评估进给系统丝杠预拉伸力动态性能测试系统及测试方法

摘要

一种评估进给系统丝杠预拉伸力的动态性能测试系统及测试方法，系统有设置在底座上的电机、通过联轴器连接电机的丝杠、设置在丝杠上的螺母，通过底部的螺母座固定连接螺母的工作台，底座上通过导轨支撑架设置有导轨，丝杠分别通过固定在底座上的前端轴承机构和尾端轴承机构进行定位，以及激光干涉测试系统、模态测试系统和热特性测试系统。方法：利用弹性轴套的标定装置对弹性轴套进行标定，获得弹性轴套的标定线性关系式；在不同梯度的轴向预拉伸力下分别进行进给系统模态试验测试、进给系统运动性能指标测试和进给系统热特性测试。本发明利用评价指标对测试数据进行处理，分析丝杠预拉伸力对进给系统动态性能的影响规律，综合评估丝杠预拉伸力状态。

说明书

技术领域

本发明涉及一种数控机床进给系统动态性能测试系统。特别是涉及一种评估进给系统丝杠预拉伸力动态性能测试系统及测试方法。

背景技术

为了确保数控机床的加工精度及效率，需要对进给系统的动态性能进行在线测量。而在进给系统机械结构和伺服系统参数给定的情况下，进给系统滚珠丝杠预拉伸力大小成为影响其动态特性的主要因素。为了提高滚珠丝杠进给系统的刚性和补偿丝杠热变对进给系统定位精度的影响，通常要对滚珠丝杠进行预拉伸，即通过对丝杠一端锁紧螺母的预紧来完成。滚珠丝杠预拉伸力对进给系统动态性能产生影响，预拉伸力过大会导致丝杠轴承发热严重从而影响寿命，预拉伸力过小会导致系统刚性不足，影响进给系统的定位精度。因此对于滚珠丝杠预拉伸力必须进行合理的选取。而在实际情况下，对进给系统滚珠丝杠预拉伸力状态的评估主要是依靠工程师的经验来完成，缺乏相应的量化指标，导致进给系统的动态性能达不到最优。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够完成对丝杠预拉伸力和进给系统动态性能测试数据采集和处理的用于评估进给系统丝杠预拉伸力动态性能测试系统及测试方法。

本发明所采用的技术方案是：一种评估进给系统丝杠预拉伸力的动态性能测试系统，包括数控机床进给系统中的底座、设置在底座上的电机、通过联轴器连接电机输出轴的丝杠、设置在丝杠上的能够随丝杠的旋转而水平直线移动的螺母，通过底部的螺母座固定连接螺母的工作台，所述的底座上通过导轨支撑架设置有用于引导工作台移动的导轨，所述的丝杠分别通过固定在底座上的前端轴承机构和尾端轴承机构进行定位，对应所述的工作台分别设置有：用于测量工作台运动过程中进给系统运动性能指标的激光干涉测试系统，用于测量对工作台施加激励时进给系统动态特性的模态测试系统，对应所述的前端轴承机构和尾端轴承机构设置有用于测量丝杠运动过程中热特性的热特性测试系统，所述的激光干涉测试系统、模态测试系统和热特性测试系统分别连接工控机。

一种用于评估进给系统丝杠预拉伸力的动态性能测试系统中弹性轴套的标定装置，包括有形成有T型凹槽的标定工作台，通过T型槽螺栓固定在所述标定工作台上的标定底座，所述标定底座上通过双头螺柱由下至上依次设置有定位夹盖和顶盖，其中，所述的定位夹盖和标定底座之间用于设置被标定的弹性轴套，所述弹性轴套上设置有应变片，所述应变片的信号输出端连接静态应变测试系统中测试信号采集单元的信号输入端，所述测试信号采集单元连接工控机，所述定位夹盖和顶盖之间设置有用于采集标定压力的压力传感器，所述双头螺柱上端通过螺纹连接有用于施加标定压力的施力螺母，所述的标定底座)上还设置有用于对所述的定位夹盖和顶盖进行导向的导向柱。

