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1 引言

      近年來, 隨著現(xiàn)代制造技術(shù)水平的提高, 數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等機(jī)械設(shè)備的進(jìn)給速度越來越快, 必然帶動(dòng)滾珠絲杠副向高速化的方向發(fā)展。目前國內(nèi)高速滾珠絲杠副的發(fā)展水平和國外相比還有一定的差距。除了原材料和加工設(shè)備的精度等因素外, 沒有完善的試驗(yàn)檢測(cè)手段也是制約其發(fā)展的一個(gè)重要原因。眾所周知, 沒有完善的檢測(cè)試驗(yàn)設(shè)備, 產(chǎn)品的加工質(zhì)量就沒有保證[ 1]。為了檢測(cè)滾珠絲杠副在高速運(yùn)行下各項(xiàng)性能參數(shù), 我們廠、校雙方合作研制開發(fā)了BTJS-001 型高速滾珠絲杠副綜合試驗(yàn)臺(tái), 并且在中國數(shù)控機(jī)床展覽會(huì)( CCMT2004) 上展出, 受到業(yè)內(nèi)人士的好評(píng)。圖1 為設(shè)備在展覽會(huì)現(xiàn)場(chǎng)展出的情況。 

      本試驗(yàn)臺(tái)能測(cè)量絲杠的最大長(zhǎng)度為2000mm,直徑為<20~ 80mm, 實(shí)際工作行程小于1800mm; 測(cè)量時(shí)工作臺(tái)移動(dòng)速度可達(dá)60m/ min; 可以完成負(fù)載狀態(tài)下的加速度、速度、定位精度以及絲杠熱伸長(zhǎng)的在線實(shí)時(shí)測(cè)量; 控制系統(tǒng)采用了日本三菱公司高分辨率的單軸數(shù)控系統(tǒng), 上位機(jī)軟件采用Visual Basic610 編寫, 各項(xiàng)測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后, 可以實(shí)現(xiàn)硬盤數(shù)據(jù)保存并打印輸出規(guī)范的檢測(cè)報(bào)告。試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示, 安裝時(shí)嚴(yán)格保證兩直線導(dǎo)軌7 和滾珠絲杠4 在兩個(gè)方向的平行度, 前后軸承采用高精度的C級(jí)向心球軸承, 絲杠及導(dǎo)軌均采用噴油潤(rùn)滑。

3 高速滾珠絲杠副綜合性能參數(shù)的測(cè)試

3.1 定位精度的測(cè)量

     對(duì)于定位精度的測(cè)量, 采用高精密長(zhǎng)光柵副作為長(zhǎng)度測(cè)量基準(zhǔn), 實(shí)現(xiàn)了滾珠絲杠副工作狀態(tài)下定位精度和重復(fù)定位精度的測(cè)量, 其測(cè)量分辨率為012Lm。

3.2 加速度和速度的測(cè)量

     利用高精度、高分辨率、高靈敏度的加速度傳感器, 完成了對(duì)高速滾珠絲杠副載荷狀態(tài)下的加速度在線測(cè)量。加速度傳感器的測(cè)量分辨率為010001G, 利用高速數(shù)據(jù)采集卡, 將采集到的測(cè)量信號(hào)傳入上位機(jī), 通過軟件編程, 繪出加速度的變化曲線。再將加速度變化曲線對(duì)采樣時(shí)間進(jìn)行積分, 即: v = Q a#dt , 可以得到對(duì)應(yīng)的速度變化曲線。

     在實(shí)際測(cè)量的過程中, 由于試驗(yàn)臺(tái)振動(dòng), 所采集到的加速度信號(hào)中包含很多高頻成分, 使得加速度變化曲線受雜波干擾嚴(yán)重, 無法對(duì)獲得的曲線進(jìn)行正確的分析。為此, 通過軟件編程, 采用一種參數(shù)可變型限變式非線性數(shù)字濾波方法, 可以很好地把震動(dòng)雜波過濾掉而獲得較好的加速度變化曲線。通過圖3 可以比較濾波前后的效果。

