專利名稱：滾珠絲杠副軸向靜剛度臥式測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于測量技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種滾珠絲杠副軸向靜剛度臥式測量裝置。
背景技術(shù)：
滾珠絲杠副是由滾珠絲杠、滾珠和滾珠螺母組成的機械元件，其主要功能是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成線性運動，或?qū)⑥D(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換成軸向反復(fù)作用力。它可以實現(xiàn)非常高的傳動和定位精度，被廣泛應(yīng)用于各類精密機床的進給傳動系統(tǒng)中，是機械工業(yè)使用廣泛、要求嚴格的配套件和基礎(chǔ)件。滾珠絲杠副的軸向靜剛度反映了滾珠絲杠副抵抗軸向變形的能力，其定義為在軸向力的作用下，在軸向產(chǎn)生Iym變形量時所需的軸向力(N)。滾珠絲杠副作為數(shù)控機床進給系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其各項性能，尤其是軸向靜剛度將直接影響到數(shù)控機床的定位精度和重復(fù)定位精度。而滾珠絲杠副軸向靜剛度是整個數(shù)控機床進給系統(tǒng)中剛度最為薄弱的環(huán)節(jié)，其性能好壞對數(shù)控機床的加工精度有重大影響。目前，國外滾珠絲杠副廠商如THK、NSK等，其產(chǎn)品出廠時均經(jīng)過嚴格檢驗，樣本手冊上也都標注有準確的軸向靜剛度值等技術(shù)指標，以供使用者參考。而反觀國內(nèi)，盡管在滾珠絲杠副的發(fā)展與研究方面已經(jīng)經(jīng)歷了幾十年的時間，但對此項技術(shù)的研究仍不成熟，并且與國際先進水平有較大差距，主要體現(xiàn)在:理論研究不夠深入，產(chǎn)品的技術(shù)指標與實際使用性能較低，缺乏有效的檢測裝置等。因此開發(fā)出高精度、高載荷、高通用性的測量裝置與測量方法，不僅擁有很好的應(yīng)用前景，對國產(chǎn)滾珠絲杠副質(zhì)量的提高也會有很好的推動作用。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，山東建筑大學的宋現(xiàn)春等人于2008年開始設(shè)計采用液壓系統(tǒng)進行滾珠絲杠副的軸向加載，通過采集和處理壓力傳感器和微位移傳感器的信號，進行軸向靜剛度 的測試；該裝置需要借助額外的T型導軌來限制絲杠轉(zhuǎn)動，并且采用液壓系統(tǒng)對絲杠施加壓力，最大軸向負荷為100kN，不能做到拉壓兼顧，加載方式單一，載荷較小，加載系統(tǒng)復(fù)雜，成本較高，技術(shù)手段亦不成熟。中國實用新型專利公布號CN102116717A，名稱為:基于材料試驗機的滾珠絲杠副軸向靜剛度測試夾具，該專利介紹了一種基于材料試驗機而設(shè)計的專用夾具，具體測試方法以材料試驗機為本體，通過專用夾具可進行滾珠絲杠副軸向的拉壓測試，最大加載能力為500kN，并利用材料試驗機自帶的上位機軟、硬件系統(tǒng)實現(xiàn)力和位移的同步采集，完成軸向靜剛度曲線的繪制；該方案由于受到材料試驗機夾緊裝置以及專用夾具尺寸的限制，被測絲杠總長需小于600_，被測螺母需特制外徑大于82mm的法蘭并在法蘭上打孔才能滿足裝夾要求，因此帶來被測滾珠絲杠副長度受限，可測量直徑系列少，尤其較大直徑系列無法測量，通用性較低，加載時只能拉伸不能施壓，形式單一，技術(shù)手段亦不成熟等缺點。