本發(fā)明涉及技術(shù)測(cè)量領(lǐng)域，尤其是涉及一種滾珠絲杠副軸向靜剛度測(cè)量裝置及方法。

背景技術(shù)：

滾珠絲杠副是由絲杠、滾珠、螺母等組成的機(jī)械元件，因其傳動(dòng)效率高，傳動(dòng)精度高，結(jié)構(gòu)緊湊，可實(shí)現(xiàn)微量及高速進(jìn)給而廣泛使用在精密數(shù)控機(jī)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(jié)合部絲杠和螺母之間存在一定的柔性。在機(jī)床運(yùn)行過程中，尤其是在高速、高加速的進(jìn)給系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過程中，滾珠絲杠副在慣性力、切削力以及摩擦力作用下產(chǎn)生微小變形，很大程度上影響了進(jìn)給系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和定位性能，甚至?xí)?dǎo)致進(jìn)給系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)，損壞進(jìn)給系統(tǒng)部件。因此滾珠絲杠副軸向靜剛度的測(cè)量和標(biāo)定對(duì)數(shù)控機(jī)床加工精度控制和優(yōu)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(fā)生單位軸向變形(δl＝1um)所需要的軸向力(δf，單位：n)。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有對(duì)滾珠絲杠副軸向剛度的測(cè)試方案主要存在以下問題：

(1)加載系統(tǒng)一般采用液壓油缸或者由伺服電機(jī)拖動(dòng)，加載機(jī)構(gòu)復(fù)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(tǒng)誤差，測(cè)量結(jié)果存在較大誤差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種低成本、高精度、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、操作方便快捷的滾珠絲杠副軸向靜剛度測(cè)量系統(tǒng)及方法。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

一種滾珠絲杠副軸向靜剛度測(cè)量裝置，該裝置包括：

支撐組件：包括基座以及設(shè)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(shè)三個(gè)深槽，所述第一支撐塊固定在左側(cè)深槽內(nèi)；

測(cè)量數(shù)據(jù)處理組件：包括力傳感器、位移傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)，所述的力傳感器、位移傳感器通過數(shù)據(jù)采集卡與計(jì)算機(jī)連接，所述的位移傳感器設(shè)置在第三支撐塊后側(cè)面以及被測(cè)絲杠的末端上方；

加載組件：包括第二支撐塊、防轉(zhuǎn)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(dòng)調(diào)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(cè)絲杠的頭端連接，所述被測(cè)絲杠的頭端穿過第二支撐塊上的通孔，并且開設(shè)有一與加載滾珠匹配的錐形孔，所述的防轉(zhuǎn)板固定在第二支撐塊上，并且嵌入被測(cè)絲杠軸肩處的平面內(nèi)以防止轉(zhuǎn)動(dòng)；

固定組件：包括固定在右部深槽內(nèi)的第三支撐塊，所述的被測(cè)絲杠的末端穿過第三支撐塊上的通孔，被測(cè)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(cè)端面開有矩形沉孔，另一側(cè)端面與深槽內(nèi)表面緊靠，并通過部分嵌入矩形沉孔的壓塊限制軸向翻轉(zhuǎn)，所述的第二支撐塊左右兩側(cè)面各開設(shè)一個(gè)矩形沉孔，并通過部分嵌入第二支撐塊矩形沉孔的一對(duì)壓塊限制左右翻轉(zhuǎn)。

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(cè)端面絲杠的正上方，所述的第三位移傳感器安裝在被測(cè)絲杠末端面中心點(diǎn)正上方。

一種滾珠絲杠副軸向靜剛度測(cè)量方法，包括以下步驟：

1)在測(cè)量裝置上安裝被測(cè)絲杠在連接力傳感器、位移傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)后對(duì)被測(cè)絲杠的頭端施加軸向壓力；

2)根據(jù)力傳感器和位移傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)，分別獲取待測(cè)螺母軸向位移d2和被測(cè)絲杠的旋轉(zhuǎn)半徑h及旋轉(zhuǎn)角度α；

3)對(duì)被測(cè)螺母在軸向載荷作用下的位移以及被測(cè)絲杠軸的翻轉(zhuǎn)位移進(jìn)行修正，并計(jì)算被測(cè)絲杠的軸向靜剛度。

