一种高速滚珠丝杠副的动刚度研究实验台及测量方法

摘要

本发明公开了一种高速滚珠丝杠副的动刚度研究实验台及测量方法。本发明的实验台，由工作台、电机安装座、电机、联轴器、左轴承座、质量块、丝杠、螺母、螺母座、连接块、滑块、导轨、垫块、直线光栅尺、测量块、径向位移传感器、径向位移传感器固定块和右轴承座组装而成，结构简单，可实现高速运转中的滚珠丝杠副动刚度的测量，也可实现螺母所处不同位置时滚珠丝杠副动刚度的测量；本发明的测量方法，操作简单，采用现有成熟的技术电路锁存的方法，便于将直线光栅尺测得的值和径向位移传感器测得的值同步采样。

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量技术领域的方法及装置，更具体地说，涉及一种高速精密滚珠丝杠 副的动刚度研究实验台。

背景技术

滚珠丝杠副是广泛使用于进给系统的关键部件。但伴随滚珠丝杠副速度的不断提高，其 振动问题越加突出，严重影响了进给系统的定位精度及精度保持能力，成为数控机床和各种 自动化设备高速化和高精度发展的主要障碍。滚珠丝杠副的动刚度对进给系统的动态稳定性 和振动幅度有重要影响。根据已有的理论与实验研究可知，滚珠丝杠副径向和轴向的动刚度 对滚珠丝杠副振动的影响较为显著。同时，由实验研究可知，径向振动的幅值常常大于轴向 方向，滚珠丝杠副前几阶振动的主要形式为径向方向的弯曲变形。因此，滚珠丝杠副径向动 刚度的理论研究与实验测量具有重要意义。

现有技术中的滚珠丝杠副刚度的测试装置还只能测量静刚度，如专利公开号为 CN103018104A的中国发明专利和专利公开号为CN102944472A的中国发明专利便只能测量 静止状态下滚珠丝杠副的刚度值，不能测量高速运转下精密滚珠丝杠副的刚度值。又如专利 公开号为CN103217288A的中国发明专利可测量不同转速下滚珠丝杠副某些动态参数，但不 能测量滚珠丝杠副的动刚度。因此急需可实现高速运转中的滚珠丝杠副径向动刚度测量的实 验台。

另外，除了滚珠丝杠副的转速，滚珠丝杠副中螺母所处的位置也是影响滚珠丝杠副径向 动刚度的重要因素。参见图2，通过分析螺母的移动对滚珠丝杠副固有振动的影响可知，随 着螺母位置的变化，前三阶固有频率都有所变化，但它们之间没有明确的关系，虽然第一阶 固有频率随位置变化先增大后减小，第二阶固有频率逐渐变小，但第三阶已无规律可循。这 种变化现象至少可以说明螺母充当了移动支撑的角色，它的变化，意味着整个振动系统结构 的变化，故对振动系统的固有振型与频率都有明显影响。因此也急需可实现螺母所处不同位 置时滚珠丝杠副径向动刚度测量的实验台。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有技术中不存在测量滚珠丝杠副动刚度的实验台的不足，提供 了一种高速滚珠丝杠副的动刚度研究实验台及测量方法，采用本发明的技术方案，可以实现 不同转速情况下，螺母所处相同位置处时，滚珠丝杠副动刚度的测量，也可以实现转速固定 情况下，螺母所处不同位置处时，滚珠丝杠副动刚度的测量；进而能用于滚珠丝杠副动刚度 理论研究的验证，也能为滚珠丝杠副的减振抑噪、可靠性的提高、使用寿命的延长等重要工 程问题提供理论依据，更能为开发新型高速、高精及低噪声系列滚珠丝杠副产品提供理论指 导。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种高速滚珠丝杠副的动刚度研究实验台，包括工作台、电机安装座、电机、 联轴器、螺母座、螺母、径向位移传感器固定块、滑块、导轨和垫块，所述的电机通过电机 安装座固定安装在工作台上；所述的工作台上固连有左轴承座和右轴承座；所述的左轴承座 和右轴承座之间穿接有丝杠，该丝杠的左端穿过左轴承座后通过联轴器与上述电机相固连， 丝杠的右端穿接在右轴承座上；所述的丝杠上靠近左轴承座的一侧上套设有用于安装偏心质 量的质量块；所述的丝杠上靠近右轴承座一侧上套设有测量块；所述的测量块的径向方向设 有安装在径向位移传感器固定块上的径向位移传感器，且该径向位移传感器与测量块相接触； 所述的丝杠与安装在螺母座上的螺母滚动连接；所述的螺母座上套设有连接块；所述的连接 块通过滑块与导轨滑动连接，该导轨通过垫块安装在工作台上；所述的滑块上安装有直线光 栅尺。

