（机械电子工程专业论文）高速精密滚珠丝杠副综合测试技术研究.pdf

大连理t 大学硕+ 学位论文 摘要 滚珠丝杠副不仅是数控机床的关键功能部件，而且在航空航天、汽车等其他工业领 域也应用广泛。近年来装备制造业整体技术水平不断提高，对数控机床核心部件滚珠丝 杠副的性能要求也越来越高。高速性是滚珠丝杠副未来发展的主要方向，但高速化的同 时其定位精度、温升和噪声等性能指标也会不同程度地受到影响，这些参数直接关系到 滚珠丝杠副的产品质量。目前，滚珠丝杠副动态特性的综合测试方法还不完善，严重制 约了行业的发展，因此分析和研究其综合测试技术是十分必要的。 结合相关国家标准和生产实际需要，以满足高速状态下滚珠丝杠副的测量特点与需 求，本文提出了一套滚珠丝杠副动态特性综合测试测量技术方案，对速度、加速度、振 动、噪声、温升、变形及空回转角等关键特性参数进行测量；通过对各待测参量的测试 原理及方法的分析研究，构建了各测试分系统并选定所需的仪器设备，如控制电机以及 温度、噪声、振动、微位移、光栅尺、角度编码器等各式传感器；利用虚拟仪器开发平 台l a b v i e w 开发测量软件，实现了参数设置、数据采集、数据处理、数据回放、数据 存储和生成报告等功能，采用模块化程序设计模式为以后系统功能扩展提供便利；对系 统测量软件进行安装调试和试验仿真，使用模拟多路数采信号和硬件管理软件进 行虚拟仿真测试，结果表明测量软件的各系统功能工作正常，运行效果良好。 本文对滚珠丝杠副相关测试技术的原理和方法进行了系统分析，研究了高速滚珠丝 杠副的综合测试方案。这些测试原理和测试技术的研究工作为高速精密滚珠丝杠副系统 研发提供了有力的理论依据和实际指导意义，高速精密滚珠丝杠副系统的成功研制必将 为今后我国滚珠丝杠副产业的快速发展提供保证，奠定坚实的基础。 关键词：高速滚珠丝杠副；l a b v i e w ；测试平台；综合性能；测试软件 高速滚珠丝杠副综合性能测试系统研发 c o m l p r e h e n s i v et e s tt e c h n o l o g yo fh i g h s p e e dp r e c i s i o nb a u s c r e w s a b s t r a c t b a l ls c r e wi sn o t0 1 1 l ya 如n c t i o n a lc o m p o n e mo fc n cm a c l l i n et o o l sb u ta l s ow i d e l y u s e di nm 锄yd i f f e r e n tf i e l d s ，s u c ha s r o s p a c ee n g i n e e r i n g ，a u t o m o b i l ec n g i n e e r i n ga 1 1 ds o o n w i t l lt 1 1 ed e v e l o p m e n to fm a i l u f a c t u r i n gi i l d u s t r i e st h er e q u h m e n to f “sp e r f b 衄a n c eh a s b e c o m e1 1 i g h e ra i l dl l i 曲e ri nn l er e c e n ty e a r s t h el l i g h - s p e e dq 砌i t i e si sam a i nd e v e l o p m e m 仃e n do fb a l ls c r e w s ，、h o s ep o s i t i o l l i n ga c c u r a c y ，t e m p e r a n 鹏r i s e ，n o i s e ，e t c 、o u l db e i n n u e n c e da sar e s u l ta i l dd i r e c t l yr e l a t e dt ot 1 1 ep e 响m a i l c eo fb a l ls c r e 、v s t h e r e f o r e ，i ti so f g r e a tn e c e s s a r yt od os o m er e s e a r c ho nr e l a t i v ec o m p r e h e n s i v et e s tm e t l l o d so fd y n 锄i c c h a r a c t e r i s t i c so fb a l ls c r e w sw h i c h 引en o tw e nd e v e l o p e dc u r r e n t l y c o m b i n e dw i t l lm er e l a t e dn a t i o n a js t a l l d a r d 肌dd e m 锄d so fp r a c t i c mp r o d u c t i o n ，t h e c o n l p r e h e n s i v et e s ts c h e m e 锄dm