所述的步驟2)中，第三支撐塊和被測(cè)絲杠的旋轉(zhuǎn)半徑h和旋轉(zhuǎn)角度α的計(jì)算式為：

其中，m0、m1…mi分別為第一位移傳感器依次測(cè)得的第一位移傳感器到第三支撐塊后側(cè)面的距離，n0、n1…ni為第二位移傳感器依次測(cè)得的第二位移傳感器到第三支撐塊后側(cè)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(cè)絲杠的軸向靜剛度的計(jì)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(biāo)系中分別與第三位移傳感器測(cè)量點(diǎn)同一高度位置上的點(diǎn)到被測(cè)絲杠初始末端位置的距離，r為被測(cè)絲杠翻轉(zhuǎn)前第三位移傳感器測(cè)量點(diǎn)到被測(cè)絲杠中心線的距離，l2為第三支撐塊后側(cè)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(cè)得的絲杠末端位移，d2為待測(cè)螺母的軸向位移。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)采用旋轉(zhuǎn)加載螺母的方式加載，避免了加載油缸、加載電機(jī)等使用操作復(fù)雜，可靠性差，組建成本高等缺點(diǎn)，整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，成本較低，操作方便；

2)綜合考慮了測(cè)量臺(tái)架在加載過程中螺母的軸向位移以及絲杠軸的翻轉(zhuǎn)位移對(duì)軸向靜剛度測(cè)量帶來(lái)的影響并對(duì)其進(jìn)行修正，測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。

附圖說明

圖1為本發(fā)明滾珠絲杠副軸向靜剛度測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)組成和連接組裝示意圖；

圖2為本發(fā)明測(cè)量裝置加載組件結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明被測(cè)絲杠旋轉(zhuǎn)半徑變化和旋轉(zhuǎn)角度變化原理圖；

圖4為本發(fā)明螺母位移及絲杠翻轉(zhuǎn)位移補(bǔ)償原理圖。

圖中標(biāo)記說明：1、調(diào)整塊，2、第一支撐塊，3、壓塊，4、力傳感器，5、防轉(zhuǎn)板，6、第二支撐塊，7、被測(cè)絲杠，8、被測(cè)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(shù)據(jù)采集卡，15、計(jì)算機(jī)，16、第二加載螺母，17、加載滾珠。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

實(shí)施例

本發(fā)明采用固定被測(cè)螺母，對(duì)被測(cè)絲杠施加力的加載測(cè)試方式，使用壓力傳感器對(duì)軸向力進(jìn)行檢測(cè)和采集，使用位移傳感器分別對(duì)螺母軸向位移和絲杠旋轉(zhuǎn)位移進(jìn)行檢測(cè)和采集，通過對(duì)螺母軸向位移和絲杠旋轉(zhuǎn)位移的補(bǔ)償，即可繪制出被測(cè)滾珠絲杠副軸向靜剛度曲線，從而實(shí)現(xiàn)被測(cè)滾珠絲杠副軸向靜剛度的測(cè)量。

結(jié)合圖1、圖2，一種滾珠絲杠副軸向靜剛度測(cè)量方法，包括由支撐組件、加載組件、固定組件和測(cè)量數(shù)據(jù)處理組件組成的測(cè)量裝置和包含固定組件位移測(cè)量、絲杠位移測(cè)量和誤差補(bǔ)償算法組成的絲杠螺母副軸向接觸變形測(cè)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(zhuǎn)板5、第一加載螺母、第二加載螺母16、加載滾珠17和被測(cè)絲杠7；固定組件包括第三支撐塊9、被測(cè)螺母8、調(diào)整塊1和壓塊3。

如圖1所示，基座13上開有三個(gè)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(nèi)，其中第一支撐塊2和第三支撐塊9各有一側(cè)端面開有矩形沉孔并分別用另一側(cè)端面緊靠基座13兩端深槽軸向外側(cè)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(zhuǎn)；第二支撐塊6被安裝在基座13中間深槽內(nèi)，可以沿槽進(jìn)行軸向前后移動(dòng)調(diào)整，在第二支撐塊6左右兩側(cè)面各開有一個(gè)矩形沉孔，由深槽限制其左右移動(dòng)，并由部分嵌入第二支撐塊6矩形沉孔的一對(duì)壓塊3限制其左右翻轉(zhuǎn)。

如圖2所示，在被測(cè)絲杠7一端加工出一個(gè)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(cè)絲杠7構(gòu)成加載系統(tǒng)，通過旋轉(zhuǎn)第二加載螺母16即可加載或卸載。

結(jié)合圖1，被測(cè)螺母8通過螺栓安裝在第三支撐塊9上，在被測(cè)絲杠7一端靠近軸肩處加工出一個(gè)平面，被測(cè)絲杠7穿過第二支撐塊6上的通孔由防轉(zhuǎn)板5頂死該小平面而限制其轉(zhuǎn)動(dòng)；

測(cè)量數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集卡14和計(jì)算機(jī)15組成。

結(jié)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(cè)端面絲杠正上方，用于測(cè)量第三支撐塊9旋轉(zhuǎn)位移；第三位移傳感器12以某一固定距離安裝到被測(cè)絲杠7末端面中心點(diǎn)正上方，用于測(cè)量被測(cè)絲杠軸向位移；