一种评估进给系统丝杠预拉伸力的动态性能测试系统中的测试方法，包括如下步骤：

1)利用评估进给系统丝杠预拉伸力的动态性能测试系统中弹性轴套的标定装置对弹性轴套进行标定，获得弹性轴套的标定线性关系式F＝a△x+b，其中，a，b为待标定的系数，△x弹性轴套轴向应变均值，F弹性轴套所受轴向力。在进给系统滚珠丝杠远离电机一端的预紧螺母和尾端轴承机构的轴承内圈之间加入已标定的弹性轴套，调整预紧螺母对丝杠施加由重到轻的四个梯度轴向预拉伸力，利用东华静态应变测试系统采集四个不同梯度轴向预拉伸力下的弹性轴套轴向应变数据，基于弹性轴套的标定线性关系式F＝a△x+b，再利用MATLAB对应变测试系统采集到的弹性轴套轴向变形数据进行处理，得到四个不同梯度的轴向预拉伸力数据；

2)在不同梯度的轴向预拉伸力下分别进行进给系统模态试验测试、进给系统运动性能指标测试和进给系统热特性测试。

本发明的评估进给系统丝杠预拉伸力的动态性能测试系统及测试方法，能够对丝杠预拉伸力和进给系统动态性能进行测试，采集测试数据，利用评价指标对测试数据进行处理，分析丝杠预拉伸力对进给系统动态性能的影响规律，综合评估丝杠预拉伸力状态。

本发的评估进给系统丝杠预拉伸力动态性能测试系统及测试方法，明可以快速准确地测量丝杠预拉伸力的大小，综合进给系统模态试验、运动性能指标测试以及热特性测量结果，全面有效地对丝杠预拉伸力状态和进给系统动态性能进行评估，用于指导工程师对进给系统的滚珠丝杠进行合理的预拉伸，提高数控机床的加工性能。

附图说明

图1是本发明评估进给系统丝杠预拉伸力动态性能测试系统的结构示意图；

图2是本发明中丝杠预拉伸力测试结构示意图；

图3是用于本发明测试系统中弹性轴套的标定装置立体结构示意图；

图4是用于本发明测试系统中弹性轴套的标定装置主视图。

图中

1：底座 2：电机

3：联轴器 4：前端轴承机构

5：丝杠 6：螺母

7：导轨 8：工作台

9：力锤 10：激振器

11：加速度传感器12：激光器

13：干涉镜14：反射镜

15：温度传感器16：电涡流位移传感器

17：工控机18：轴承座

19：内轴套20：弹性轴套

21：预紧螺母22：挡圈

23：应变片24：端盖

25：定位螺母26：尾端轴承机构

27：螺母座28：串联轴承组

29：外轴套30：测试信号采集单元

31：控制及测试信号采集单元32：数据采集单元

33：T型凹槽 34：标定工作台

35：T型槽螺栓 36：标定底座

37：导向柱38：双头螺柱

39：施力螺母40：顶盖

41：定位夹盖42：导轨支撑架

43：压力传感器

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的评估进给系统丝杠预拉伸力动态性能测试系统及测试方法做出详细说明。

本发明的评估进给系统丝杠预拉伸力的动态性能测试系统及标定装置，根据测试任务选择合适的传感器、配置数据采集装置和工控机，搭建进给系统动态性能测试系统硬件测试平台。所述的进给系统动态性能测试系统硬件测试平台包括进给系统滚珠丝杠预拉伸力标定测试平台、进给系统模态试验平台、进给系统运动性能指标测试平台以及进给系统热特性测试平台。

如图1所示，本发明的评估进给系统丝杠预拉伸力的动态性能测试系统，包括数控机床进给系统中的底座1、设置在底座1上的电机2、通过联轴器3连接电机2输出轴的丝杠5、设置在丝杠5上的能够随丝杠5的旋转而水平直线移动的螺母6，通过底部的螺母座27固定连接螺母6的工作台8，所述的底座1上通过导轨支撑架42设置有用于引导工作台8移动的导轨7，所述的丝杠5分别通过固定在底座1上的前端轴承机构4和尾端轴承机构26来定位，对应所述的工作台8分别设置有：用于测量工作台8运动过程中进给系统运动性能指标的激光干涉测试系统，用于测量对工作台8施加激励时进给系统动态特性的模态测试系统，对应所述的前端轴承机构4和尾端轴承机构26设置有用于测量丝杠5运动过程中热特性的热特性测试系统，所述的激光干涉测试系统、模态测试系统和热特性测试系统分别连接工控机17。

所述的激光干涉测试系统采用厂家为Renishaw的激光干涉系统，系统中：激光器12设置在所述工作台8远离电机2一侧，干涉镜13固定在底座1上，反射镜14固定在工作台8上，所述激光器12、干涉镜13和反射镜14位于同一光路上，所述激光器12的信号输出端连接激光干涉测试系统中测试信号采集单元30的信号输入端，所述测试信号采集单元30连接工控机17。

所述的模态测试系统采用厂家为比利时LMS公司的LMS测试系统，系统中：控制及测试信号采集单元31连接工控机17，分别连接控制及测试信号采集单元31的控制信号输出端和采集信号输入端用于产生激振力的激振器10设置在工作台8的一侧，连接控制及测试信号采集单元31的采集信号输入端的力锤9对应敲击工作台8上的测试点，连接控制及测试信号 采集单元31的采集信号输入端的12～24个加速度传感器11分别布设在：螺母座27上设置有2～4个，在前端轴承机构4上设置有1～2个，尾端轴承机构26上设置有1～2个，工作台8上设置有8～16个。

所述的热特性测试系统采用厂家为北京昆仑海岸传感技术中心的热特性测试系统，系统中：数据采集单元32连接工控机17，连接数据采集单元32的2～4个温度传感器15分别布设在前端轴承机构4的轴承座上1～2个，尾端轴承机构26的轴承座上1～2个，连接数据采集单元32的电涡流位移传感器16固定在底座1上并对应于进行预拉伸的丝杠5的伸出端。所述的电涡流位移传感器16的测试端面与所述的丝杠5伸出端的端面平行设置，且相距0.5～1mm。

如图2所示，所述的尾端轴承机构26包括有：包括有轴承座18，位于轴承座18内的用于支撑固定丝杠5且以背靠背的形式装入的两组串联轴承组28，两组串联轴承组28之间设置有内轴套19，两组串联轴承组28的位于丝杠5端部一侧设置有弹性轴套20，远离丝杠5端部一侧设置有外轴套29，所述外轴套29和弹性轴套20的外周分别设置有挡圈22，其中，所述轴承座18的两端分别通过螺钉设置有用于定位轴承组28和挡圈22的端盖24，所述端盖24的中心形成有能够贯穿丝杠5的贯通孔，所述丝杠5的端部螺纹连接有用于对丝杠5施加轴向预拉伸力的预紧螺母21，所述弹性轴套20的外周均匀设置有3～4个用于测定丝杠5轴向变形的应变片23，所述应变片23的信号输出端连接“东华静态应变测试系统”中测试信号采集单元的信号输入端，所述测试信号采集单元连接工控机17。所述丝杠5位于外轴套29的一侧设置有定位螺母25。

如图3、图4所示，用于评估进给系统丝杠预拉伸力的动态性能测试系统中弹性轴套的标定装置，包括有形成有T型凹槽33的标定工作台34，通过T型槽螺栓35固定在所述标定工作台34上的标定底座36，所述标定底座36上通过双头螺柱38由下至上依次设置有定位夹盖41和顶盖40，其中，所述的定位夹盖41和标定底座36之间用于设置被标定的弹性轴套20，所述弹性轴套20上设置有应变片23，所述应变片23的信号输出端连接“东华静态应变测试系统”中测试信号采集单元的信号输入端，所述测试信号采集单元连接工控机17。所述定位夹盖41和顶盖40之间设置有用于采集标定压力的压力传感器43，所述双头螺柱38上端通过螺纹连接有用于施加标定压力的施力螺母39，即通过同步旋进双头螺柱38上的施力螺母39来提供弹性轴套的轴向力。所述的标定底座36上还设置有贯穿所述的定位夹盖41和顶盖40用于对所述的定位夹盖41和顶盖40进行导向的导向柱37。

所述的导向柱37和双头螺柱38各设置有2个，在标定底座36的上端面以中心为圆心，以弹性轴套20外直径的2～2.5倍为直径的圆周上形成有2个用于固定导向柱37的导向孔槽和2个用于连接双头螺柱38的螺孔槽，所述的导向孔槽和螺孔槽为间隔设置，在定位夹盖41和顶盖40上以各自中心为圆心，以弹性轴套20外直径的2～2.5倍为直径的圆周上均形成有2个用于贯穿导向柱37的导向孔和2个用于贯穿双头螺柱38的螺柱孔，所述的导向孔和螺柱孔间隔设置，每个导向孔和螺纹孔之间间隔90o。所述的导向柱37和双头螺柱38的底端依次贯穿顶盖40和定位夹盖41上相对应的导向孔和螺柱孔固定在所述标定底座36的导向孔槽和螺孔槽内。所述导向柱37的底端与所述的标定底座36上的导向孔槽为过渡配合，所述 导向柱37与定位夹盖41和顶盖40上的导向孔均采用间隙配合。