中國實用新型專利申請?zhí)?01210457121.X，名稱為:滾珠絲杠副軸向靜剛度測量裝置及其方法，該專利采用雙絲杠立式加載，固定被測螺母，施壓被測絲杠，并通過一次掉裝完成被測滾珠絲杠副拉壓方向軸向靜剛度的測量，最大加載力為600kN，且設(shè)計有專用防轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。
實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種高精度、高載荷、高通用性、多測量位置、拉壓兼顧的滾珠絲杠副軸向靜剛度臥式測量裝置。實現(xiàn)本實用新型目的的技術(shù)解決方案為:一種滾珠絲杠副軸向靜剛度臥式測量裝置，包括加載組件、防轉(zhuǎn)組件、測量組件、鎖緊組件、支撐組件以及數(shù)據(jù)處理模塊，所述的加載組件包括伺服電機、減速機、帶輪傳動部分、一對加載絲杠、一對加載螺母和移動梁；防轉(zhuǎn)組件包括螺母工裝、轉(zhuǎn)接板和套筒；測量組件包括位移傳感器和壓力傳感器；鎖緊組件包括鎖緊絲杠、鎖緊手輪、雙螺母；支撐組件包括床身、頭架、尾架、位移傳感器夾具；數(shù)據(jù)處理模塊即為數(shù)據(jù)處理所需的計算機；帶輪傳動部分由同步帶將一個主動輪和兩個被動輪連接組成，伺服電機與減速機連接，減速機與主動輪連接，兩個被動輪分別與各自加載絲杠連接，一對加載螺母分別與各自加載絲杠組成一對加載滾珠絲杠副并沿床身對稱面對稱布置，一對加載絲杠通過軸承安裝在床身上，計算機分別與伺服電機、壓力傳感器和位移傳感器連接；頭架、尾架、被測絲杠、被測螺母、鎖緊絲杠均設(shè)置在床身的對稱面上；頭架固定在床身上，套筒與頭架連接，被測絲杠一端插入套筒中并通過軸肩靠死套筒，尾架通過T型槽安裝在床身上，可沿床身對稱面水平移動，并可通過擰緊T型槽內(nèi)螺栓上的螺母固定尾架的位置，測量時尾架靠死被測絲杠另一端軸肩；移動梁與一對加載螺母連接，轉(zhuǎn)接板與移動梁連接，壓力傳感器與轉(zhuǎn)接板連接，螺母工裝與壓力傳感器連接，被測螺母與螺母工裝連接，被測螺母和被測絲杠構(gòu)成一個被測滾珠絲杠副，轉(zhuǎn)接板、壓力傳感器、螺母工裝均空套在被測絲杠上；鎖緊絲杠安裝在床身上，一端通過雙螺母將鎖緊手輪與鎖緊絲杠固定，另一端頂在尾架上，通過轉(zhuǎn)動鎖緊手輪鎖緊或放松尾架與被測絲杠接觸；位移傳感器夾具安裝于床身，位移傳感器安裝在位移傳感器夾具上，位移測量表面選擇為被測螺母靠近頭架方向的端面。本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點:(I)本裝置最大試驗力遠大于目前已有試驗臺最大試驗力，并且采用高精度壓力傳感器與位移傳感器，因此具有超高載荷、高精度的優(yōu)點，并且具備做破壞性試驗的加載能力；(2)采用本實用新型設(shè)計的裝置，不僅可對常用直徑系列的普通滾珠絲杠副進行軸向靜剛度測量，更可測量重載滾珠絲杠副，并且對被測絲杠的長度無過高限制，具有適用范圍廣的優(yōu)點；(3)為防止加載時被測滾珠絲杠副，尤其是大導程角滾珠絲杠副的轉(zhuǎn)動，本裝置設(shè)計有一套防轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，對于不同直徑系列滾珠絲杠副