滚珠丝杠副摩擦力矩试验台设计

图书分类号：密级：毕业设计(论文)滚珠丝杠副摩擦力矩试验台设计Ballscrewfrictiontorquetestrigdesign学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用或参考的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标注。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名：日期：年月日学位论文版权协议书本人完全了解关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：本校学生在学习期间所完成的学位论文的知识产权归所拥有。有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的纸本复印件和电子文档拷贝，允许论文被查阅和借阅。可以公布学位论文的全部或部分内容，可以将本学位论文的全部或部分内容提交至各类数据库进行发布和检索，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。论文作者签名：导师签名：日期：年月日日期：年月日摘要滚珠丝杠副作为数控机床的关键部件，其制造水平的高低在很大程度上决定了数控机床的精度高低。随着数控机床向高速化、高精度化、复合化与环保化方向发展，对滚珠丝杠副的性能提出了越来越高的要求。摩擦力矩是滚珠丝杠副的重要性能参数，其变动量对滚珠丝杠副的动态性能有很大影响。为了找出影响摩擦力矩波动的因素，改善其摩擦性能，我们设计了滚珠丝杠副摩擦力矩试验台，为有效改进高速滚珠丝杠副的结构及工艺提供指导。本课题主要通过设计研究出一套可以测量不同结构滚珠丝杠副摩擦力矩的试验台。本文首先介绍了本课题的背景研究现状及意义，随后提出试验台的总体设计，之后对试验台的结构设计进行了进一步优化，通过对滚珠丝杠副安装方式的研究，经过不同方案的选择，确定出最佳方案。对传感器安装和选择也是多番比较，最终得出合理方案、而后电机选择以及后续测量到数据的处理。最后得出了滚珠丝杠副摩擦力矩试验台。关键词：滚珠丝杠副；摩擦力矩；方案设计;试验台AbstractBallscrewCNCmachinetoolsasakeycomponent,thelevelofitsmanufacturinglargelydeterminesthelevelofprecisionCNCmachinetools.WithCNCmachinetoolstohigh-speed,highprecision,complexandenvironmentally-orienteddevelopment,theperformanceofballscrewtothegrowingdemand.Frictionballscrewmomentisanimportantperformanceparameters,itsvolumechangeshaveasignificantimpactonthedynamicperformanceoftheballscrewpair.Inordertofindoutthefactorsaffectingthefrictiontorquerippleandimprovetheirfrictionproperties,wehavedesignedaballscrewfrictiontorquetestriginordertoeffectivelyimprovethestructureandprocesshigh-speedballscrewdeputytoprovideguidance.Themaintopicofadifferentstructurecanmeasureballscrewfrictiontorquetestrigdevelopedbydesign.Thispaperintroducesthebackgroundandsignificanceofthisissueofthestatusquo,thenraisedtheoveralldesigntestbench,aftertest-bedforthestructuraldesignwasfurtheroptimized,throughthestudyofballscrewinstallation,afterselectingadifferentprogram,todeterminethebestsolution.Sensorinstallationandchoiceismuchcomparison,andfinallyareasonableplan,andthenthemotorselectionandsubsequentmeasurementstotheprocessingofdata.Theconclusionthattheballscrewfrictiontorquetestrig.Keywords:Ballscrew;frictiontorque;design;TestBench目录TOC\o"1-3"\h\u32351摘要 318200Abstract 437951绪论 6198021.1研究背景 677581.2研究现状及意义 7237531.3论文研究的主要内容 8185692试验台的总体设计 977182.1试验台的设计原则 9121142.2试验台设计的功能要求 1099192.3试验台的总体设计方案 10256733试验台结构设计 1219438电机选择设计 1220775电机分析 12302573.1.2电机确定 13280013.2轴承的计算分析 1319453.3滚珠丝杠副安装方式的设计 15249663.4传感器选择及安装设计 1587533.4.1传感器的选择 15236233.4.2测力传感器安装设计 16172653.4.3传感器移动机构的设计 18288323.5导轨的选择 1962073.5.1导轨材料的选择 19200453.5.2导轨截面的选择 19138393.6移动轴承座的设计 20284094数据采集及处理 2125234.1软件总体构成 22260524.2硬件电路设计 221514.3.AD采样设计 22240024.3,1模块的介绍 22257904.3,2采样设计 23103084.4初始化参数设置 24308324.5串口通信的选择 2428504.6打印数据 253868结论 2715855参考文献 281绪论1.1研究背景现如今数控机床和各种一体化的设备都往着高速、高精度、高可靠性及绿色方向发展，故而对其中各类零部件的要求也越来越高。滚珠丝杠副作为在高精密设备中的重要部件，是确定线性位移的关键之一，所以其的技术要求越来越高。现在随着滚珠丝杠在工作过程中的运动速度在不断的上升，在高速加工中心的快移速度要求甚至达到60m/min以上，使得如今使用的传统的分析方法和理念都已经无法满足产品的制造要求，势必要发展新方法来实现。运用伺服电机配合滚珠丝杠副已经成为机械高速化的研究新方向。为了达到准确的位置精度和流畅性，可以选择滚珠丝杠成为机床的驱动装置来实现，而为了能够实现工件的加工时间的减少，各类高速丝杠副如雨后春笋般地发展了起来。在海外，他们的企业大部分都具备相当完善的检测试验装备和仪器，同样也有着完善的产品性能数据库，而所做的这些都能为其后续研发新产品奠定了良好的基础和技术保证，达到事半功倍的效果。然而在国内，大部分企业都在忙于生存，无法拿出资金和精力来研发，造成恶性循环，不过近年来有了一定的好转。而摩擦力矩对于滚珠丝杠副的影响也是巨大的，作为滚珠丝杠副一个主要的性能参数，其对滚珠丝杠副的影响是方方面面的，例如摩擦力矩要是偏大就会降低丝杠副的传动效率、增加能量的损耗、增加振动和噪音甚至降低工件的使用寿命等等。所以如何改善滚珠丝杠副的摩擦性能，来提升产品的加工质量和进给机构的控制精度十分重要，而滚珠丝杠副摩擦力矩检测试验在这里也可以说是至关重要的。