所述的定位夹盖41的上端面形成有直径大于压力传感器43直径1～2mm、深度为2～3mm的用于固定压力传感器43的上端圆柱形定位槽，所述的定位夹盖41的下端面形成有直径大于弹性轴套20直径1～2mm、深度为2～3mm的用于固定弹性轴套20的下端圆柱形定位槽，所述的上端圆柱形定位槽和下端圆柱形定位槽为同轴设置。

本发明的用于评估进给系统丝杠预拉伸力的动态性能测试系统中的测试方法，包括如下步骤：

1)利用评估进给系统丝杠预拉伸力的动态性能测试系统中弹性轴套的标定装置对弹性轴套进行标定，将3～4个应变片沿周向均匀粘贴在待标定的弹性轴套上，以力矩扳手作为施力工具拧紧施力螺母，通过压力传感器和东华静态应变测试系统分别采集弹性轴套所受轴向力数据和其轴向应变数据，基于胡克定律确定弹性轴套所受轴向力与其轴向变形之间的线性关系，获得弹性轴套的标定线性关系式F＝a△x+b，其中，a，b为待标定的系数，△x弹性轴套轴向应变均值，F弹性轴套所受轴向力，并以此作为实验测定轴向预拉伸力的依据。

轴向预拉伸力测试是在进给系统滚珠丝杠远离电机一端的预紧螺母和尾端轴承机构的轴承内圈之间加入已标定的弹性轴套，将3～4个应变片沿周向均匀粘贴在弹性轴套上，调整预紧螺母对丝杠施加由重到轻的四个梯度轴向预拉伸力，利用东华静态应变测试系统采集四个不同梯度轴向预拉伸力下的弹性轴套轴向应变数据，基于弹性轴套的标定线性关系式F＝a△x+b，再利用MATLAB对应变测试系统采集到的弹性轴套轴向变形数据进行处理，得到四个不同梯度的轴向预拉伸力数据；

2)在不同梯度的轴向预拉伸力下分别进行进给系统模态试验测试、进给系统运动性能指标测试和进给系统热特性测试。其中：

所述的进给系统模态试验测试是首先进行锤击法模态试验，然后在锤击法模态试验的基础上进行激振器法模态试验获取准确的进给系统动态特性参数，根据步骤1)得到的四个不同梯度的轴向预拉伸力数据，改变丝杠预拉伸力重复所述进给系统模态试验测试过程四次，得到在四个不同梯度丝杠预拉伸力下的进给系统动力学特性。其中：

所述的锤击法模态试验是采用单点激振多点拾振的方法，包括：

(1)在进给系统工作台部位上选取10～20个位置布置测试点，其中，在螺母座上选取2～4个位置布置测试点加装加速度传感器，在工作台选取8～16个位置布置测试点加装加速度传感器。在LMS模态测试系统中：对应螺母座上和工作台上布置的各测试点建立相应的测试点，并根据锤击法模态试验的测试点位置依次连接各测试点，建立几何模型；

(2)设置激励和响应通道并对加速度传感器进行校准，并设置采样参数：包括采样频率、分析带宽、触发级和窗函数；

(3)在完成设置之后即可进行测量，用力锤敲击工作台，利用LMS模态测试系统采集激励信号和各测点的响应信号，获取对应的频响函数；

(4)将锤击法模态试验获取的频响函数经过LMS模态测试系统中的模态分析模块处理得到进给系统的固有频率；

所述的激振器法模态试验同样采用单点激振多点拾振的方法，包括：

(1)是在锤击法所选工作台和螺母座测试点位置的基础上，在前端轴承机构和尾端轴承机构上分别额外选取1～2个测点并布置加速度传感器，工作台轴向端面中心位置选取激振点并加装激振器。在LMS模态测试系统中：对应螺母座上、工作台上、前端轴承机构和尾端轴承机构上布置的各测试点建立相应的测试点，根据激振器法模态试验的测试点位置依次连接各测试点，建立几何模型；

