滾珠絲杠副摩擦力矩試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)

圖書分類號：密級：畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)滾珠絲杠副摩擦力矩試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)Ballscrewfrictiontorquetestrigdesign學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用或參考的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品或成果。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)注。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。論文作者簽名：日期：年月日學(xué)位論文版權(quán)協(xié)議書本人完全了解關(guān)于收集、保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：本校學(xué)生在學(xué)習(xí)期間所完成的學(xué)位論文的知識產(chǎn)權(quán)歸所擁有。有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交學(xué)位論文的紙本復(fù)印件和電子文檔拷貝，允許論文被查閱和借閱。可以公布學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容，可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容提交至各類數(shù)據(jù)庫進(jìn)行發(fā)布和檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。論文作者簽名：導(dǎo)師簽名：日期：年月日日期：年月日摘要滾珠絲杠副作為數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵部件，其制造水平的高低在很大程度上決定了數(shù)控機(jī)床的精度高低。隨著數(shù)控機(jī)床向高速化、高精度化、復(fù)合化與環(huán)?；较虬l(fā)展，對滾珠絲杠副的性能提出了越來越高的要求。摩擦力矩是滾珠絲杠副的重要性能參數(shù)，其變動量對滾珠絲杠副的動態(tài)性能有很大影響。為了找出影響摩擦力矩波動的因素，改善其摩擦性能，我們設(shè)計(jì)了滾珠絲杠副摩擦力矩試驗(yàn)臺，為有效改進(jìn)高速滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)及工藝提供指導(dǎo)。本課題主要通過設(shè)計(jì)研究出一套可以測量不同結(jié)構(gòu)滾珠絲杠副摩擦力矩的試驗(yàn)臺。本文首先介紹了本課題的背景研究現(xiàn)狀及意義，隨后提出試驗(yàn)臺的總體設(shè)計(jì)，之后對試驗(yàn)臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化，通過對滾珠絲杠副安裝方式的研究，經(jīng)過不同方案的選擇，確定出最佳方案。對傳感器安裝和選擇也是多番比較，最終得出合理方案、而后電機(jī)選擇以及后續(xù)測量到數(shù)據(jù)的處理。最后得出了滾珠絲杠副摩擦力矩試驗(yàn)臺。關(guān)鍵詞：滾珠絲杠副；摩擦力矩；方案設(shè)計(jì);試驗(yàn)臺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目錄TOC\o"1-3"\h\u32351摘要 318200Abstract 437951緒論 6198021.1研究背景 677581.2研究現(xiàn)狀及意義 7237531.3論文研究的主要內(nèi)容 8185692試驗(yàn)臺的總體設(shè)計(jì) 977182.1試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)原則 9121142.2試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)的功能要求 1099192.3試驗(yàn)臺的總體設(shè)計(jì)方案 10256733試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1219438電機(jī)選擇設(shè)計(jì) 1220775電機(jī)分析 12302573.1.2電機(jī)確定 13280013.2軸承的計(jì)算分析 1319453.3滾珠絲杠副安裝方式的設(shè)計(jì) 