滚珠丝杠滚道型面摩擦力矩润滑基础研究试验台设计(3)

菜单

从查阅的文献中可以得出，各项课题对于滚珠丝杠性能的分析都很有深度，研究的实验台设计比较有针对性，因此，综合实验平台的综合性很难得到体现，并且某些测试平台过于理想化，与实际滚珠丝杠的工作环境不相符，得到的测试数据不具备实际分析的价值。同时，暂未发现将滚道型面、摩擦力矩、润滑因素相结合考虑的试验台设备。因此，本课题主要将滚珠丝杠的轨道型面、摩擦力矩、润滑基础三个因素结合起来分析研究，探求其对滚珠丝杠定位精度与传动效率的具体影响。

首先，必须先从滚道型面、摩擦力矩、润滑基础的测量方案开始考虑，选择相对最优测量方案，并合理整合三个测试方向的方案，然后搭建一套综合测试平台，并优化平台，论证实验台的科学性，最后加工装配调试试验台，并投入实际的实验中，完成实验台的使用。

2 试验台试验方案选择

2.1 试验台测量原理分析

2.1.1 滚道型面测量原理

滚珠丝杠的滚道型面是螺旋结构，通过冷轧或者磨削两种方式加工产生，因此，滚道型面光滑程度、螺距的精度、滚道面形状度也是由这两种加工方式来保证的。螺旋滚道型面是滚珠丝杠中滚珠的滚动载体，只有滚珠丝杠杆转动，带来螺旋滚道的转动，从而推动了滚珠丝杠中滚珠的滚动，滚珠丝杠螺母也因此实现了沿丝杠杆轴向的移动。滚道型面的几何误差对滚珠丝杠的使用性能的影响较大，尤其表现在，当滚珠丝杠的滚道型面出现磨损或者存在螺距加工误差时，滚珠丝杠的摩擦力矩、精度保持都产生了影响。

滚道型面的测量主要通过传感器采集滚珠丝杠杆螺旋滚道表面轮廓的几何数据，同时采集表面轮廓的轴向位置数据。通过两数据的组合分析，实现对滚珠丝杠滚道型面在计算机上的模拟显示，并且使用计算机对滚道型面的数据进行分析，可以了解滚珠丝杠螺旋滚道的加工误差，为摩擦力矩值的大小提供分析依据。

2.1.2 摩擦力矩测量原理

滚珠丝杠摩擦力矩主要由螺母中的预紧力、丝杠轴向工作载荷、轴承间摩擦、丝杠转动过程中的惯性力等因素组成。摩擦力矩的大小对滚珠丝杠的使用寿命有很大的影响，同时，摩擦力矩过大，会需要系统提供更大的输入功率，因此，对于摩擦力矩的数值的测量与控制十分重要。

依据经验分析，滚珠丝杠螺母中的预紧力是摩擦力矩产生的主要组成部分。因此，通过对滚珠丝杠螺母中预紧力的控制，能够大致实现对滚珠丝杠摩擦力矩值的估计。滚珠丝杠螺母的摩擦力矩主要是用来克服滚珠丝杠螺母的绕丝杠杆轴向转动，因此，通过扭矩传感器与丝杠螺母间的连接，将克服螺母转动的扭矩可以准确传递到扭矩传感器当中，从而实现了滚珠丝杠螺母中摩擦力矩的测量。文献综述

2.1.3 输入扭矩测量原理

参照THK公司的滚珠丝杠摩擦力矩测试原理，在电机轴的输出端安装扭矩传感器。在滚珠丝杠空跑的过程中，用手轻扶住丝杠螺母，防止其因摩擦力矩跟随丝杠杆转动。此时，丝杠螺母上的负载几乎可以忽略，那么，输入扭矩就可以近似当作整个被测滚珠丝杠的摩擦力矩。因此，通过电机轴输出端的扭矩传感器采集到的摩擦力矩值大小的波动具有一定分析价值。

2.2 试验台测试方案选择

2.2.1 摩擦力矩测试方案

关于滚珠丝杠螺母摩擦力矩的测试方案，传统方法可以概述为：在被测滚珠丝杠螺母的下方设计测试台，测试台上安装扭矩传感器，由扭矩传感器限制丝杠螺母的转动，从而使螺母转动的摩擦力矩传递给传感器，传感器将采集到的扭矩数据传递给工控机，实现对被测数据的分析处理。通过被测螺母与测试台的固连，实现测试台与被测螺母的同步轴向进给。如图2.1所示，是某传统滚珠丝杠螺母的摩擦力矩测量方案机械结构图[19]。扭矩传感器1通过定位连接销2采集到滚珠丝杠螺母的摩擦力矩数据的折算值，通过力臂间的换算，可以获得滚珠丝杠螺母摩擦力矩的真实值。这种传统的测量方案存在一个弊端，即滑动安装底座4的轴向进给同步运动需要靠滚珠丝杠螺母的推动，而推动滑动安装底座4的力反作用于螺母，相当于对螺母产生了一个轴向负载，使得测出的螺母中的摩擦力矩并不是空跑时的摩擦力矩，而是由测量台底座阻力产生的未知负载干预下的摩擦力矩。同时，定位连接销与推力面重合，绕轴向的扭矩传递存在轴向推力产生的摩擦力干扰。因此，分析表明，传统测量方案不能精确测定滚珠丝杠螺母的空跑摩擦力矩。