均適用，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高；(4)本裝置采用固定被測絲杠，施力于被測螺母的加載方式，結(jié)構(gòu)簡單，加載穩(wěn)定可靠，并且隨被測螺母位置的變化可實現(xiàn)多個測量位置的加載試驗；(5)采用本實用新型設(shè)計的裝置，通過控制電機正反轉(zhuǎn)可實現(xiàn)被測滾珠絲杠副拉壓狀態(tài)下軸向靜剛度的測量，成本低廉，檢測的數(shù)據(jù)值精確可靠，具有很好的市場前景。
以下結(jié)合附圖對本實用新型作進一步詳細描述。

圖1為本實用新型滾珠絲杠副軸向靜剛度臥式測量裝置的結(jié)構(gòu)組成及連接組裝示意圖。圖2為本實用新型裝置中套筒結(jié)構(gòu)示意圖:(a)主視圖，(b)左視圖。[0011]圖3為本實用新型裝置中移動梁結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本實用新型測量方法流程圖。
具體實施方式
本實用新型采用固定被測絲杠，對被測螺母施力的加載方式，使用壓力傳感器和位移傳感器分別對被測螺母的軸向載荷和軸向微位移進行采樣，其中壓力傳感器與被測螺母固連，位移傳感器通過位移傳感器夾具安裝在床身上，測量被測螺母右端面的垂直位移。通過對采樣數(shù)據(jù)進行處理可分別繪制拉壓狀態(tài)下滾珠絲杠副軸向靜剛度曲線并最終計算出其值的大小，從而實現(xiàn)滾珠絲杠副軸向靜剛度的測量，具體內(nèi)容如下。結(jié)合圖1，本實用新型滾珠絲杠副軸向靜剛度臥式測量裝置，包括加載組件、防轉(zhuǎn)組件、測量組件、鎖緊組件、支撐組件以及數(shù)據(jù)處理模塊，所述的加載組件包括伺服電機18、減速機19、帶輪傳動部分20、一對加載絲杠14、一對加載螺母13和移動梁8 ;防轉(zhuǎn)組件包括螺母工裝5、轉(zhuǎn)接板7和套筒15 ;測量組件包括位移傳感器3和壓力傳感器6 ;鎖緊組件包括鎖緊絲杠9、鎖緊手輪10、雙螺母11 ;支撐組件包括床身17、頭架16、尾架12、位移傳感器夾具2 ;數(shù)據(jù)處理模塊即為數(shù)據(jù)處理所需的計算機21 ;帶輪傳動部分20由同步帶將一個主動輪和兩個被動輪連接組成，伺服電機18與減速機19連接，減速機19與主動輪連接，兩個被動輪分別與各自加載絲杠14連接，一對加載螺母13分別與各自加載絲杠14組成一對加載滾珠絲杠副并沿床身17對稱面對稱布置，一對加載絲杠14通過軸承安裝在床身上，計算機21分別與伺服電機18、壓力傳感器6和位移傳感器3連接；頭架16、尾架12、被測絲杠
1、被測螺母4、鎖緊絲杠9均設(shè)置在床身17的對稱面上；頭架16固定在床身17上，加工有內(nèi)花鍵通孔的套筒15通過螺釘與頭架16連接，被測絲杠I右端加工出外花鍵，插入套筒15中并通過軸肩靠死套筒15，限制了被測絲杠I的轉(zhuǎn)動與右向移動，尾架12通過T型槽安裝在床身17上，可沿床身17對稱面水平移動，并可通過擰緊T型槽內(nèi)螺栓上的螺母固定尾架12的位置，測量時尾架12靠死被測絲杠I左端軸肩，限制了被測絲杠I左向移動；移動梁8與一對加載螺母13連接，轉(zhuǎn)接板7與移動梁8連接，壓力傳感器6與轉(zhuǎn)接板7連接，螺母工裝5與壓力傳感器6連接，被測螺母4與螺母工裝5連接，被測螺母4和被測絲杠I構(gòu)成一個被測滾珠絲杠副(被測螺母4與被測絲杠I連接)，轉(zhuǎn)接板7、壓力傳感器6、螺母工裝5均空套在被測絲杠I上，當一對加載絲杠14轉(zhuǎn)動時，一對加載螺母13左右移動，分別加載于移動梁8、轉(zhuǎn)接板7、壓力傳感器6、螺母工裝5，最終加載于被測螺母4 ;鎖緊絲杠9安裝在床身17上，左端通過雙螺母11將鎖緊手輪10與鎖緊絲杠9固定，右端頂在尾架12上，通過轉(zhuǎn)動鎖緊手輪10可以鎖緊或放松尾架12與被測絲杠I左端的接觸；位移傳感器夾具2安裝于床身17，位移傳感器3安裝在位移傳感器夾具2上，位移測量表面選擇為被測螺母4右端面(測量面)。上述左右方向是:以頭架16方向為右，以尾架12方向為左，左右端亦可用一端、另一端表述。結(jié)合圖2，本實用新型滾珠絲杠副軸向靜剛度臥式測量裝置中，所述套筒15為一盤類零件，在零件中心加工出內(nèi)花鍵通孔，被測絲杠I 一端加工出外花鍵，加工出外花鍵的被測絲杠I 一端與內(nèi)花鍵通孔配合實現(xiàn)被測絲杠I的防轉(zhuǎn)功能，套筒15的法蘭面上加工有通孔，通過螺釘與頭架16連接。結(jié)合圖3，本實用新型滾珠絲杠副軸向靜剛度臥式測量裝置中，所述移動梁8為一盤類零件，形狀類似鍵，所有加工孔均為通孔，移動梁8的兩側(cè)大孔用于空套在一對加載絲杠14上，大孔周圍均布的小孔(可以是4-10個)用于與加載螺母13連接，移動梁8中間位置的U型槽空套在被測絲杠I上并便于被測絲杠I的安裝，U型槽兩側(cè)的孔用于與轉(zhuǎn)接板7螺釘連接。結(jié)合圖4，本實用新型使用上述的滾珠絲杠副軸向靜剛度臥式測量裝置進行滾珠絲杠副軸向靜剛度測量方法，步驟如下:( I)在測量前對被測滾珠絲杠副進行加工:被測螺母4法蘭上的螺栓連接孔加工為通孔，被測絲杠I兩端加工出用于軸向定位的軸肩，一端加工出外花鍵，用于防止被測絲杠I轉(zhuǎn)動；(2)進行采樣前的準備工作:根據(jù)被測滾珠絲杠副型號選擇對應(yīng)的套筒15與螺母工裝5，將轉(zhuǎn)接板7、壓力傳感器6、螺母工裝5三者從左到右依次連接，三者連接好后從左端套入被測絲杠I，在被測絲杠I上旋轉(zhuǎn)被測螺母4至某一測量位置并連接螺母工裝5與被測螺母4，然后將套筒15固定于頭架16上，將被測絲杠I右端插入套筒15并用軸肩靠死，連接移動梁8與轉(zhuǎn)接板7，接著推動尾架12靠緊被測絲杠I左端軸肩，轉(zhuǎn)動鎖緊手輪10帶動鎖緊絲杠9頂住尾架12使尾架12與被測絲杠I靠死，擰緊T型槽內(nèi)螺栓上的螺母，固定尾架12，上述一系列操作防止了被測絲杠I的左右移動和轉(zhuǎn)動以及被測螺母4的轉(zhuǎn)動，最后安裝位移傳感器3，使位移傳感器3測量被測螺母4靠近頭架16方向的端面水平位移，清零壓力傳感器6和位移傳感器3。所述測量位置是:測量前根據(jù)需要在被測絲杠I上選定多個測量位置，并保證在每一測量位置安裝時被測螺母4右端面在位移傳感器3測量范圍內(nèi)，移動梁8與尾架12保證一定距離O 20mm)。所述一系列操作防止了被測絲杠I的左右移動和轉(zhuǎn)動以及被測螺母4的轉(zhuǎn)動是:套筒15與頭架16固連，頭架16與床身17固連，被測絲杠I左右兩端軸肩分別與尾架12和套筒15靠死，限制了被測絲杠I的左右移動，被測絲杠I右端外花鍵與套筒15的內(nèi)花鍵通孔配合，限制了被測絲杠I的轉(zhuǎn)動；移動梁8與一對加載螺母13連接，限制了移動梁8的轉(zhuǎn)動，而移動梁8又依次與轉(zhuǎn)接板7、壓力傳感器6、螺母工裝5、被測螺母4固連，故限制了被測螺母4的轉(zhuǎn)動。