e 删n g m e t l l o do fc h a r a c t e r i s t i cp a r a m 曲e r so fb a l ls c r e w s a r ep r e s e n t e di nt l l i sp a p e rt om e e tt h ed e m a l l d so fk g h s p e e dt e s ta n de x e c u t et i l eo n - l i n et e s t o ft h ep a r a m e t e r so fv e l o c i 够，a c c e l e r a t i o n ，v i b r a t i o n ，n o i s e ，b a c k l a s h ，t e m p e r a t u r er i s e ， n l e r m a ld e f o m a t i o n ，e t c s e c o n d l y ，b 弱e do nt e s tp r i n c i p l e 锄dm e t h o d s ，t e s ts u b s y s t e m sa r e e s 诅b l i s h e d 锄de l e c t r i c a le q u i p m e n t sa r ec h o s e nt oc o m p l e t et 1 1 es y s t e mw h i c hi n c l u d e sm o t o r 锄dv a r i o u ss e n s o r s t h i r d l y ，t l l ev i m l a li n s t r i u n e n tp l a t f o ml a b v i e wi su t i l i z e dt od e v e l o p t h ei n e 器u r i n gs o 觚a r ew 量l i c hi i l t e g r a t e sm u l t i p l e 如n c t i o n ss u c ha l sp a r a m e t e r ss e t t i n g ，d a t a a c q u i s i t i o n ，d a t ap r o c e s s i n g ，d a t ad i s p l a y ，d a t as t o r a g ea l l dr 印o r t sg e n e r a t i o n ma d d i t i o n ，t h e m o d u l a rp r o 伊舳m i n gm o d e li sc o n v e i l i e n tt ou p d a t e 廿l es y s t e mm n c t i o n f i n a l l y ，t h e m e a s l l r i n gs o r w a r eh a sb e e ns e tu pa 1 1 dt e s t e dm r o u g hm u l t i c h 锄e ls i m u l a t i o ns i g n a l s i 1 1 p u t t e da i l dma xm a i l a g e m e n ts o 行 伽eo fh a r 小硼鹏t h et e s tr e s u l t si n d i c a t et h a tt h e m e a s l l r i n gs o r w a r el l a v ee x p r e s s e das o u n da v a j l a b 订i 够 t 1 l ec o m p r e h e n s i v et e s ts c h e m ei sd e s i g n e di n 廿l i sp a p e rb yi n t e 伊a t i n gt h et e s tp n c i p l e a n dm e t l l o d s ，w h j c hp r o v i d eab a s i sf o rt 1 1 ed e v e l o p m e n to fl l i g h - s p e e dt e s tp l a t f o 咖o fb a l l s c r e 、猖t h et e s ts y s t e md e v e l o p e ds u c c e s s 向l l y 、加l lp r 0 v i d eal a r g e 锄o u n to fe x p e r i m e n t s d a t af o rt l l e o r i e so fb a l ls c r 创恪p e r f b n n a n c ee v a l u a t i o i l ，s 仃u c t u r eo p t i m i z a t i o n ，p r o c e s s i n g i n l p r o v e m e ma n dm a t e r i ms e l e c t i o na n dp f o m o t et 1 1 ei n d u s 仃yd e v e l o p m e n to f b a l ls c r e w si n c h i n a k e yw o r d s ：h i g h - s p e e db a i is c r e w s ；l a b v i e w ；m e c h a n i c a 【p l a t f o r m ； c 0 m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c e ；。