結(jié)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(cè)絲杠7相連，用于實(shí)現(xiàn)軸向載荷的加載和卸載；

結(jié)合圖1，數(shù)據(jù)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(jì)算機(jī)15相連，調(diào)用建立在計(jì)算機(jī)15上的數(shù)據(jù)采集軟件就可以編輯各項(xiàng)數(shù)據(jù)采集參數(shù)，開始或停止各傳感器數(shù)據(jù)的采集；

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

結(jié)合圖1和圖3，在第三支撐塊9后側(cè)面以某一距離h1在被測(cè)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(shí)現(xiàn)第三支撐塊9旋轉(zhuǎn)位移的測(cè)量；

結(jié)合圖1和圖3，假設(shè)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(cè)絲杠7旋轉(zhuǎn)半徑h和旋轉(zhuǎn)角度α可以表示為：

分別對(duì)h-f測(cè)量點(diǎn)集和α-f測(cè)量點(diǎn)集進(jìn)行擬合，得到第三支撐塊水平位移和旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)半徑；

m0、m1…mi分別為位移傳感器s1依次測(cè)得的到第三支撐塊后側(cè)面的距離；

n0、n1…ni為位移傳感器s2依次測(cè)得的到第三支撐塊后側(cè)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(cè)量包括被測(cè)絲杠7末端軸向位移測(cè)量以及螺母5軸向位移的測(cè)量。

結(jié)合圖1和圖4，由于被測(cè)絲杠7末端存有工藝中心孔，為了不影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在被測(cè)絲杠7末端面中心點(diǎn)正上方以距離r安裝位移傳感器s3，結(jié)合位移傳感器s1和位移傳感器s2對(duì)被測(cè)螺母8軸向位移的測(cè)量，設(shè)位移傳感器s3測(cè)得的絲杠末端位移和位移傳感器s1、位移傳感器s2測(cè)得的螺母軸向位移分別為d3和d2，則經(jīng)過螺母軸向位移補(bǔ)償后的絲杠當(dāng)量軸向位移sr為：

sr＝d3-d2

同時(shí)sr也為o1坐標(biāo)系中與s3點(diǎn)同一高度上p2位置上的點(diǎn)到絲杠初始末端位置的距離；

誤差補(bǔ)償算法即為第三支撐塊9旋轉(zhuǎn)位移和被測(cè)螺母8軸向位移對(duì)被測(cè)絲杠7軸向位移的補(bǔ)償：

結(jié)合圖4，點(diǎn)s3在o2坐標(biāo)系下的坐標(biāo)可以看做由在o1坐標(biāo)系下的坐標(biāo)平移得到，得o1到i2的坐標(biāo)變換矩陣[t12]：

s3點(diǎn)在o3坐標(biāo)系下的坐標(biāo)可以看成由點(diǎn)s3在o1坐標(biāo)系下的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換得到，得o1到o3的坐標(biāo)變換矩陣[t13]：

可得s3點(diǎn)在o3坐標(biāo)系下的坐標(biāo)：

s3點(diǎn)在o4坐標(biāo)系下的坐標(biāo)可以看成由o3坐標(biāo)系下的坐標(biāo)平移得到，點(diǎn)s3到絲杠翻轉(zhuǎn)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(diǎn)在o4坐標(biāo)系下的x坐標(biāo)值，由齊次坐標(biāo)變換：

d＝(l2+m)·cosα+(r+h)·sinα-l2

由幾何關(guān)系：

由幾何關(guān)系，得絲杠僅因滾珠受擠壓變形而產(chǎn)生的軸向位移δ為：

δ＝(sr-st)·cosα

＝(d3-d2+l2)·cosα+(r+h)·sinα-l2

則被測(cè)絲杠軸向接觸剛度

其中：

o1、o2分別為絲杠翻轉(zhuǎn)前旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)和絲杠末端中心點(diǎn)；

o3、o4分別為絲杠翻轉(zhuǎn)后旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)(與o1重合)和絲杠翻轉(zhuǎn)滾珠未受擠壓變形絲杠末端中心點(diǎn)；

l1、l2分別為螺母到第三支撐塊后側(cè)面和第三支撐塊后側(cè)面到絲杠末端的距離；

p1、p2分別為絲杠翻轉(zhuǎn)、位移但滾珠未受擠壓變形絲杠末端理論位置和絲杠翻轉(zhuǎn)、位移及滾珠變形理論位置；

sr、st分別為在o1坐標(biāo)系中分別與s3點(diǎn)同一高度上p2、p1位置上的點(diǎn)到絲杠初始末端位置的距離；

m為被測(cè)絲杠變形前測(cè)量點(diǎn)s3測(cè)得的到絲杠末端面的距離；

r為絲杠翻轉(zhuǎn)前測(cè)量點(diǎn)s3到絲杠中心線的距離。