     由于試驗(yàn)過程中加減速的時(shí)間非常短, 大約在40~ 100ms 之間, 因此設(shè)計(jì)高速數(shù)據(jù)采集板的采樣頻率最高可以達(dá)到100kHz, 即最高可以實(shí)現(xiàn)每0101ms 獲得一個(gè)采樣數(shù)據(jù)。從而保證可以獲得足夠多的數(shù)據(jù), 避免因采樣數(shù)據(jù)不足造成曲線失真。

     實(shí)際中取采樣周期為1ms, 在如此短的時(shí)間內(nèi), 要完成加速度信號(hào)的采樣和實(shí)時(shí)繪圖, 在w indows 系統(tǒng)下是無法實(shí)現(xiàn)的。因此, 先利用高速數(shù)據(jù)采集板進(jìn)行數(shù)據(jù)采集, 并將采集的數(shù)據(jù)放入系統(tǒng)緩存中; 在采集完成后, 再將緩存中的數(shù)據(jù)逐一讀取, 并完成曲線的繪制, 從而有效地解決了這一矛盾。程序流程圖見圖4。

3.3 溫升的測(cè)量

     通過在絲杠螺母、前軸承座、后軸承座等處設(shè)置多路高精度溫度傳感器, 實(shí)現(xiàn)了滾珠絲杠副載荷狀態(tài)下溫升的實(shí)時(shí)測(cè)量。采用PT100 貼片式高精度溫度傳感器, 分辨率為011 e , 通過RS232 串口, 將各路溫度采樣點(diǎn)的采樣數(shù)據(jù)依次讀入上位機(jī)中, 并且實(shí)時(shí)的將溫度變化曲線繪制出來。在檢測(cè)報(bào)告中, 可以將四路溫度曲線同時(shí)顯示, 也可以分別顯示。溫升測(cè)量主要部分硬件原理圖如圖5 所示, 圖6 為螺母座的溫度變化曲線, 采樣時(shí)間為2112 秒。

3.4 熱位移的測(cè)量

     對(duì)于熱位移的測(cè)量, 采用的是高精度的電感測(cè)微儀, 其分辨率為011Lm。電感測(cè)微儀以80c552 單片機(jī)為核心, 內(nèi)部定時(shí)器T0 工作在自動(dòng)分頻方式,產(chǎn)生50kHz 方波信號(hào), 經(jīng)運(yùn)算放大器濾波后提供一個(gè)正信號(hào)加至電感測(cè)頭內(nèi)線圈L 上, 電位器W 用于調(diào)零。當(dāng)測(cè)頭的鐵芯處于線圈中間位置時(shí), 電位器W 也處于中間位置, 此時(shí)由線圈組成的電感橋處于平衡狀態(tài), 無信號(hào)輸出。若鐵芯有上下微小移動(dòng), 則電橋失去平衡, 輸出信號(hào)經(jīng)集成放大器放大后, 再由相敏整流為直流量, 最后接至80c552 的P5 口進(jìn)行A/ D 轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)果經(jīng)數(shù)據(jù)處理后送數(shù)碼管顯示,并存儲(chǔ)供上位機(jī)讀取[ 2] 。

4 結(jié)語

     通過實(shí)際測(cè)試試驗(yàn), 對(duì)高速滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)及裝配工藝等作了改進(jìn), 使高速滾珠絲杠副在各向性能指標(biāo)方面得到了提高, 縮短了與國外先進(jìn)產(chǎn)品的差距。由于研究還剛剛開始, 大量的試驗(yàn)有待于去分析、深入。希望通過不斷地試驗(yàn)、改進(jìn), 積累經(jīng)驗(yàn), 為我國滾動(dòng)功能部件的發(fā)展作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。