固定,然后在安装另一端轴承支座,用芯轴和分组的过度套(等直径同公差尺寸分3~4组)调整两轴承支承座轴承孔轴线侧母线,精度在0.005/100以内,测量上母在0.005/100以内,调整侧母时应控制丝杠轴线至基准导轨的尺寸;两轴承座对导轨的等距度上母和侧母均不得大于0.01mm,对于较长的导轨应先进行调平,上母和侧母可测量两轴承座根部,避免挠度误差。然后依次紧定轴承座螺钉,轴承座安装完毕。
轴承的清洗及填充润滑脂,轴承不要过早地清洗好等待装配,应在即将安装前,打开轴承包装,用洁净的煤油或汽油作为清洗液,进行清洗;对制造厂家已经填充好润滑脂或带有密封圈的轴承,不需要清洗,可直接安装;已清洗好的轴承,在填充润滑脂和轴承安装过程中,不允许裸手接触轴承,以避免附着在手上的汗迹造成轴承的锈蚀。清洗方法,将清洗用器具按照粗、精铣分开进行清洗,器皿底部垫上金属网,防止轴承直接接触器皿底部沾染污物;粗铣时要尽量避免转动轴承,用刷子等工具清除附着在轴承表面上的污物之后再进行精洗;精洗时,将轴承轻轻的转动进行清洗,精洗轴承的清洗液必须经常更换,保持清洁;如果是油润滑的轴承,在轴承的表面和内部涂上一层润滑油,尽量在轴承不旋转的状态下安装到位;如果是脂润滑,清洗后的轴承可用注射器进行填充润滑脂,填充应均匀。常用滚珠丝杠专角接触轴承润滑脂填充量见表1(填充单位:CC)。
丝杠轴承定向装配,轴承内外圈侧面(或倒角)一般都标有径向跳动最大点的标识“O”,安装轴承时该标识“O”点应对准丝杠轴径径向跳动最低点;轴承安装时必须使用专用工具,配合表面涂上清洁的机油,未预紧状态下不允许转动轴承。常用滚珠丝杠专用角接触球轴承螺母紧固力矩见表2(N·M)。
压盖的安装,压盖紧固量的测量,用深度千分尺测量轴承座端面到止口底部的深度尺寸,在不少于三个点检测,取算术平均值计算深度尺寸,轴承在未施加预紧力的情况下单个用外径千分尺(或微分尺)测量外圈宽度尺寸,轴承一组相加的和与止口深度的差作为轴承配制压盖的基本尺寸,然后根据轴承大小确定紧固量,对于轴承制造商给定的轴承宽度尺寸,不需要测量,可直接计算,压盖的紧固量一般控制在0.02~0.04之间,压盖两端面的平行度不大于0.005。
压盖的预紧,将清洗干净的螺钉的螺纹表面涂上机油(或润滑脂),手动旋转到位,(不加预紧力)无阻尼现象,然后用1/2的预紧力按对角紧固一遍,在用100%的预紧力重复紧固一遍,最后按自己便于记忆的顺序(逆时针或顺时针)依次紧固一遍。
3 滚珠丝杠的拉伸
滚珠丝杠副的包装应在安装时打开,以防污物、异物和浮尘侵入丝杠,即使成装完毕也要采取防护措施;当丝杠两端支承座大于800mm时,丝杠中间部位应加一支撑,调整至与丝杠两端的高度一致,再进行拉伸操作。
首先把被拉端轴承按紧固力紧固到位,即把伺服电机端轴承座内的轴承装配好,消除轴承的游隙,拉伸端螺母轻紧到位,如图六。拉伸的计算与方法。
C为丝杠设计拉伸量,α为丝杠的线膨胀系数11.8×10-6/度,Δ为温度变化值2~3℃,L为丝杠的有效支撑长度mm。
如丝杠的支撑长度L=1138mm,取温度变化值Δ=2℃,丝杠设计拉伸量
C=1138×2×11.8×10-6=0.0268mm,实际装配安装时按0.0268对丝杠进行拉伸。
