高速滚珠丝杠副综合性能试验台的研制开发

　　摘　要：研制开发了一种用于测量高速滚珠丝杠副综合性能参数的试验台。利用该试验台可以对滚珠丝杠副的加速度、速度、温升、热位移、定位精度等综合性能参数进行测试，为用户提供准确可靠的检测报告。介绍了试验台机械设计制造中应注意的问题，给出了测试系统的软件、硬件实现方法。
　　关键词：高速滚珠丝杠副；加速度；速度；温升；热位移；定位精度
　　1　引言
　　近年来，随着现代制造技术水平的提高，数控机床、机器人等机械设备的进给速度越来越快，必然带动滚珠丝杠副向高速化的方向发展。目前国内高速滚珠丝杠副的发展水平和国外相比还有一定的差距。除了原材料和加工设备的精度等因素外，没有完善的试验检测手段也是制约其发展的一个重要原因。众所周知，没有完善的检测试验设备，产品的加工质量就没有保证^[1]。为了检测滚珠丝杠副在高速运行下各项性能参数，我们厂、校双方合作研制开发了BTJS-001型高速滚珠丝杠副综合试验台，并且在中国数控机床展览会（CCMT2004）上展出，受到业内人士的好评。
　　2　试验台总体结构
　　本试验台能测量丝杠的Z大长度为2000mm，直径为Ø20～80mm，实际工作行程小于1800mm；测量时工作台移动速度可达60m/min；可以完成负载状态下的加速度、速度、定位精度以及丝杠热伸长的在线实时测量；控制系统采用了日本三菱公司高分辨率的单轴数控系统，上位机软件采用Visual Basic 6.0编写，各项测量数据经计算机处理后，可以实现硬盘数据保存并打印输出规范的检测报告。试验台的结构示意图如图2所示，安装时严格保证两直线导轨7和滚珠丝杠4在两个方向的平行度，前后轴承采用高精度的C级向心球轴承，丝杠及导轨均采用喷油润滑。
　　3　高速滚珠丝杠副综合性能参数的测试
　　3.1 定位精度的测量
　　对于定位精度的测量，采用高精密长光栅副作为长度测量基准，实现了滚珠丝杠副工作状态下定位精度和重复定位精度的测量，其测量分辨率为0.2μm。
　　3.2 加速度和速度的测量
　　利用高精度、高分辨率、高灵敏度的加速度传感器，完成了对高速滚珠丝杠副载荷状态下的加速度在线测量。加速度传感器的测量分辨率为0.0001G，利用高速数据采集卡，将采集到的测量信号传入上位机，通过软件编程，绘出加速度的变化曲线。再将加速度变化曲线对采样时间进行积分，即：v=∫a•dt，可以得到对应的速度变化曲线。
　　在实际测量的过程中，由于试验台振动，所采集到的加速度信号中包含很多高频成分，使得加速度变化曲线受杂波干扰严重，无法对获得的曲线进行正确的分析。为此，通过软件编程，采用一种参数可变型限变式非线性数字滤波方法，可以很好地把震动杂波过滤掉而获得较好的加速度变化曲线。通过图3可以比较滤波前后的效果。
　　由于试验过程中加减速的时间非常短，大约在40～100ms之间，因此设计高速数据采集板的采样 频率Z高可以达到100kHz，即Z高可以实现每0.01ms获得一个采样数据。从而保证可以获得足 够多的数据，避免因采样数据不足造成曲线失真。
　　实际中取采样周期为1ms，在如此短的时间内，要完成加速度信号的采样和实时绘图，在windows系统下是无法实现的。因此，先利用高速数据采集板进行数据采集，并将采集的数据放入系统缓存中；在采集完成后，再将缓存中的数据逐一读取，并完成曲线的绘制，从而有效地解决了这一矛盾。程序流程图见图4。
　　3.3 温升的测量
　　通过在丝杠螺母、前轴承座、后轴承座等处设置 多路高精度温度传感器，实现了滚珠丝杠副载荷状态下温升的实时测量。采用PT100贴片式高精度温度传感器，分辨率为0.1℃，通过RS232串口，将各路温度采样点的采样数据依次读入上位机中，并且实时的将温度变化曲线绘制出来。在检测报告中，可以将四路温度曲线同时显示，也可以分别显示。温升测量主要部分硬件原理图如图5所示，图6为螺母座的温度变化曲线，采样时间为2112秒。
　　3.4 热位移的测量
　　对于热位移的测量，采用的是高精度的电感测微仪，其分辨率为0.1μm。电感测微仪以80c552单片机为核心，内部定时器T0工作在自动分频方式，产生50kHz方波信号，经运算放大器滤波后提供一个正信号加至电感测头内线圈L上，电位器W用于调零。当测头的铁芯处于线圈中间位置时，电位器W也处于中间位置，此时由线圈组成的电感桥处于平衡状态，无信号输出。若铁芯有上下微小移动，则电桥失去平衡，输出信号经集成放大器放大后，再由相敏整流为直流量，Z后接至80c552的P5口进行A/D转换。转换结果经数据处理后送数码管显示，并存储供上位机读取^[2]。
　　4　结语
　　通过实际测试试验，对高速滚珠丝杠副的结构及装配工艺等作了改进，使高速滚珠丝杠副在各向性能指标方面得到了提高，缩短了与国外先进产品的差距。由于研究还刚刚开始，大量的试验有待于去分析、深入。希望通过不断地试验、改进，积累经验，为我国滚动功能部件的发展作出应有的贡献。
　　参考文献
　　[1]喻忠志.我国滚动功能部件产业现状分析.制造技术与机床,2004(4)
　　[2]宋现春,艾兴等.精密丝杠热变形误差实时测量及其预报.山东大学学报,2002(4)
　　[3]屈岳陵.高速化与高负荷滚珠丝杠之研究对策.数控机床主要功能部件创新发展论坛论文集,CCMT2004,上海
　　[4]宋现春,艾兴等.误差输入前馈补偿控制方法及其在滚珠丝杠磨削中的应用.机械工程学报,2002(4)