r e s ts y s t e ms o f t w a r e i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：垒耋整墨盗塑竺整垦立垡垒竺旦塑遏迹： 作者签名： 嘉! 哇日期：翌掣年生月j 日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 t 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 熏童錾童i 叁盎丝主幽笙塑鱼型选查雪盗： 作者签名： 叠! 生 日期：型年笠月_ 二生日 导师签名：i 聋三船日期：塑孕 年旦月j 生日 大连理工大学硬士学位论文 1 绪论 11 滚珠丝杠副简介 11 1 滚珠丝杠副基本原理 滚珠丝杠副主要由丝杠、螺母、滚珠和反向器组成，见图11 所示。在具有螺旋槽 的丝杠和螺母之间以滚珠作为滚动体，滚珠组成循环的滚珠链。当丝杠旋转时，滚珠沿 螺纹滚道滚动，在此运动过程中，滚珠不但绕丝杠公转，其自身还在自转。因此，滚珠 不但与丝杠和螺母之间产生摩擦，而且相互之间也产生摩擦。为了防止滚珠从滚道内滚 出，在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置，如反向器和挡珠器，它们与螺旋滚道形成 循环回路，使滚珠在螺旋滚道内即自转又沿螺旋滚道循环转动。 杠 图1 _ 1 滚珠丝杠副结构图 f i g1 1c o n n g 岍c i o n0 f b “ls c f c w 112 滚珠丝杠副结构特点 滚珠丝杠副的作用是将旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动，是 传统滑动丝杠的进一步延伸和发展。与滑动丝杠相比较其具有以下突出特点l ： ( 1 ) 传动效率高 在滚珠丝杠副中，自由滚动的滚珠将力与运动在丝杠与螺母之间传递，这种传动方 式取代了传统螺纹丝杠副的丝杠与螺母间的直接作用方式，凼而以极小滚动摩擦代替了 传统丝杠的滑动摩擦。滚珠丝杠副传动效率达到9 0 以上，整个传动副的驱动力矩减少 至滑动丝杠的1 ，3 左右发热率也因此得以夫幅降低。 ( 2 ) 定位精度高 高速滚珠丝杠副综合性能测试系统研发 滚珠丝杠副发热率低、温升小以及在加工过程中对丝杠采取预拉伸并预紧消除轴向 间隙等措施，使丝杠副具有高的定位精度和重复定位精度。 ( 3 ) 传动的可逆性 滚珠丝杠副没有滑动丝杠粘滞摩擦，消除了在传动过程中可能出现的爬行现象，滚 珠丝杠副能够实现将旋转运动转化为直线运动或将直线运动转化为旋转运动并传递动 力两种传动方式。 ( 4 ) 使用寿命长 由于对丝杠滚道形状的准确性、表面硬度、材料的选择等方面加以严格控制，滚珠 丝杠副的实际寿命远高于滑动丝杠，这样可以平衡滚珠丝杠制造成本高于滑动丝杠的不 足点。 ( 5 ) 同步性能好 多套滚珠丝杠同时驱动几个相同部件或者装置时，启动、运行速度和位移都具有准 确的一致性，就是滚珠丝杠的同步性。由于滚珠丝杠副摩擦力矩很小，摩擦阻力与运动 速度几乎无关，极大提高了传动的灵敏度和准确度，具有持续平稳运行的特点。 1 1 3 滚珠丝杠副种类划分 ( 1 ) 按滚珠循环方式划分 目前，滚珠丝杠副的结构已发展为1 0 余种。从滚珠在整个循环过程中与丝杠表面 的接触情况，有内循环滚珠丝杠副( 以圆形反向器和椭圆形反向器为代表) 和外循环滚 珠丝杠副( 以插管式为代表) 两种主要结构方式。 在内循环过程中，滚珠始终和螺杆接触，螺母上开有侧孔，孔内装有反向器将相邻 两螺纹滚道联通，滚珠越过螺纹顶部进入相邻滚道，形成一个循环回路。内循环结构如 图1 2 所示，其优点是：滚珠丝杠副螺母的外形尺寸较小，反向器固定牢靠、刚性好且 不易磨损；滚珠丝杠的反向通道短，滚珠数目少，流畅性好，摩擦损失小，传动效率高。 其缺点是不能做成多头螺纹的滚珠丝杠副，反向器的回珠槽是三坐标空间曲面，加工较 复杂。 大连理工大学硕士学位论文 螺母 螺仟反向器 图1 2 内循环结构 f i g 1 2c o n f i g u r a t i o n0 f t h ei n t e m a lc i r c u l a t i o nb a l ls c r e w 外循环是滚珠在循环过程中，不能始终保持与丝杠表面接触，即当滚珠从螺纹滚道 终端反向到滚道始端时与丝杠表面脱离接触。外循环又可以分为：插管式、螺旋槽式和 端盖式三种。外循环结构制造工艺简单，承载能力较高，但管道焊接处难以做到平滑， 影响滚珠滚动的平稳性，甚至发生卡珠想象，外形尺寸大，噪声也较大，耐磨性差。