在丝杠上母线和侧母线符合设计要求后,丝母座端面对丝母孔或基准导轨的垂直度不得大于0.005/100,将丝杠两端压上千分(或百分表),在拉伸端对螺母进行紧固,旋转图6右端精密螺母拉伸丝杠,使L2的移动量减去L1的移动量的差,不大于要求的拉伸量C,即L2-LI≤C;且L1的移动量不得大于0.01mm,如图示两点的径向跳动不大于0.01,如轻微超差可按角接触轴承的倾斜度的调整方法进行调整,丝杠的周期性轴向窜动不得大于0.005mm,必需严格控制其轴向窜动量,该项指标直接影响丝杠的进给系统的位置精度。
4 优缺点比较
传统的滚珠丝杠结构如图六,滚珠丝杠螺母与螺母座径向尺寸D是过渡配合,丝杠螺母法兰与螺母座紧固连接,无论先正确安装好丝杠的两端轴承座,在连接丝杠螺母与螺母座工作台;还是先安装丝杠电机端轴承座和丝杠螺母与螺母座工作台,后安装丝杠另一端轴承座,安装调整难度大,同时安装精度也难以保证,滚珠丝杠两端与丝杠螺母座三点都存在着过定位现象。轻者影响机床加工零件的表面粗造度,重者影响机床的定位精度和位置的不确定性。
现滚珠丝杠结构如图六,滚珠丝杠螺母与螺母座径向尺寸D是间隙配合,配合间隙一般为1~2mm,这样消除了丝杠两端与丝杠螺母座三点存在着过定位现象。首先正确安装丝杠两端轴承座组合件,对丝杠进行拉伸,紧固连接螺母座与工作台,然后依次用螺钉连接滚珠丝杠螺母法兰和螺母座,该法兰沉孔与螺钉的间隙使调整丝杠螺母座尺寸更简单,安装和调校方便,减少了装配误差。此方法省去了丝杠螺母座尺寸的多次测量和配磨,装配时间也节约了1/3以上,适合于推广和大批量生产。
5 滚珠丝杠成装后的检查
滚珠丝杠副加载测试试验台设计 篇7
随着电动伺服技术的发展，滚珠丝杠副因其优越的直线传动特性，在航天器电动伺服控制系统中的应用越来越广泛。由于滚珠丝杠副在伺服控制系统中受载情况比较复杂，因此，开展滚珠丝杠副性能测试的研究非常必要。本课题设计了一套滚珠丝杠副伺服加载测试系统，集伺服加载和测试功能为一体，能够模拟航天工况的加载环境，测试滚珠丝杠的效率和刚度等性能。
1 系统总体方案
基于国内外加载测试系统的研究现状，国内加载测试系统的功能还是比较单一，特别是滚珠丝杠副的综合性加载测试系统[1,2]，本课题研发了一套集加载和测试为一体，能实现自动化控制的滚珠丝杠副伺服加载测试系统。
1.1 系统功能
1)伺服模拟加载。实现连续、稳定、可调的对伺服机构进行模拟加载，以考核机构在实际工作情况下的工作性能及工作可靠性。
2)滚珠丝杠副的精度测量。可测量传动误差和间隙误差。
3)滚珠丝杠副力学特性试验。可进行轴向接触刚度和扭转刚度试验，启动力矩试验，摩擦、磨损和效率试验以及动态特性试验。
4)滚珠丝杠副的极限承载能力、失效及可靠性试验。
1.2 系统工作原理
滚珠丝杠副加载测试系统是集加载和测试一体的综合性测试系统。加载系统的原理是通过压力值为控制量实现对加载对象不同载荷的加载。伺服系统由压力传感器测得的压力值为反馈量来控制加载电机的输出，完成闭环回路控制[3]。上位机为系统终端，实现电机的往返运动和载荷大小的调节。测试系统的原理是通过多路采集卡完成对测试对象性能参数的采集，配合Lab VIEW软件进行运算分析，并在工控机中显示。加载测试系统总原理图如图1所示。
系统加载控制的具体工作原理:
1)通过上位机设定加载力大小，发出信号给控制器，控制器发送控制信号给驱动器驱动电机加载。
2)经压力传感器获取压力值对应的电压信号给控制器与驱动信号比较得到调节误差来实现闭环控制。
3)对比误差，采用数字PID运算，获得理想控制信号。
4)数字信号经D/A转换得到模拟量来得到控制信号。
5)模拟量由前置放大、功率放大给加载电机控制信号。
6)加载电机运动带动传动机构实现对加载对象的不同载荷的加载。
2 试验台结构设计