1.2研究现状及意义1）研究的现状国内对于滚珠丝杠副摩擦力矩的研究虽说不多，当也有几位前辈有不错的研究成果。滚珠丝杠副在摩擦力的研究方向中，孙健利[1]、刘建素[2]、张朝辉[3]研究了在不同接触条件下，滚动的直线导轨的差动滑动摩擦力的变化，并加以推论得出相关系列公式，有了一定的成功。从制造误差及反向器冲击方向方面，黄寿荣、黄家贤二人[4]通过实验研究，对滚珠丝杠副摩擦力矩有了更深入的分析。在国外，上世纪70年代就有了对滚珠丝杠副摩擦力矩的测量系统，之后更是创造性地将微机系统加入到测量系统实现对数据的处理[5]，从此测量精度得到大幅度的提高。国内也有不少人在试验台研究方面有所进展，其中代表BTJS.001型高速滚珠丝杠副综合试验台[5]。该试验台能够测量的丝杠最大长度可达2000mm,最小可测直径，最大可达，而该试验台实际工作行程低于1800mm；在测量的过程中，工作台的移动速度可能会达到60mm/min的高速。该试验台可以实现负载状态下的加速度大小、速度大小、定位精度以及丝杠热伸长的实时检测。在控制系统的方面，该试验台选择了来自日本三菱公司的单轴数控系统，该数控系统具备高分辨率高效的优势。而上位机软件方面，自然选用进行编写，最为常用以及简易。当各类数据被检测出来后，将其通过计算机的出来，然后通过硬盘保存数据之后也可以打印出相关的数据报告。该试验台的实际测试试验都是有很大作用的，通过这些测验数据可以为之后滚珠丝杠副的结构优化和装配工艺提供参考数据，希望可以慢慢减少与国外先进水平之间的差距。摩擦力矩对于滚珠丝杠副来说极为重要，它可以影响滚珠丝杠副能量的损耗，也会造成滚珠丝杠副温度变化、振动幅度的改变以及噪声声贝的影响。因此，在滚珠丝杠副出厂之前，摩擦力矩的测量是极为重要的一个指标。现如今国内已经逐渐重视对滚珠丝杠副摩擦力矩的研究，设计了其摩擦力矩检测仪器，但检测仪器功能还需进一步完善，仍有大量实验有待于去分析、深入。研究意义我国对于滚珠丝杠副的起步晚，而随着国际市场竞争越发激烈，对滚珠丝杠副高速化精度化要求越来越高。我国必须要提升滚珠丝杠副产品创新也要保证产品的质量。而从历史数据看出国内外滚珠丝杠副性能要求中的差距，国内被国外甩出了火星。造成如此大差距的原因有很多，国内大部分厂家不注重试验只顾着制造是一大原因。而试验测量与制造的关系就是秤不离砣，如果为了降低成本减少时间，而在制造之前不进行测量试验，那么制造出来的产品就得不到质量的保证，实际上是变相的降低了工作效率。唯有进行众多试验测试才能提高制造的水平。如今数控机床向高速化发展，现有结构的滚珠丝杠副已经无法胜任，出现了发热变形、噪声加大、定位失准等等的现象。如果值()的更加，可能会直接对丝杠副结构进行破坏，而这些现象里面都能看到摩擦力矩的影响。因而设计出滚珠丝杠副摩擦力矩试验台是一个具有极大意义的课题。1.3论文研究的主要内容此次论文要通过试验研究，设计出能够适应于不同结构的滚珠丝杠副摩擦力矩测量的试验台。论文的主要内容有：查阅相关文献，确定选择出合适的试验台总体设计方案。设计试验台的机械机构及其结构优化，完成试验台结构图纸的绘制。选择不同结构的试验丝杠，确定压力位移传感器的选定及夹紧装置。选用合适的压力位移数据采集电路，并进行后续处理。通过设计研究及数据的分析处理，对滚珠丝杠副的摩擦力矩有了进一步了解，为其日后改善结构、性能及研发有了新的方向。2试验台的总体设计设计原则（1）通用性本次要设计用于测量不同结构滚珠丝杠副摩擦力矩的试验台，而滚珠丝杠有着众多的尺寸参数：丝杠公称直径、螺母有效长度、丝杠总长、螺母外直径、螺母长度、轴端尺寸等等。如果只是去设计只适应于单个型号的滚珠丝杠副摩擦力矩试验台。为了可以测量不同型号的滚珠丝杠的摩擦力矩，就要综合考虑各种对试验台设计有影响的因素。实际上，主要的影响因素在于滚珠丝杠的安装及传感器的安装。因而，必须要选择一个合适的安装方式来实现对不同结构滚珠丝杠副的测量。