下 图1 3 所示的螺旋槽式和插管式两种外循环形式较为常见。 图1 3 外循环结构 f i g 1 3c o n f i g u r a t i o no f t h ee x t e m a lc i r c u l a t i o no fb a l ls c r e w ( 2 ) 按直径导程规格划分 如果从滚珠丝杠丝杠的尺寸大小和用途角度出发，滚珠丝杠有微型、普通、大导程 和重型之分。其中，微型又有微型小导程和微型大导程之分；大导程又有大导程和超大 导程之分。具体规格参数如下： 普通滚珠丝杠副一般是指公称直径d 0 = 1 6 1 0 0 m m ，导程p h = 4 2 0 m m ，螺旋 升角( p 9 。的滚珠丝杠副称为微型 大导程滚珠丝杠副。 高速滚珠丝杠副综合眭能测试系统研发 大导程滚珠丝杠副，指公称直径d o 1 6 m m ，螺旋升角1 7 。币 9 。的滚珠丝 杠副，对于螺旋升角q 1 7 。称为超大导程滚珠丝杠副。 重型滚珠丝杠副，指公称直径d 0 1 2 5 l 砌的滚珠丝杠副。 1 2 课题研究背景 滚珠丝杠副发明于1 9 世纪末，但因制造难度太大，很长一段时间未能实际应用。 世界上第一个使用滚珠丝杠副的是美国通用汽车公司萨吉诺分厂，它将滚珠丝杠副用于 汽车的转向机构上。1 9 4 0 年，美国开始成批生产用于汽车转向机构的滚珠丝杠副，1 9 4 3 年，第一根滚珠丝杠副开始用于飞机上。精密螺纹磨床的出现使滚珠丝杠副在精度和性 能上产生了较大的飞跃，随着数控机床和各种自动化设备的发展，促进了滚珠丝杠副的 研究和生产。从5 0 年代开始，在工业发达的国家滚珠丝杠副生产厂家如雨后春笋般迅 速出现，例如：美国的w a r n e r b e a v e r 公司、g m s a g a w 公司；英国的r o t a x 公司；日本的n s k 公司、t h k 公司、t s u b a 公司等【2 j 。 国内在5 0 年代术期开始研制用于数控机床的滚珠丝杠副。5 0 多年来，经过自身的 不断努力与发展，现已基本形成一定的规模，但国内滚珠丝杠副的制造技术和与外相比 还存在不小的差距，滚动功能部件虽然生产厂家众多，真正能够全规格、大批量生产的 企业屈指可数，绝大部分产品属于较低层次和较低水平之列，很难跟上数控机械行业的 快速发展。 表1 1 国内外滚珠丝杠副技术对比 t a b 1 1t e c h n i c a lc o m p 撕s o nf o rb a l ls c r e wi nd o m e s t i ca n da b r o a d 目前，在滚珠丝杠副领域，国内和国外的高档产品有着相当明显的差距，主要表现 在滚珠丝杠副的速度和精度两个方面。从表1 1 的对比数据可以清楚地看出差距，目前 国内的滚珠丝杠所要攻坚的速度、加速度差不多和当今国外已经使用的技术水平相割引。 高速加工技术是现代先进制造技术之一，其产生是市场经济全球化和各种先进技术发展 的综合结果。滚珠丝杠副作为数控机床、精密仪器和各种精密机械设备中的关键零部件， 其发展水平的高低必然对装备制造的整体水平起着决定性影响。虽然目前为了实现高速 大连理工大学硕士学位论文 进给而探索研究出直线电机，但由于其成本过高以及技术不完善等问题，还没能被广泛 采用。因而高速滚珠丝杠副传动系统在高速进给驱动中仍然占据主导地位【4 】，其高速化 和精密化为国内外所共同关注【2 j 。 。 近十年机械的高速化运转取得了显著的进展，速度提高至以往魄2 3 倍，登上了 前所未有的高度。这并非是对于高速度的盲目追求，而是与常规加工相比，高速加工有 许多突出的优点【5 】：单位时间的材料切除率可提高3 6 倍；切削力可降低3 0 以上， 特别有利于薄壁细长工件的高速精密加工；9 5 9 8 的切削热被切屑带走，工件可以 基本保持冷态；高速加工能够加工出非常光洁、精密的零件，比如高速车削和高速铣削 可以达到磨削的光洁度；加工工件表面的残余应力非常小。高速加工技术拥有如此多的 优点，自然会引起世界各国的密切关注，在美国航空航天工业中最先得到广泛应用，如 今已经波及汽车工业和模具工业等各个行业。 高速加工技术的发展意味着高速机械设备中运用的滚珠丝杠副面临着更加高速化 的要求。滚珠丝杠副的高速化归纳起来无非是两方面内容1 6 j ，增大丝杠导程和提高回转 速度，说起来很容易，但实际这背后所隐含的一系列问题却十分棘手。滚珠丝杠副的导 程范围一般不能超过直径的1 2 ，因此要突破导程极限必须解决“小直径大导程 这一 难题，而且导程增加也必然会对丝杠的精度产生一定的负面影响，二者之间要取舍平衡。 滚珠丝杠副的最大工作转速不能超过产生共振的临界转速n c ，n c 与丝杠的材质、螺纹 小径、两端支承方式、支承间距等因素有关。滚珠在螺纹滚道和返向装置中既通畅又可 靠地循环滚动的安全转速可用类似轴承的d n 值表示，其中d 为滚珠丝杠的名义直径， n 为丝杠转速。因此要进一步提高转速，必须通过改进滚珠螺母返向装置，提高制造精 度、安装精度和支承刚度来提高d n 值，同时还要解决高速旋转带来的噪声、温升与热 变形等一系列问题【7 j 。 