更进一步地，所述的质量块为圆盘状，该质量块上开设有沿周向均匀分布的偏心孔。

更进一步地，所述的测量块为圆盘状。

更进一步地，所述的连接块包括带缺口的固定块和由缺口的两端向外延伸且水平放置的 肩块；所述的两块肩块的下方均固连有滑块。

上述的一种高速精密滚珠丝杠副的动刚度测量方法，其步骤为：

(1)用电子称测量所要添加的螺钉的质量m，将螺钉安装在质量块的偏心孔内，并测量 螺钉的质心偏心距e；

(2)测量质量块距离左轴承座的距离L₁；测量质量块距离被测螺母的距离L₂；测量被 测螺母距离右轴承座的距离L₃；

(3)控制电机转动，并记下电机的转速n，通过电机控制丝杠的旋转，丝杠的旋转带动 质量块和测量块一并旋转，同时也驱动螺母沿轴向移动，螺母的移动带动滑块在导轨上沿轴 向滑动；

(4)通过直线光栅尺对螺母所处位置进行直接测量，通过径向位移传感器对测量块的激 振位移进行测量，并采用电路锁存的方法将直线光栅尺测得的值和径向位移传感器测得的值 同步采样，从而可得出螺母滑动了x位移时测量块的激振位移即滚珠丝杠副的激振位移δ_t；

(5)将步骤(3)中记录的转速n代入角频率ω的计算公式：ω＝2πn，可得出丝杠(7) 运行的角频率ω；

(6)将步骤(1)、(2)、(4)和(5)内得出的数据代入静扰度δ_st的计算公式： 式中E为材料弹性模量，I为材料横截面对弯曲中性轴的惯 性矩，可得出静扰度δ_st；

(7)将步骤(6)中计算得出的数据代入动扰度δ_s的计算公式：式中r为运 行转速与临界转速之比，可得出丝杠因不平衡力引起的动扰度δ_s；

(8)将步骤(4)中记录的δ_t和步骤(6)中得出的δ_s代入等效位移δ的计算公式： δ＝δ_t-δ_s，可得出等效位移δ；

(9)将步骤(1)和步骤(5)内得出的数据代入由偏心质量产生的同步力Q的计算公式： Q＝meω，可得出所要添加的螺钉质量产生的同步力Q；

(10)将步骤(9)和步骤(8)内得出的数据代入滚珠丝杠副动刚度值K的计算公式： 可得出滚珠丝杠副动刚度值K；

(11)设定步骤(5)内的电机转速n为固定值，并通过步骤(4)记录下螺母所处不同 位置时滚珠丝杠副的激振位移δ_t，进而可得出固定丝杠转速下，螺母(8)所处不同位置时的 滚珠丝杠副动刚度值K；

(12)设定步骤(5)内的电机转速n为不固定值，并通过步骤(4)记录下螺母所处相 同位置时滚珠丝杠副的激振位移δ_t，进而可得出不同丝杠转速下，螺母所处相同位置时的滚 珠丝杠副动刚度值K。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，具有如下显著效果：