当面对滚珠丝杠副出现不同的轴端尺寸的时候，就要考虑设计出适合支撑单元来实现支撑：而如果滚珠丝杠副长度不一样是，就要在尾座设计出一个可以移动和锁紧的机构来；当面对滚珠丝杠副螺母尺寸不一样的时候，又要想帮办法设计出可以保证安装刚度并且通用的机构来。（2）拆装快捷、方便通过经验研究，丝杠的拆装是试验台工作里最耗时间的。滚珠丝杠副一直以来都对精度的要求极高，所以当对它进行安装的时候不仅仅要在固定的时候确保精度要求，在其出现定位时候也要有精度上的要求。可以看出，这种安装要求异常的特别，也加大了设计的难度，为了达成上述要求，要设计选择出合适可靠的定位及固定部件。而对于固定部件的定位来说，为了缩短丝杠的拆装时间也为了可以降低工作的强度，需要提出更为苛刻的精度要求。在滚珠丝杠副进行安装的时候，不少的部件间需要采用过渡或过盈配合，所以有些配合面不可避免的会有一定的碰撞。故而要设计一种特殊的结构，使得在安装这些配合面的工作强度尽量的低，减少误差。（3）测量过程自动化、智能化试验台需要测试的参数滚珠丝杠副的摩擦力矩，需要设计出一个自动化、智能化的测试体系，可以把传感器的实时数据显示出来，还可以使用这些数据进行计算，将所有的数据记入下来，然后能和滚珠丝杠副的型号、编号等一一对应方便之后试验者来参考和处理。2.2试验台设计的功能要求设计滚珠丝杠副摩擦力矩试验台是为了可以测量出不同结构丝杠的摩擦力矩，从而对之后丝杠结构的研究提供支持。本试验台的功能要求如下：本试验台能够针对不同结构的滚珠丝杠副进行安装和试验。通过传感器实现对滚珠丝杠副摩擦力矩的测量。具有采集系统，可以对数据进行采集及后续处理。.3试验台的总体设计方案按照上述的试验内容及功能的要求，确定出本次试验台的的总体设计方案。本次试验台的总长度为3000mm，工作台实际可以允许行程为2000mm。本次试验时，需要控制滚珠丝杠副在正反两个方向的旋转速度为120r/min，这样就能实现对于滚珠丝杠副摩擦力矩实时的检测。在进行滚珠丝杠副摩擦力矩试验之前，需要对滚珠丝杠进行检验。这里可以根据GB/T17587.3-1998，完成对滚珠丝杠副的检验。检验无误后，开始试验。首先要把清洗浸泡待测的滚珠丝杠副，减少外界因素影响。之后开始将丝杠副安装到试验台进行下一步试验。在试验过程中一定要连紧丝杠，不然丝杠滑动甚至脱落影响试验进行。先将滚珠丝杠副安装到试验台上，一端通过联轴器2与电机连接，另一端则和轴承套9连接。当滚珠丝杠副装夹完成后，传感器5安装在机床的导轨8上。而传感器和螺母连着一个传动杆11，通过这个传动杆可以将滚珠丝杠副的摩擦力矩转换成压力，从而通过传感器测量出来。之后将数据传输到微机10经过分析实现滚珠丝杠副摩擦力矩的测量和存储。当开始试验时，电机带动丝杠旋转，而螺母这时候会进行直线运动，而传感器也会随之机床导轨进行运动，从而完成对滚珠丝杠副摩擦力矩的测量。这种测量方和传统的扭矩传感器相比较，它的优点在于是直接将滚珠丝杠副摩擦力矩转换成压力进行测量，这样计算过程减少，自然而然测量也是更加的准确。1-电动机2-联轴器3-丝杠4-丝杠副螺母套5-压力传感器6-滑动平台7-滑轨8-导轨9-轴承套10-微机11-传力杆图2-1试验台结构图试验台的工作原理大致是就是通过一个法兰盘连接丝杠副螺母套，在法兰盘上有通孔可以和传力环上的通孔相连接，而传力环另外一端会和安装在机床轨道上的传感器箱接触。这样的话，当电机带动丝杠旋转之后，由于摩擦力的存在，使得法兰盘会随着丝杠转动，不过当传力环接触到传感器箱的时候，就会产生一个会阻止法兰盘转动的力，根据杠杆原理，可以得出在传力环另一端也就是和传感器箱接触的那一端，会产生一个和之前大小相等、方向相反的力，根据力的平衡，压力传感器上接受到的压力和法力的摩擦力大小一致，这样实现了对滚珠丝杠副摩擦力的动态测量，之后再乘以力臂因子即可得到滚珠丝杠副摩擦力矩的数据。1-丝杠2-丝杠螺母套3-传力杆4-压力传感器图2-2摩擦力矩测量示意图3试验台结构设计电机选择设计结论参考文献[1]孙健利．刘建素等．影响滚动直线导轨副摩擦力的因素[J]．制造技术与机床，1995.[2]刘建素.滚动直线导轨的理论及实验[D]．华中理工大学机械学