分析清楚上述问题，才能针对滚珠丝杠副高速化问题提出有效的解决方法。对于滚 珠丝杠副的高速化而言，可以对滚动的滚珠等部件的材料进行替换，也可以针对丝杠和 螺母等部件的结构进行优化等等，然而任何方案的具体实施都必须依靠大量的试验数据 给予信息的反馈，理论需要试验作为依据和基础。因此，针对性地研究滚珠丝杠副动态 特性相关的检测技术是很有必要的，只有丰富和完善其检测手段才能为滚珠丝杠副的高 速化和精密化进程扫清障碍。任何改进和创新都不是凭空想象出来的，没有实验数据作 为基础，理论便缺乏实际依据。目前，国外该领域的相关技术较为成熟，相比之下国内 则是刚刚起步，尚处于研究与探索之中。 高速滚珠丝杠副综合性能测试系统研发 1 3 相关测试技术研究综述 没有测量就没有科学，这是人们经过长期实践做出的科学总结，著名科学家钱学森 指出“信息技术包括测量技术、计算机技术和通讯技术，测量技术是关键和基础 【酊。 测量是以确定量值为目的的一组操作，测量是对象作用于测量装置并引起其响应，从中 取得被测量的信息。测量可分为静态测量和动态测量，对于静态测量一般的定义是：测 量期间其值可认为恒定的量的测量。对于动态测量，测量装置在动态下使用的测量即为 动态测量，动态是以测量装置输出变化信号为特征的。即使整个组合测量装置中只有某 一部分的状态是动态的，这个组合测量装置或系统的状态也被认为是动态的。 根据动态测量和静态测量的定义，丝杠的测量方法就可以分为静态测量和动态测量 【9 】。静态测量是指在测量过程中丝杠不动，沿丝杠同一截面逐牙测量的方法。静态测量 所用的仪器种类主要有万能工具显微镜、万能测长机和静态丝杠检测仪。与动态测量方 法比较，静态测量的测量精度低、效率低、劳动强度大，适用于单件小批量生产及测量 精度不太高的丝杠。动态测量是指丝杠在回转中连续测量丝杠螺距误差和螺旋线误差， 并自动记录误差值。与静态测量相比，动态测量具有测量精度高、测量速度快、劳动强 度低、检测自动化程度高等优点，适用于成批生产及精度要求较高的丝杠。 目前，在一些大批量、规模化丝杠系列的生产与安装调试场合，一般都采用动态测 量。 1 3 1国外研究进展 随着科学技术的不断发展，汽车工业、航空航天工业的发展对轻合金的高速切削加 工越来越重视，加工中心、工业机器人、c n c 锻压机械、f m s 及各类数控机床和自动 化机械的进给驱动速度不断提高，对于滚珠丝杠副的速度、精度、加减速度要求也就不 断提高。以加工中心为例，工作台的移动速度在8 0 年代仅为1 5 2 0 m m j n 、加速度0 5 9 左右，9 0 年代中前期为3 0 5 0 m m h 加速度1 9 左右，到9 0 年代后期已达6 0 8 蛐i n ， 加速度1 5 9 以上，并向更高速度推进。 滚珠丝杠副作为数控机床、精密仪器和各种精密机械设备中的关键零部件，它具有 传动效率和传动精度高、能逆向传动、同步性能好、高性价比等特点，在机械设备中应 用极为广泛。现代数控加工中心制造水平的日新月异，必然要求其主要功能部件滚珠丝 杠副的性能不断提高，从而适应其发展需要。据有关试验表明：当未采取减噪、减振措 施时，滚珠丝杠转速每增加1 0 0 0 n ，m j n ，噪声增高4 5 d b ( a ) ，滚珠螺母的温度升高5 6 【她1 5 】。所以分析的高速转动情况下所产生的系列问题是很有实际价值的，因此，美 大连理工大学硕士学位论文 国、欧洲和日本等发达国家和地区都建立了从原材料供应、加工方法到测试设备这样一 条完整的生产体系，国外许多滚珠丝杠副的顶级制造商，除了改革加工工艺以外，都把 其配套的检测技术放在最重要的地位。 ( 1 ) 导程精度的测定 1 9 8 3 年，从“导程”的基本定义引伸出“行程”的概念，使用“行程偏差”、“彳亍 程变动量”等指标综合反映滚珠丝杠副的定位精度。与新标准相适应，各国相继研制了 滚珠丝杠副动态激光导程测量机【i 叫”。 同本n s k 公司”配备了东京工业大学和三井精机联合研发的l m s 型3 米动态激光 导程测量机，该测量仪器结构如图14 所示，其主要特点：测量工作台由丝杠驱动，因 此测量系统与测量工作台的传动分离，有利于实现导程精度的综合测量；在浮动工作台 上安装自动调心夹具，以消除滚珠螺母的安装误差；在单独测量丝杠时两个测头互成 1 8 0 。安装，消除由于丝杠弯曲、挠度所引起的测量误差：在光学系统中采用直角三棱 镜，并使交点通过被测丝杠的轴心，从而减小“阿贝”误差。 母lu s 蕾琦蠢蠹先耳程一量机 t t 光七l 一量工怍台- 一 鼢崖目l 囊- 卜自番街t 啼 ih 看古i 卜i 兰镜 卜竞且示簟i i 曩囊壹撬曩 图l4 日本l m s 动态激光导程测量机 f j 9 14l m s l 髑d m e a s u r ir 堰m 踮m n e w 曲曲ed y n 锄 c l a s e r m a d e i nj a p 跚 此后不久，在原有u s 型3 米激光丝杠动态检测仪的基础上又加了一套“导程精 度自动评定系统”( l a m s ) ，主要完成功能：迅速完成数据处理，输出导程误差曲线， 并根据s 或i s o 滚珠丝杠标准判断出精度等级；通过对图形放大、滤波获得精确数据， 对误差做出统计分析；对导程误差进行谐波分析。 