模拟实际工况的直线进给单元综合性能退化试验台

摘要

本发明公开了一种模拟实际工况的直线进给单元综合性能退化试验台，该试验台用以研究滚珠丝杠副和直线导轨副精度退化和刚度退化对工作台的综合性能的影响。工作台分别由三个方向的气缸进行加载，实现了模拟机床工作台实际运动过程。实验装置更接近实际工况。滚珠丝杠与伺服电动机之间联接有扭矩传感器。滚珠丝杠螺母座和工作台之间安装三方向力传感器，可测量直线导轨副的摩擦力。伺服电动机内部安装有圆光栅尺，气动控制和伺服电机控制相配合，实现对试验台的加载磨损运行，试验过程采用加速退化方式并考虑多种因素对工作台性能的影响。

说明书

技术领域

本发明涉及一种模拟实际工况的直线进给单元综合性能退化试 验台，属于数控机床制造及检测技术领域。

背景技术

本发明专利提出利用气缸对直线进给单元进行三个方向加载并 用加速退化试验原理设计退化试验台，并在运动副连接处设置多个 传感器，用于检测各种参数数据。研究滚珠丝杠副和直线运动副对 工作台综合性能的影响。滚珠丝杠副和直线导轨副是数控机床进给 系统的主要移动部件，其精度决定了数控机床工作台的精度。实际 工况下为了提高滚珠丝杠副和直线导轨副的刚度，常采用增加滚珠 丝杠副和直线导轨副的预紧力的方法提高刚度。进给单元使用一段 时间后，随滚珠丝杠副和直线导轨副反复的运行，滚动体和滚道的 摩擦磨损会导致预紧力丧失，运动副的预紧力下降、运动副产生形 位误差，导致直线进给单元精度下降，如何准确的得知精度下降的 机理成为了难题。滚珠丝杠副和直线导轨副的传动精度与很多因素 有关，例如摩擦力矩、预紧力，加载方式，运动方式，接触角等。 国内滚珠丝杠副和直线导轨副制造企业和相关研究单位对滚珠丝杠 副和直线导轨副已经做了很多研究，但仍然不能准确描述工作台和 导轨之间综合性能的退化过程。考虑预紧力和摩擦力矩等多种因素 对工作台综合性能退化研究并进行建模也少有研究。

发明内容

本发明涉及一种模拟实际工况的直线进给单元综合性能退化试 验台，用于研究滚珠丝杠和直线导轨的精度退化对工作台综合性能 的影响。

本发明所采用的技术方案是一种模拟实际工况的直线进给单元 综合性能退化试验台，该试验工作台包括试验台底座1、丝杠伺服电 机2、连接支座3、直线滚动导轨副4、滚珠丝杠副5、工作台6、轴 向气缸加载块7、双气缸活塞8、垂直气缸加载滚轮9、龙门架10、 垂直气缸11、轴向双气缸12、侧向加载气缸13、侧向气缸加载滚轮 14、扭矩传感器15、直线光栅尺16、三方向力传感器17；该试验工 作台采用三方向气缸加载方式，模拟真实铣床的工作状态。

丝杠伺服电机2与滚珠丝杠副5通过连接支座3连接，且在连 接支座3与滚珠丝杠副5的连接处设置有扭矩传感器15，丝杠伺服 电机2通过联轴器与滚珠丝杠副5连接并驱动工作台6进行往复动 作；直线滚动导轨副4固定在试验台底座1上；龙门架10固定安装 在试验台底座1两侧；轴向气缸加载块7固定在工作台6轴向位置； 工作台6和试验台底座1之间安装有直线光栅尺16，直线光栅尺16 的动尺安装在工作台6底部，直线光栅尺16的定尺安装在直线滚动 导轨副4侧面，与直线滚动导轨副4平行。

垂直加载气缸11安装在龙门架10顶部，垂直加载气缸11通过 垂直气缸加载滚轮9对工作台6进行竖直方向加载，垂直气缸加载 滚轮9与工作台6之间为滚动接触。

侧向加载气缸13安装在龙门架10侧面，侧向加载气缸13通过 侧向气缸加载滚轮14对工作台6进行侧向加载，侧向气缸加载滚轮 14与工作台6之间为滚动接触。

轴向双气缸12安装在龙门架10上，轴向双气缸12上的双气缸 活塞8与滚珠丝杠副5平行，双气缸活塞8可与轴向气缸加载块7 相接触，对工作台6进行轴向加载；轴向气缸活塞8与轴向气缸加 载块7之间设置有缓冲橡胶垫。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下。

1)本发明试验台采用气缸对工作台进行三个方向加载，实现了 模拟机床工作台实际运动过程。实验装置更接近实际工况。综合考 虑滚珠丝杠副和直线导轨副的磨损误差，将预紧力和摩擦力矩对精 度退化的影响考虑到建模当中，并采用重载加速退化试验。

2)本发明试验台采用大流溢流阀配调压阀实现高加载力，并控 制气缸与伺服电机配合完成加载试验。

3)本发明试验台在传动链之间设置多种传感器以检测需要的参 数。考虑精度退化的因素比以往更多。采用实时监测方式对工作台 进行测量。伺服电机与气动加载可实现单程加载、往复加载，单方 向加载和多方向加载等多种方式对工况进行模拟。