所述安裝位移傳感器3是:實際測量時為保證測量的準確性，沿被測螺母4軸線周向?qū)ΨQ布置m (m3 3)個位移傳感器3，共同測量被測螺母4右端面(測量面)的水平位移。(3)啟動伺服電機18，對被測螺母4進行軸向壓力加載，并在0-100%最大試驗載荷內(nèi)，按一定間隔依次加載并保持恒壓30-60秒，同時采集各恒壓階段的加載力和位移變形量。所述在0-100%最大試驗載荷內(nèi)，按一定間隔依次加載并保持恒壓30-60秒是:根據(jù)被測滾珠絲杠副型號確定最大試驗載荷；一定間隔依次加載決定了最終采集的恒壓點數(shù)，間隔越小，采集點數(shù)越多，測量越準確，一般至少需20個恒壓點，故一定間隔取< 5%最大試驗載荷；加載亦可選擇連續(xù)加載同步測量的方式，兩種加載方式相比恒壓方式較為準確，連續(xù)加載方式較為快捷。(4)加載結(jié)束后，以加載的反順序開始進行卸載工況，同時采集各恒壓階段或連續(xù)卸載過程的加載力和位移變形量，直到卸載至零為止，結(jié)束數(shù)據(jù)采集工作，得到一組滾珠絲杠副軸向力-位移對應(yīng)關(guān)系的采樣數(shù)據(jù)；(5)控制伺服電機18反轉(zhuǎn)，對被測螺母4進行軸向拉力加載，重復(fù)步驟(3)、(4)，得到另一組滾珠絲杠副軸向力-位移對應(yīng)關(guān)系的采樣數(shù)據(jù)；[0023](6)通過計算機21對上述兩組采樣數(shù)據(jù)進行處理，剔除異常點，分別繪制壓力狀態(tài)與拉伸狀態(tài)下滾珠絲杠副軸向靜剛度測量曲線(以μ m為橫坐標單位，N為縱坐標單位繪制滾珠絲杠副軸向靜剛度測量曲線)，曲線斜率的倒數(shù)即為滾珠絲杠副軸向靜剛度值。所述通過計算機21對采樣數(shù)據(jù)進行處理，剔除異常點是:滾珠絲杠副軸向靜剛度值基本為一定值，故力-位移數(shù)據(jù)關(guān)系為線性關(guān)系，采用最小二乘法對每一組所有數(shù)據(jù)點進行線性擬合，對于擬合線以外相對誤差超過10%的點定義為異常點，將其剔除，對剩余點重復(fù)以上步驟直至無異常點。通過以上實施過程，采用本實用新型中的裝置及其方法實現(xiàn)了對滾珠絲杠副軸向靜剛度的自動測量，具有加載載荷大，測量精度高，適用范圍廣，測量位置多并且做到軸向加載時拉壓兼顧的優(yōu)點。
權(quán)利要求1.一種滾珠絲杠副軸向靜剛度臥式測量裝置，其特征在于包括加載組件、防轉(zhuǎn)組件、測量組件、鎖緊組件、支撐組件以及數(shù)據(jù)處理模塊，所述的加載組件包括伺服電機(18)、減速機(19)、帶輪傳動部分(20)、一對加載絲杠(14)、一對加載螺母(13)和移動梁(8);防轉(zhuǎn)組件包括螺母工裝(5)、轉(zhuǎn)接板(7)和套筒(15);測量組件包括位移傳感器(3)和壓力傳感器(6);鎖緊組件包括鎖緊絲杠(9)、鎖緊手輪(10)、雙螺母(11);支撐組件包括床身(17)、頭架(16)、尾架(12)、位移傳感器夾具(2);數(shù)據(jù)處理模塊即為數(shù)據(jù)處理所需的計算機(21)；帶輪傳動部分(20)由同步帶將一個主動輪和兩個被動輪連接組成，伺服電機(18)與減速機(19)連接，減速機(19)與主動輪連接，兩個被動輪分別與各自加載絲杠(14)連接，一對加載螺母(13)分別與各自加載絲杠(14)組成一對加載滾珠絲杠副并沿床身(17)對稱面對稱布置，一對加載絲杠(14)通過軸承安裝在床身(17)上，計算機(21)分別與伺服電機(18)、壓力傳感器(6)和位移傳感器(3)連接；頭架(16)、尾架(12)、被測絲杠(I)、被測螺母(4)、鎖緊絲杠(9)均設(shè)置在床身(17)的對稱面上；頭架(16)固定在床身(17)上，套筒(15)與頭架(16)連接，被測絲杠(I) 