(2)设置激励和响应通道和采样参数，采样参数包括：测试带宽、谱线、频率分辨率、触发级和窗函数；

(3)定义测量方向、输出电压幅值和测量函数并根据锤击法得到的固有频率设定激振器扫频范围；在完成设置之后即可进行测量，利用LMS模态测试系统采集激励信号和各测点的响应信号，获取对应的频响函数；在LMS模态测试系统中的模态分析模块中导入由激振器法模态试验获取的频响函数，得出包括固有频率和模态振型在内的系统固有动力学特性；

所述的进给系统运动性能指标测试是利用Renishaw激光干涉测试系统完成进给系统工作台运动数据信息的采集，并利用MATLAB对采集到的数据进行处理得到各项运动性能指标，具体包括：

(1)将反射镜固定在工作台上，干涉镜固定在导轨上(确保工作台运动行程中不会与干涉镜相碰)，调整激光器、干涉镜和反射镜的位置，进行激光准直；

(2)设置采样参数，包括采样频率，采样时间，触发时间；

(3)编写进给系统数控运行程序，包括：位移斜坡运动信号、速度斜坡运动信号和往复运动信号；

(4)执行进给系统数控运行程序，利用激光干涉测试系统采集进给系统在三种运动信号下工作台运动的位置信息，将采集到工作台位置信息以数据表的形式进行储存；

(5)基于响应效率、定位精度、速度跟踪特性和延迟特性这四项运动性能指标的计算公式，利用MATLAB对储存在数据表中的三种运动信号下工作台位置数据信息进行处理得到进给系统的四项运动性能指标并绘制三种运动信号下工作台运动的曲线；

所述的基于响应效率、定位精度、速度跟踪特性和延迟特性这四项运动性能指标的计算公式具体如下：

所述的响应效率指标，是反映进给系统对位移斜坡运动信号的响应性能，计算表达式为其中t_p为进给系统走完行程的理论时刻，t_c为进给系统的实际位移到达理想位移范围ε内的时刻，t_e为测试结束时刻；

所述的定位精度指标，是反映进给系统在位移斜坡运动信号下的实际位置与理想位置之间的偏差，计算表达式为其中选取进给系统走完行程的理论时刻t_p作为特征点，将进给系统实际位移X_r与理想位移X_e之比作为定位精度指标；

所述的速度跟踪特性指标，是反映进给系统在速度斜坡运动信号下实际速度和理想速度 的接近程度，计算表达式为其中V_e为进给系统的理想速度值，V_r为进给系统加速到理论时刻t_i对应的实际速度值，两者的比值作为速度跟踪特性指标；

所述的延迟特性指标，是反映进给系统对往复运动信号的位移响应，计算表达式为t_a为进给系统实际达到最大位移的时刻，t_i为进给系统到达最大位移的理论时刻，两者的比值作为延迟特性指标。

(6)根据步骤1)得到的四个不同梯度的轴向预拉伸力数据，改变丝杠预拉伸力重复第(1)～第(5)步四次，得到在四个不同梯度丝杠预拉伸力下的进给系统运动性能指标。

所述的进给系统热特性测试是利用热特性测试系统进行轴承座温升测试和滚珠丝杠轴向热变形测试，具体包括：

(1)将在前端轴承机构的轴承座和尾端轴承机构的轴承座各固定的1～2个温度传感器的信号输入端与热特性测试系统中NI数据采集卡的对应通道相连，并在LabVIEW中标定温度传感器；

(2)位于丝杠预拉伸端的电涡流位移传感器的信号输入端与热特性测试系统中NI数据采集卡的对应通道相连，并在LabVIEW中标定电涡流微位移传感器。编写进给系统数控运行程序，设定进给速度如4800mm/min，单向行程长度如800mm，往复运动，设定运行时间如30min；

(3)执行进给系统数控运行程序，通过温度传感器和电涡流位移传感器采集在进给系统设定的运行时间内，前端轴承机构的轴承座和尾端轴承机构的轴承座的温升数据，以及滚珠丝杠轴向热变形数据，并储存在LabVIEW的数据表中，利用MATLAB对采集到的前端轴承机构的轴承座和尾端轴承机构的轴承座的温升数据，以及滚珠丝杠轴向热变形数据，进行处理并绘制曲线；

(4)一次试验结束后待前端轴承机构的轴承座和尾端轴承机构的轴承座温度降至稳定值，根据步骤1)得到的四个不同梯度的轴向预拉伸力数据，改变丝杠预拉伸力重复第(1)～第(3)步四次，得到在四个不同梯度丝杠预拉伸力下的进给系统轴承座温升和滚珠丝杠轴向热变形数据并进行比较。