(1)本发明的一种高速滚珠丝杠副的动刚度研究实验台，其丝杠上靠近左轴承座的一侧 上套设有用于安装偏心质量的质量块，通过采用不平衡质量激振来施加与滚珠丝杠转速同步 的旋转径向载荷，从而实验对滚珠丝杠副的同步激励；

(2)本发明的一种高速滚珠丝杠副的动刚度研究实验台，其丝杠上靠近右轴承座一侧上 套设有测量块，测量块的径向方向设有安装在径向位移传感器固定块上的径向位移传感器， 且该径向位移传感器与测量块相接触，通过径向位移传感器实现丝杠副径向位移的实时测量；

(3)本发明的一种高速滚珠丝杠副的动刚度研究实验台，其螺母座上套设有连接块，该 连接块通过滑块与导轨滑动连接，该导轨通过垫块安装在工作台上，滑块上安装有直线光栅 尺，通过直线光栅尺实现螺母所处位置的实时测量；

(4)本发明的一种高速滚珠丝杠副的动刚度研究实验台，其结构简单，安装方便，使用 效果好，可用于滚珠丝杠副动刚度理论研究的验证，也能为滚珠丝杠副的减振抑噪、可靠性 的提高、使用寿命的延长等重要工程问题提供理论依据，更能为开发新型高速、高精及低噪 声系列滚珠丝杠副产品提供理论指导；

(5)本发明的一种高速滚珠丝杠副的动刚度测量方法，其采用电路锁存的方法将直线光 栅尺测得的值和径向位移传感器测得的值同步采样，电路锁存的方法为现有成熟的技术，采 用电路锁存的方法可实现螺母所处不同位置时丝杠副动刚度的测量，也可实现不同转速时丝 杠副动刚度的测量；

(6)本发明的一种高速滚珠丝杠副的动刚度测量方法，其操作简单，实验数据测量精准。

附图说明

图1为本发明的一种高速滚珠丝杠副的动刚度研究实验台的结构示意图；

图2为理论计算与实验测量固有频率随螺母位置的变化的分析图。

示意图中的标号说明：1、工作台；2、电机安装座；3、电机；4、联轴器；5、左轴承座； 6、质量块；61、偏心孔；7、丝杠；8、螺母；9、螺母座；10、连接块；11、滑块；12、导 轨；13、垫块；14、直线光栅尺；15、测量块；16、径向位移传感器；17、径向位移传感器 固定块；18、右轴承座。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

实施例

结合图1，本实施例的一种高速滚珠丝杠副的动刚度研究实验台，包括工作台1、电机安 装座2、电机3、联轴器4、螺母座9、螺母8、径向位移传感器固定块17、滑块11、导轨12 和垫块13，电机3通过电机安装座2固定安装在工作台1上；工作台1上固连有左轴承座5 和右轴承座18；所述的左轴承座5和右轴承座18之间穿接有丝杠7，该丝杠7的左端穿过左 轴承座5后通过联轴器4与上述电机3相固连，丝杠7的右端穿接在右轴承座18上；丝杠7 上靠近左轴承座5的一侧上套设有用于安装偏心质量的质量块6，该质量块6为圆盘状，该 质量块6上开设有沿周向均匀分布的偏心孔61，通过采用不平衡质量激振来施加与滚珠丝杠 7转速同步的旋转径向载荷，从而实验对滚珠丝杠副的同步激励；丝杠7上靠近右轴承座18 一侧上套设有测量块15，该测量块15为圆盘状；测量块15的径向方向设有安装在径向位移 传感器固定块17上的径向位移传感器16，且该径向位移传感器16与测量块15相接触，通 过径向位移传感器16实现丝杠副径向位移的实时测量；丝杠7与安装在螺母座9上的螺母8 滚动连接；螺母座9上套设有连接块10，该连接块10包括带缺口的固定块和由缺口的两端 向外延伸且水平放置的肩块，连接块10为平衡式结构设计，确保滑块11水平直线移动；两 块肩块的下方均固连有滑块11；连接块10通过滑块11与导轨12滑动连接，该导轨12通过 垫块13安装在工作台1上；滑块11上安装有直线光栅尺14，通过直线光栅尺14实现螺母8 所处位置的实时测量。