西德l i n d n e r 公司i i ”研制了g m m 一4 型丝杠螺纹导程测量机，该机用一对高精度 静压丝杠副作为基准，用同步驱动测量头把标准丝杠和被测丝杠的温差用计算机处理并 修正。g m m 4 的最大特点足能迅速可靠地完成各种螺纹截面形状的丝杠的测量，包括 高速滚珠丝杠副综合性能测试系统研发 螺纹中径、单面和双面导程误差的测量；同时还可以对装配层的滚珠丝杠进行综合导程 精度和空载预紧力矩的测量，最大测量值为1 0 n m ，测量误差2 。可测螺纹长度3 7 0 0 n u n ， 直径2 5 1 2 5 i i h l l ，导程3 2 0 n u n 。 法国s o r o 公司【9 】研制的c u b 3 0 0 0 、c u b 6 0 0 0 和c u b 8 0 0 0 滚珠丝杠副激光导程测 量机，其特点是：既可单独测试丝杠导程的精度，又可测量滚珠丝杠综合导程的精度， 测量精度为1 1 5pm 。 ( 2 ) 动态扭矩的测定 有预紧力矩的滚珠丝杠副，在无外负载条件下使螺母相对丝杠转动的力矩，该值直 接影响主机的动态特性、定位精度和传动效率，是一项重要的指标。 日本n s k 公司【1 8 】早在7 0 年代就采用动态连续测量方法，为了获得与实际滚珠丝杠 工作状态接近的各种性能数据，研发了卧式连续动态预紧力矩测量机。该机有可调速的 专用主轴头驱动丝杠的旋转，同时还兼有“跑合 功能，可以自动使滚珠丝杠仪在高速 状态下跑合5 0 个回合，然后自动转入低速运行，并开始自动测量和记录。测量机的原 理如下图1 5 所示。 囊豪爵瓮遴缎秘森翻鬟力娥翻量毵 l 膏鬣i 奢禳动小擎囊一潍肆馘扛l 攘璩箍 鼍l 参精承绠囊l 卜l 呵记囊馒7 一童菠救灾 l 傲进缝簟曩l 撬渡辫l 曩一受瞻麓灾凝 l 量一力传量曩 图1 5日本卧式连续动态预紧力矩测量机 f i g 1 5 t h eh o r i z o n t a lc o n t i n u o u sd y n 锄i cp r e l o a dt o r q u em e a s u r i n gm a c h i n em a d ei nj a p 锄 西德r a c 0 公司【1 8 】研制了卧式导程误差和动态预紧力矩综合测量仪，它能同时同 步地取得综合导程精度与动态预紧力矩两种测量数据，这样有助于分析二者之间存在的 内在关系。 ( 3 ) 接触刚度的测定 大连理工大学硕士学位论文 滚珠丝杠的轴向静刚度表示抵抗变形的能力，是在轴向负荷作用方向产生1hm 的 弹性变形所需要的力。对于各类精密机床来说，定位系统的高精度、高刚度是获得与控 制指令一致的动作、微量进给的灵敏度和优良的随动性能的关键。 日本n s k 公司l l8 】为此研制了滚珠丝杠轴向接触刚度测量机，图1 6 为原理图。该 测量机由轴向加载与弹性形变测微系统及数据处理和自动记录仪等组成，采用一对同步 驱动的精密滚珠丝杠副来加载，由于滚珠丝杠具有传动的同步性，能使外加负载通过被 测丝杠的轴心线，从而保证测量的准确性。 f l 丑 骚也 p 卢 叶t 旨瞄耀振臻 rf 。 l 尊毪受磊撞舅 i ! 刍瓤蠢氍慷一 豳馥殊氅乏：罄貂i 愈菠触霹；瘦铡覆粕 。 l ，扣一力糟赢嚣iz 叫理瑶涎挺l 卜一攮璩蝼谢s 一 废变仪番一t - y 记穿：茂i7 - 冶入地太器- 8 9 蠢 子荫簸b 豳宅盔螺母土 图1 6日本轴向接触刚度测量机 f i g 1 6m e 嬲u n gm a c h i n ef o rt h ea x i a lc o n t a c t i n gs t i 筋e s sm a d ei nj a p a n 以上介绍的几类滚珠丝杠副性能指标的检测技术【1 9 2 0 】，是国外上世纪末和本世纪初 就已经做过研究并达到的水平，其更高精尖的相关技术研究，对于尚处于技术发展阶段 的国内而言很大一部分还是封锁的、保密的。综合分析，可以推断出国外测试系统的发 展动向和特点：测试测量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；大部分都采用了微机处理系统，对检测 数据自动判断、自动处理；测量手段向多功能方向发展，一台检测仪既可以检测导程精 度，又可以测量动态预紧力矩。 1 3 2 国内研究进展 国内从5 0 年代末期开始研制用于数控机床的滚珠丝杠副。6 0 多年来，经过自身的 不断努力与发展，现已基本形成一定的规模。但是，国内滚珠丝杠副的制造技术和国外 还存在不小的差距，滚动功能部件虽然生产厂家众多，但真正能够全规格、大批量生产 的企业屈指可数，绝大部分都是低层次、低水平的产品，很难跟上数控机械行业的快速 发展。 高速滚珠丝杠副综合性能测试系统研发 目前，国内滚珠丝杠年生产能力约1 2 1 5 万套，国内市场占有率约为7 0 ，年销 售额约2 亿元人民币，其他滚动功能部件，如滚动直线导轨等，年销售额约1 亿元人民 币。而在进口产品中，日本聊( 年销售额1 5 0 0 万美元，h i w i n 年销售额接近1 0 0 0 万 美元，其他诸如n s k 、i 也x t o t h s 吖汰、p m i 、s b c 、a b b a 等年销售额综合接近1 5 0 0 力美元。