如图2所示，测试台采用卧式水平放置的方式，对测试对象4进行轴向力的加载。测试对象4由驱动电机1带动，经套筒5固定连接线性导轨9，实现滚珠丝杠的支撑和限转作用，右侧加载电机10通过传动部件9，由旋转运动变成直线运动，产生轴向力作用在测试对象连接的套筒5上，实现加载过程。中间压力传感器6分别与测试对象的套筒和加载部件的套筒固连，实时显示载荷大小。
1—伺服电机;2—转速转矩传感器;3—角度编码器;4—被测对象;5—套筒;6—压力传感器;7—传动丝杠;8—被测丝杠;9—直线导轨;10—加载电机;11—铸铁平台
3 系统软硬件设计
3.1 系统硬件总体结构
因传感器信号种类比较多，所以要求试验台的数据测量采集系统能够同步采集多种类型的数据信号。为此设计出基于Lab VIEW的多路信号同步采集系统。由一个加载台和控制柜构成，用于滚珠丝杠副加载并监测加载情况。系统的组成框图如图3所示。
本试验台主要由交流伺服电机及其驱动器、压力传感器、转速转矩传感器、角度编码器、位移传感器和被测滚珠丝杠副等部件组成。电气部分由显示器、工控机、打印机、数据采集卡、计数卡、PLC及各个开关按钮等组成，能够完成对各部件供电和对交流伺服电机的控制，同时，上位机软件进行参数的采集、显示和分析等。
3.2 硬件功能实现
加载测试系统的设计分为2大类:加载部分的电机控制及驱动部分电机控制[4]。自动控制设计:选择合适的PLC模块以及外围接口硬件，设计最优闭环控制流程，选择合适的压力传感器、位移传感器和数据采集卡等硬件设备。通过采集到的实际压力值作为载荷反馈传给控制器。同时在Lab VIEW编程的采集面板中把采集所得的数据按照曲线或数字的形式显示。通过闭环控制程序，把载荷保持在设定的范围内，对整套系统进行自动控制。
系统应用PLC为主控制器，计算机作为上位机，实现实时控制和参数观测的功能和实验对象的模拟加载。硬件接线图如图4所示。
基于系统要求的可靠性和加载控制的特殊性，运用PLC的对被测对象实际载荷进行信号输入，模拟量信号输出对驱动器进行控制，工控机软件监控外围设备对异常信息发出警报、现场监控测试对象的性能参数，以及完成数据的处理、报表的输出等功能。
控制硬件实现方法:为了保证加载过程中的加载精度，需要不断地检测测试对象的收到的压力并进行协调控制。利用压力传感器可以进行压力的检测，它的主要作用是将压力值转换成模拟电压信号，然后传递到模拟量扩展模块，将模拟信号转成数字信号并用于PLC计算分析，通过计算输入的模拟电压值的大小，就能获得当前压力值。利用PID算法进行运算调节控制输出值，得到理想载荷。
驱动器选择扭矩控制(T):是通过PLC程序发送模拟信号给驱动器，通过压力传感器实际测量值反馈，实现闭环控制，最终控制伺服电机按照设定要求来运转。PLC控制的伺服电机力矩模式接线是通过模拟量扩展模块EM235接入驱动器模拟量输入口A12+、A12-。扭矩模式时伺服驱动器，模拟量扩展模块EM235输出选择信号范围-10 V～+10 V的电压输出方式。
4 系统软件设计
4.1 数据采集程序
针对测试对象滚珠丝杠副的性能，测试其启动力矩、刚度、效率，运用数据采集卡对转速、转矩、角度、位移和压力等参数进行采集。上位机显示部分由软件编写的程序来完成，通过传感器和采集卡将数据信号进行传递到计算机并实时显示。综合考虑系统要求，软件操作界面主要实现数据采集和显示，同时包括系统登录，系统设置，数据分析等功能。
操作界面由下面2部分组成:
1)采集操作模块:此部分主要包括对采集的相关操作，包含采集开始、采集停止和保存等功能选项。