一端插入套筒(15)中并通過軸肩靠死套筒(15)，尾架(12)通過T型槽安裝在床身(17)上，可沿床身(17)對稱面水平移動，并可通過擰緊T型槽內(nèi)螺栓上的螺母固定尾架(12)的位置，測量時尾架(12)靠死被測絲杠(I)另一端軸肩；移動梁(8 )與一對加載螺母(13 )連接，轉(zhuǎn)接板(7 )與移動梁(8 )連接，壓力傳感器(6 )與轉(zhuǎn)接板(7)連接，螺母工裝(5)與壓力傳感器(6)連接，被測螺母(4)與螺母工裝(5)連接，被測螺母(4)和被測絲杠(I)構(gòu)成一個被測滾珠絲杠副，轉(zhuǎn)接板(7)、壓力傳感器(6)、螺母工裝(5)均空套在被測絲杠(I)上；鎖緊絲杠(9)安裝在床身(17)上，一端通過雙螺母(11)將鎖緊手輪(10)與鎖緊絲杠(9)固定，另一端頂在尾架(12)上，通過轉(zhuǎn)動鎖緊手輪(10)鎖緊或放松尾架(12)與被測絲杠(I)接觸；位移傳感器夾具(2 )安裝于床身(17)，位移傳感器(3 )安裝在位移傳感器夾具(2)上，位移測量表面選擇為被測螺母(4)靠近頭架(16)方向的端面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的滾珠絲杠副軸向靜剛度臥式測量裝置，其特征在于所述套筒(15)為一盤類零件，在零件中心加工出內(nèi)花鍵通孔，被測絲杠(I) 一端加工出外花鍵，加工出外花鍵的被測絲杠(I) 一端與內(nèi)花鍵通孔配合實現(xiàn)被測絲杠(I)的防轉(zhuǎn)功能，套筒(15)的法蘭面上加工有通孔，通過螺釘與頭架(16)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的滾珠絲杠副軸向靜剛度臥式測量裝置，其特征在于所述移動梁(8)為一盤類零件，移動梁(8)的兩側(cè)大孔用于空套在一對加載絲杠(14)上，大孔周圍均布的小孔用于與加載螺母(13)連接，移動梁(8)中間位置的U型槽空套在被測絲杠(I)上并便于被測絲杠(I)的安裝，U型槽兩側(cè)的孔用于與轉(zhuǎn)接板(7)通過螺釘連接，所有加工孔均為通孔。
專利摘要本實用新型公開了一種滾珠絲杠副軸向靜剛度臥式測量裝置，包括加載組件、防轉(zhuǎn)組件、測量組件、鎖緊組件、支撐組件以及數(shù)據(jù)處理模塊，所述的加載組件包括伺服電機、減速機、帶輪傳動部分、一對加載絲杠、一對加載螺母和移動梁；防轉(zhuǎn)組件包括螺母工裝、轉(zhuǎn)接板和套筒；測量組件包括位移傳感器和壓力傳感器；鎖緊組件包括鎖緊絲杠、鎖緊手輪、雙螺母；支撐組件包括床身、頭架、尾架、位移傳感器夾具；數(shù)據(jù)處理模塊即為數(shù)據(jù)處理所需的計算機。本實用新型可實現(xiàn)滾珠絲杠副軸向靜剛度的自動測量，具有加載載荷大，測量精度高，適用范圍廣，測量位置多并且做到軸向加載時拉壓兼顧的優(yōu)點。
文檔編號G01N3/08GK203011772SQ20122072854
公開日2013年6月19日 申請日期2012年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月26日
發(fā)明者王禹林, 馮虎田, 徐鳳翔, 歐屹, 陶衛(wèi)軍, 衡豪, 蔡理 申請人:南京理工大學