本实施例的一种高速滚珠丝杠副的动刚度测量方法，其步骤为：

(1)用电子称测量所要添加的螺钉的质量m，将螺钉安装在质量块6的偏心孔61内， 并测量螺钉的质心偏心距e；

(2)测量质量块6距离左轴承座5的距离L₁；测量质量块6距离被测螺母8的距离L₂； 测量被测螺母8距离右轴承座18的距离L₃；

(3)控制电机3转动，并记下电机3的转速n，通过电机3控制丝杠7的旋转，丝杠7 的旋转带动质量块6和测量块15一并旋转，同时也驱动螺母8沿轴向移动，螺母8的移动带 动滑块11在导轨12上沿轴向滑动；

(4)通过直线光栅尺14对螺母8所处位置进行直接测量，通过径向位移传感器16对测 量块15的激振位移进行测量，并采用电路锁存的方法将直线光栅尺14测得的值和径向位移 传感器16测得的值同步采样，从而可得出螺母8滑动了x位移时测量块15的激振位移即滚 珠丝杠副的激振位移δ_t；

(5)将步骤(3)中记录的转速n代入角频率ω的计算公式：ω＝2πn，可得出丝杠7 运行的角频率ω；

(6)将步骤(1)、(2)、(4)和(5)内得出的数据代入静扰度δ_st的计算公式： 式中E为材料弹性模量，I为材料横截面对弯曲中性轴的惯 性矩，可得出静扰度δ_st；

(7)将步骤(6)中计算得出的数据代入动扰度δ_s的计算公式：式中r为运 行转速与临界转速之比，可得出丝杠7因不平衡力引起的动扰度δ_s；

(8)将步骤(4)中记录的δ_t和步骤(6)中得出的δ_s代入等效位移δ的计算公式： δ＝δ_t-δ_s，可得出等效位移δ；

(9)将步骤(1)和步骤(5)内得出的数据代入由偏心质量产生的同步力Q的计算公式： Q＝meω，可得出所要添加的螺钉质量产生的同步力Q；

(10)将步骤(9)和步骤(8)内得出的数据代入滚珠丝杠副动刚度值K的计算公式： 可得出滚珠丝杠副动刚度值K；

(11)设定步骤(5)内的电机转速n为固定值，并通过步骤(4)记录下螺母8所处不 同位置时滚珠丝杠副的激振位移δ_t，进而可得出固定丝杠7转速下，螺母8所处不同位置时 的滚珠丝杠副动刚度值K；

(12)设定步骤(5)内的电机转速n为不固定值，并通过步骤(4)记录下螺母8所处 相同位置时滚珠丝杠副的激振位移δ_t，进而可得出不同丝杠7转速下，螺母8所处相同位置 时的滚珠丝杠副动刚度值K。

本发明的一种高速滚珠丝杠副的动刚度研究实验台及测量方法，可以实现不同转速情况 下，螺母8所处相同位置处时，滚珠丝杠副动刚度的测量，也可以实现转速固定情况下，螺 母8所处不同位置处时，滚珠丝杠副动刚度的测量，本发明的实验台结构简单，安装方便， 使用效果好，可用于滚珠丝杠副动刚度理论研究的验证，也能为滚珠丝杠副的减振抑噪、可 靠性的提高、使用寿命的延长等重要工程问题提供理论依据，更能为开发新型高速、高精及 低噪声系列滚珠丝杠副产品提供理论指导；本发明的测量方法操作简单，实验数据测量精准， 采用现有成熟的技术电路锁存的方法，可实现螺母8所处不同位置时丝杠副动刚度的测量， 也可实现不同转速时丝杠副动刚度的测量。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也 只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员 受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结 构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。