附图说明

图1为本发明装置的总体结构示意图。

图2为本发明装置左视图。

图3为本发明装置俯视图。

图中：1、试验台底座，2、丝杠伺服电机，3、连接支座，4、 直线滚动导轨副，5、滚珠丝杠副，6、工作台，7、轴向气缸加载块， 8、双气缸活塞，9、垂直气缸加载滚轮，10、龙门架，11、垂直气缸， 12、轴向双气缸，13、侧向加载气缸，14、侧向气缸加载滚轮，15、 扭矩传感器，16、直线光栅尺，17、三方向力传感器。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1-3所示，一种模拟实际工况的直线进给单元综合性能退化 试验台，该试验工作台包括，试验台底座1、丝杠伺服电机2、连接 支座3、直线滚动导轨副4、滚珠丝杠副5、工作台6、轴向气缸加 载块7、双气缸活塞8、垂直气缸加载滚轮9、龙门架10、垂直气缸 11、轴向双气缸12、侧向加载气缸13、侧向气缸加载滚轮14、扭矩 传感器15、直线光栅尺16、三方向力传感器17；该试验工作台采用 三方向气缸加载方式，模拟真实铣床的工作状态。

丝杠伺服电机2与滚珠丝杠副5通过连接支座3连接，且在连 接支座3与滚珠丝杠副5的连接处设置有扭矩传感器15，丝杠伺服 电机2通过联轴器与滚珠丝杠副5连接并驱动工作台6进行往复动 作；直线滚动导轨副4固定在试验台底座1上；龙门架10固定安装 在试验台底座1两侧；轴向气缸加载块7固定在工作台6轴向位置； 工作台6和直线滚动导轨副4之间安装有直线光栅尺16，直线光栅 尺16的动尺安装在工作台6底部，直线光栅尺16的定尺安装在直 线滚动导轨副4侧面，与直线滚动导轨副4平行。

垂直加载气缸11安装在龙门架10顶部，垂直加载气缸11通过 垂直气缸加载滚轮9对工作台6进行竖直方向加载，垂直气缸加载 滚轮9与工作台6之间为滚动接触。

侧向加载气缸13安装在龙门架10侧部，侧向加载气缸13通过 侧向气缸加载滚轮14对工作台6进行侧向加载，侧向加载气缸加载 滚轮14与工作台6之间为滚动接触。

轴向双气缸12安装在龙门架10上，轴向加双气缸12上的双气 缸活塞8与滚珠丝杠副5平行，双气缸活塞8可与轴向气缸加载块7 相接触，对工作台6进行轴向加载；轴向气缸活塞8与轴向气缸加 载块7之间设置有缓冲橡胶垫。

工作台采用三方向加载以模拟进给单元实际工况。加载力高于 实际工况负载，考虑两种退化方式，第一、采用匀速高载荷退化方 式进行精度退化实验，第二、采用工作台加减速运行进行精度退化 实验，通过加速退化试验中传感器获得的数据建立精度预测模型， 预测工作台综合性能退化机理。

三个方向的气缸均采用恒压输出，并且输出压力通过调压阀可 调。为了获得更大的加载力，轴向气缸采用双气缸，总回路和分回 路均设有节流阀并联单向阀，便于调整双气缸为同步运行。

本试验台测量的数据包括：工作台6总负载扭矩，通过扭矩传 感器15测得。滚珠丝杠副5与工作台6之间的摩擦力矩，通过双螺 母机构测量。工作台6直线位移，通过直线光栅尺16测得。光栅尺 采用绝对式编码或者相对式编码。丝杠伺服电机2的角位移，通过 丝杠伺服电机的内置圆光栅测得。三方向气缸的输出压力，由气动 系统的调压阀的压力表测得。工作台6所受总摩擦力，由三方向力 传感器17测得。

实施例

本发明所述试验台采用三个方向气缸加载方式，模拟真实铣床 的工作状态，滚珠丝杠副采用双螺母结构(已申请发明专利，申请 号：201410067042.7)，加载试验状态下，滚珠丝杠副5通过主螺母 驱动工作台6往复运动，副螺母通过测力杆测量滚珠丝杠副的摩擦 力矩；轴向气缸采用对称的两组气缸同时对工作台进行加载。

该试验工作台的操作步骤如下，

步骤1：垂直加载气缸11安装在龙门架10上通过垂直气缸加载 滚轮9对工作台6加载，垂直气缸加载滚轮9与工作台6之间为滚 动接触；侧向加载气缸13安装在龙门架10侧部，侧向加载气缸13 通过侧向气缸加载滚轮14对工作台6进行侧向加载，侧向气缸加载 滚轮14与工作台6之间为滚动接触；轴向双气缸12安装在龙门架 10上，轴向双气缸12上的双气缸活塞8与滚珠丝杠副5平行，双气 缸活塞8通过轴向气缸加载块7，对工作台6进行轴向加载。

步骤2：工作台6和滚珠丝杠副5的螺母座之间安装三方向力传 感器和扭矩传感器，三方向力传感器为块状，上表面直接与工作台 6连接，下表面直接与滚珠丝杠副5主螺母座连接。用于测量滚动导 轨副的摩擦力。扭矩传感器15安装在工作台6与副螺母之间，扭矩 传感器6的一侧保持副螺母座上表面与工作台平面平行。该装置用 于测量滚珠丝杠副的摩擦力矩。

步骤3：工作台6和试验台底座1之间安装有直线光栅尺16， 动尺安装在工作台底部，定尺安装在导轨侧，与导轨平行。滚珠丝 杠和伺服电机之间采用力矩传感器15连接，力矩传感器两侧安装联 轴器分别连接伺服电机和滚珠丝杠，伺服电机尾部同轴安装有圆光 栅。

步骤4：试验采用加速退化方式，采用三个方向气缸对工作台进 行加载，模拟直线进给单元实际工况，各个气缸的气压由气动系统 控制，并且轴向双气缸12的两个气缸通过节流阀调整为同步运行方 式。