2)采集数据的呈现模块:通过数字显示和图像显示2种方式为主，能够同步显示多个传感器采集到的数据信息。
图5是Lab VIEW软件的操作界面。
采集的子程序如图6所示。
4.2 控制软件设计
a)Lab VIEW软件设计
软件编程时，可以通过前面板输入信息到VI，或者调用其他子程序VI完成功能要求。Lab VIEW的子程序可以作为一个单独的程序运作，但是也可以把前面板当作用户界面，作为一个节点放到另一个VI程序框图中，通过连接器进行搭配[5]。
前面板设置不同操作按钮，完成对系统的采集功能，其中包含的功能操作有参数设置、开始采集、停止采集、历史数据检索、帮助、退出等。点击前面板不同的功能选项，便可以跳转到对应的执行程序进行查看，程序方便灵活。采集操作面板如图7所示。
b)PLC控制软件设计
1)主要参数设置:要指定回路编号(LOOP)及参数表(TBL)首地址，并设定好采样时间、增益、积分时间和微分时间。
2)程序编写:通过程序编写，把模拟量输入的真实值转换为PID对应的测量值(PV)及设定输出值转换为PID对应的设定值(SV)，然后传送到对应参数表的地址中，为PID运算做好前处理。
3)程序调用:为PID程序的执行指定输入信号，调用PID程序。通过编写定时中断的程序，在中断程序中调用PID程序。
4)程序处理:通过编写程序，把PID运算得到的输出值进行格式转化，并传输到指定模拟量输出模块的对应地址中，实现信号输出控制。
c)PID指令运行步骤:
1)上电后进入主程序，扫描第一个周期，调用子程序。
2)进入子程序，设定PID参数。
3)进入中断程序功能，将模拟输入量转为双字整数，将双子整数转换为实数，使PV处于0～1之间，将PV存于TBL首字，使用I0.0调用PID指令，M乘系数后已送累加器，四舍五入转换为双字整数，将双字整数转换为整数，将AC0写入模拟量输出[6]。
5 结语
滚珠丝杠副伺服加载测试系统，能够模拟航天工况的加载环境，完成滚珠丝杠的效率和刚度等性能测试。试验台结构设计合理，性能可靠，装卸方便。选择Lab VIEW软件及采集卡和PLC硬件进行信号采集和运动控制，实现了传感器信号的采集、处理和运算，及加载运动中载荷的PID精确控制，较好地实现了滚珠丝杠副模拟加载和性能测试。试验软件操作简单、方便快捷，极大地减轻了劳动强度，提高了工作效率。
摘要：针对航天飞行器伺服控制系统中滚珠丝杠副受载情况的特殊性,开展对滚珠丝杠副的模拟加载和性能测试的研究,设计出一套伺服加载测试试验台,利用该试验台可测试精密滚珠丝杠副的多变载荷承载能力、轴向刚度、传动效率和启动力矩等性能,为用户提供准确可靠的检测报告。阐述了此加载测试系统的主要功能和工作原理、结构组成、电气硬件控制和系统软件的设计。
关键词：滚珠丝杠副,伺服加载,数据采集
参考文献
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[2]孙震,陶卫军,冯虎田.精密滚珠丝杠副精度损失模型及其试验研究[J].组合机床与自动化加工技术,2013(3):1-4.
[3]崔铁铮.直线舵机加载系统的研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2009.
[4]刘宇翔.基于ds PIC的舵机负载加载实验台设计[D].南京:南京理工大学,2011.
[5]俎文凯,张庆.踏面制动单元测试系统试验台设计[J].机械制造与自动化,2015,44(6):1-2.