也就是说，我国一年进口的滚动功能部件产品的金额与国内基本相等。由这些 数据的对比不难发现，国内产品市场占有率较高，但是在产品的市场销售额上则是国内 国外各占半壁江山，这充分说明了国内企业的生产水平仅能满足市场需求的中低档类型 产品，产品的附加值不高，竞争力在下降。这其中的原因很多，比如国内全行业内拥有 生产、检测、热处理等全套一流进口设备的只有极少数几家企业。好多企业有几十台旧 设备就开张生产，连一个完备的检测手段都不能保证，竟敢宣称能做到什么样的精度水 平。整个行业的混乱可见一斑，严重制约了全行业的发展【2 。 “十一五 期间我国需要发展大型的成套装备，数控系统及其关键功能部件是振兴 我国装备制造业重点突破的十六个关键领域之一。对此，“十一五”发展规划提出了新 的目标：发展大型、精密、高速数控装备和改善数控机床大部分依赖进口的现状，满足 我国机械、航空、航天等工业发展的需要。如果在“十一五期间能够稳定量产 。= 6 0 1 0 0 ( 1 2 0 ) 州m i n 、加速度1 1 5 9 、d n 值1 2 1 5 万、精度p 1 p 3 级、行程范 围为3 0 0 0 玎 皿的高速静音滚珠丝杠副，就基本可以满足这个领域的国内市场暇j 。这是给 国内的装备制造业特别是数控机床及其关键功能部件产业带来了一次发展的机遇，国内 企业要解决滚珠丝杠副的提速“瓶颈 ，必须要研究高速时的摩擦理论和动态特性；研 究有利于高速运转时滚动循环流畅的反向器；研究滚道参数和滚道表面的优化；研究抑 制振动、噪声以及温升的措施。这些都离不开先进的测试设备，离不开对各种情况下试 验数据的分析。因此，为了弥补国内相关技术领域的空白，最近十几年来国内各高校和 研究所也相继开展了针对滚珠丝杠副的测试测量工作，并取得了一定的进展和研究成果 1 2 2 i ，值得后人借鉴。 ( 1 ) 导程误差的测量 滚珠丝杠副作为高速机床的主要传动部件，其对加工精度的影响起着决定性作用。 欲提高制造加工精度，要么提高滚珠丝杠的制造精度，要么准确地测量出滚珠丝杠各项 指标的误差，为加工误差的补偿提供可靠信息。提高丝杠的加工精度，特别是螺距加工 精度，是高精度丝杠副加工的主要目标之一，国内外许多研究工作者正在从事这方面的 工作。滚珠丝杠的螺距误差在测量长度3 0 0 删m 以内时，国外误差值为0 0 2 1 1 1 i n ，而国内 大连理工大学硕士学位论文 是0 0 6 n u n ，除了原材料和高精度的加工设备以外，缺乏完善的检测设备来指导生产实 践也是一个重要因素幽j 。 南京理工大学宋延陵1 2 4 j 对丝杠磨削螺纹误差的测量及补偿进行了相关研究，其设计 的测量系统能够采集所需的数据，并根据之前n 个取样点的螺旋线误差，预报下一点的 螺旋线误差。加工完成后实现对丝杠加工精度的在线测量，同时可以减少丝杠的装夹次 数。测试系统采用高精度光栅尺和旋转编码器，编制了数据采集系统关于丝杠导程误差 计算和精度分析的软件，并针对温度的影响建立热学模型，最终依靠测试技术实现提高 加工精度的目的。该测试系统同样存在一定的问题：简单的热变形理论模型有待继续修 正，动态测量的系统误差和随机误差有待分析。 该校印书划2 5 j 对南京工艺装配厂原有的丝杠测量项目进行了改造，完善了2 米滚珠 丝杠副动态测量系统的分析与设计。该测量系统采用计数法，使用高速计数卡将脉冲信 号进行高倍细分，然后通过软件实现信号与位移量之间的转换，完成对滚珠丝杠副导程 误差的测量，并且附加一些温度信号的采集，分析温度与误差值之间的关系。测试系统 还未投入使用，具体情况还有待继续观察。 该校程丹1 2 6 j 协助陕西汉江机床有限公司对原有h j y 0 1 2 五米激光滚珠丝杠副动态 测量系统进行项目改造，使其适应工厂对于丝杠综合导程误差及精度的动态测量的要 求，实现了计算机的全面控制与检测。该系统的测量原理同步位移绝对值比较法，其实 和上文印书范使用的原理大同小异，使用v i s 叫b a s i c 语言编写的系统软件实现对导程 精度的测量。但由于实际使用中激光测量系统对环境的要求较高，直接影响了测得数据 的准确度。该校孙丽霞一j 在该丝杠测量系统的基础上，对测试丝杠的动态导程精度进行 了分析研究，并通过使用铂电阻温度传感器，改善了原系统的测温性能。 山东大学刘莉【2 3 j 和历超1 27 】分别对滚珠丝杠的导程误差测量系统的硬件和软件进行 了研发。其丝杠螺旋线误差动态测量仪能够测量的最大长度达到5 0 0 0 i 衄，采用了光栅 尺作为位移传感器，避免了激光测长受限于环境的要求和无理数光波的处理问题。测量 系统由上下位机结合工作：下位单片机对信号进行细分，完成导程误差的数据测量，上 位计算机通过r s 2 3 2 与下位单片机通讯，读取数据和温度值的测量。 北京机床研究所1 2 驯较早研制成功了“j c s 0 1 4 两米激光滚珠丝杠导程误差测量仪， 但是该仪器只能对导程误差进行测量。不久以后，于1 9 9 2 年对其进行改进，成功开发 了“j c s 0 4 0 三米激光滚珠丝杠副行程误差测量仪 ，该仪器安装有气浮导轨，以双频 激光作为测长基准，通过圆光栅检测回转角度，由计算机处理数据，其原理如图1 7 所 示。 高速滚珠丝杠副综合| 生能测试系统研发 图1 7j c s 0 4 0 测量台结构 f i g 1 7c 0 n 矗g u r a t i o no ft h em e a s u r i n gm a c h i n e 该系统最大测量长度3 0 0 0 m m ，测量直径1 6 1 0 0 m m ，主轴最高转速3 0 r m i n 。 西安理工大学赵全明和吉林大学周明杰【3 0 】也对该误差测量进行了分析和研究，内 容大致相同，不再详述。 ( 2 ) 动态摩擦力矩的测量 摩擦力矩是滚珠丝杠副一项重要的使用性能指标，它直接影响到能量的损耗、温度 的变化( 过度的温升将导致润滑剂恶化、磨损加剧，甚至导致工作表面烧伤) 以及噪声、 振动的变化。因此摩擦力矩的测量是一项滚珠丝杠副出厂检测的基本要求，目前国内企 业对这方面技术的应用较少。 山东大学刘晓慧【3 l 】、张刚蚴以及山东建筑大学孙溪【3 3 】等对滚珠丝杠副其中一个影 响因素摩擦力矩进行了研究和分析，搭建的试验台结构示意图如图1 8 所示。 卜撩髓艇2 饲曩电机争黼承鏖卜渡琼簋杠矗一母崖 b 焉轴承毫7 - 诗算机8 传力稿9 特蹦l o 精鬣l l 受力袖 图1 8 系统组成图 f i g 1 8d i a g r 锄o f t h ec o m p o n e n t so ft h es y s t e m 转感嚣 麓出信号 大连理工大学硕士学位论文 b k 3 型测力传感器与螺母连接，接收阻止螺母转动的力矩信号。图1 9 示意的这种 测量方法，同在主轴上安装扭矩传感器相比有一个明显的优点，被测扭矩不再受主轴转 动的摩擦扭矩影响，能够获得更高的测量精度。 2 l 丝杠2 螺母3 捌力扦4 测力传感器 图1 9 摩擦力矩测量示意图 f i g 1 9 s c h e m a t i cd i 楚即j t lo f 衔c t i o nt o r q u em e a s u r e m e m 西安理工大学赵全明四j 也在丝杠力矩测量方面做了一些研究工作，其设计的扭矩测 量仪为西北机器厂滚珠丝杠分厂所使用，解决了长期以来由人工手感判断动态预紧力矩 大小所带来的检测效率低下、缺乏科学依据等问题。其检测原理同山东大学所用方法基 本相同，在此不再赘述。 ( 3 ) 综合性能的测量 由于滚珠丝杠发展要求的不断攀升，原有的导程、力矩等几个方面的测量不能满足 深入分析研究的需要，关于其他性能的检测越来越引起人们的关注，综合检测逐渐被提 上了研究日程。 南京理工大学洪宇1 3 4 j 研究设计了高速滚珠丝杠副的综合性能检测系统，该试验台实 现了定位精度、加速度、温度、噪声、湿度、热位移等几项指标的动态检测。虽然其对 于定位精度的检测原理仍基于同步位移绝对值比较的原理，但是该测试系统对于其他性 能指标的检测是比较全面的，极大的丰富了滚珠丝杠副的检测内容。系统软件程序采用 l a b v i e w 图形化语言编写，拥有数据的分析、显示、储存和打印等功能。由于使用了 电机本身的编码器作为定位精度的分析基准，这样就不可避免地引入了电机发热等因素 对测量准确性的影响；信号滤波方面同样存在一些不尽人意之处，例如难以对有用信号 和噪声信号频谱重叠的部分进行有效分离。 山东大学刘剑1 3 5 】研制开发了高速滚珠丝杠副综合性能试验系统，是国内第一台比较 全面的滚珠丝杠副综合试验台，对定位精度、温度、加速度和热位移几个指标进行了测 定分析。该试验台已使山东济宁博特公司生产的高速滚珠丝杠副的在线速度提高到 高速滚珠丝杠副综合性能测试系统研发 5 0 m m i n ，为缩短高速滚珠丝杠副的国内外差距提供了更加全面可靠的技术保证，其结 构简图见图1 1 0 。 1 稚铡拖2 伺服电机3 酶轴承瘫4 滚璩蝗枉5 螺母魔 6 配簏块7 商线导孰8 赢轴承麾9 计冀机 图1 1 0 试验台结构简图 f i g 1 10 s c h e m a t i cd i a 伊a mo ft h et e s tp l a t f o 咖 该试验台能够测试的丝杠最大长度为2 0 0 0 删 i l ，直径2 0 8 0 m m 。工作台移动的最 高速度为6 0 删m i n ，定位精度依靠光栅尺传感器进行测量，分辨率为0 2um 。滚珠丝杠 副旋转螺母体温升的测量采用贴片式铂电阻温度传感器，通过r s 2 3 2 串口接入上位机， 分辨率0 1 ，采样时长2 1 1 2 秒。工作台加速度的测量由专门的加速度传感器来完成， 量程为5 9 ，分辨率o o o o l g ，由于加速度信号干扰严重，通过软件编程实现参数可变型 限变式非线性数字滤波，加速在4 0 1 0 0 m s 内完成，采样率1 0 0 k h z 的高速采集卡可以 每o 0 1 m s 获得一个采样数据。丝杠的热位移由电感测微仪测量，分辨率o 1um 。 王兆坦等【3 6 】在上述综合试验台的基础上又开发了速度噪声试验台、刚度试验台、动 载荷试验台以及摩擦力矩测试仪等检测平台，其中噪声检测的分辨率为o 1 d