15249663.4傳感器選擇及安裝設(shè)計(jì) 1587533.4.1傳感器的選擇 15236233.4.2測力傳感器安裝設(shè)計(jì) 16172653.4.3傳感器移動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 18288323.5導(dǎo)軌的選擇 1962073.5.1導(dǎo)軌材料的選擇 19200453.5.2導(dǎo)軌截面的選擇 19138393.6移動軸承座的設(shè)計(jì) 20284094數(shù)據(jù)采集及處理 2125234.1軟件總體構(gòu)成 22260524.2硬件電路設(shè)計(jì) 221514.3.AD采樣設(shè)計(jì) 22240024.3,1模塊的介紹 22257904.3,2采樣設(shè)計(jì) 23103084.4初始化參數(shù)設(shè)置 24308324.5串口通信的選擇 2428504.6打印數(shù)據(jù) 253868結(jié)論 2715855參考文獻(xiàn) 281緒論1.1研究背景現(xiàn)如今數(shù)控機(jī)床和各種一體化的設(shè)備都往著高速、高精度、高可靠性及綠色方向發(fā)展，故而對其中各類零部件的要求也越來越高。滾珠絲杠副作為在高精密設(shè)備中的重要部件，是確定線性位移的關(guān)鍵之一，所以其的技術(shù)要求越來越高。現(xiàn)在隨著滾珠絲杠在工作過程中的運(yùn)動速度在不斷的上升，在高速加工中心的快移速度要求甚至達(dá)到60m/min以上，使得如今使用的傳統(tǒng)的分析方法和理念都已經(jīng)無法滿足產(chǎn)品的制造要求，勢必要發(fā)展新方法來實(shí)現(xiàn)。運(yùn)用伺服電機(jī)配合滾珠絲杠副已經(jīng)成為機(jī)械高速化的研究新方向。為了達(dá)到準(zhǔn)確的位置精度和流暢性，可以選擇滾珠絲杠成為機(jī)床的驅(qū)動裝置來實(shí)現(xiàn)，而為了能夠?qū)崿F(xiàn)工件的加工時(shí)間的減少，各類高速絲杠副如雨后春筍般地發(fā)展了起來。在海外，他們的企業(yè)大部分都具備相當(dāng)完善的檢測試驗(yàn)裝備和儀器，同樣也有著完善的產(chǎn)品性能數(shù)據(jù)庫，而所做的這些都能為其后續(xù)研發(fā)新產(chǎn)品奠定了良好的基礎(chǔ)和技術(shù)保證，達(dá)到事半功倍的效果。然而在國內(nèi)，大部分企業(yè)都在忙于生存，無法拿出資金和精力來研發(fā)，造成惡性循環(huán)，不過近年來有了一定的好轉(zhuǎn)。而摩擦力矩對于滾珠絲杠副的影響也是巨大的，作為滾珠絲杠副一個(gè)主要的性能參數(shù)，其對滾珠絲杠副的影響是方方面面的，例如摩擦力矩要是偏大就會降低絲杠副的傳動效率、增加能量的損耗、增加振動和噪音甚至降低工件的使用壽命等等。所以如何改善滾珠絲杠副的摩擦性能，來提升產(chǎn)品的加工質(zhì)量和進(jìn)給機(jī)構(gòu)的控制精度十分重要，而滾珠絲杠副摩擦力矩檢測試驗(yàn)在這里也可以說是至關(guān)重要的。1.2研究現(xiàn)狀及意義1）研究的現(xiàn)狀國內(nèi)對于滾珠絲杠副摩擦力矩的研究雖說不多，當(dāng)也有幾位前輩有不錯(cuò)的研究成果。滾珠絲杠副在摩擦力的研究方向中，孫健利[1]、劉建素[2]、張朝輝[3]研究了在不同接觸條件下，滾動的直線導(dǎo)軌的差動滑動摩擦力的變化，并加以推論得出相關(guān)系列公式，有了一定的成功。從制造誤差及反向器沖擊方向方面，黃壽榮、黃家賢二人[4]通過實(shí)驗(yàn)研究，對滾珠絲杠副摩擦力矩有了更深入的分析。在國外，上世紀(jì)70年代就有了對滾珠絲杠副摩擦力矩的測量系統(tǒng)，之后更是創(chuàng)造性地將微機(jī)系統(tǒng)加入到測量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的處理[5]，從此測量精度得到大幅度的提高。國內(nèi)也有不少人在試驗(yàn)臺研究方面有所進(jìn)展，其中代表BTJS.001型高速滾珠絲杠副綜合試驗(yàn)臺[5]。該試驗(yàn)臺能夠測量的絲杠最大長度可達(dá)2000mm,最小可測直徑，最大可達(dá)，而該試驗(yàn)臺實(shí)際工作行程低于1800mm；在測量的過程中，工作臺的移動速度可能會達(dá)到60mm/min的高速。該試驗(yàn)臺可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載狀態(tài)下的加速度大小、速度大小、定位精度以及絲杠熱伸長的實(shí)時(shí)檢測。在控制系統(tǒng)的方面，該試驗(yàn)臺選擇了來自日本三菱公司的單軸數(shù)控系統(tǒng)，該數(shù)控系統(tǒng)具備高分辨率高效的優(yōu)勢。而上位機(jī)軟件方面，自然選用進(jìn)行編寫，最為常用以及簡易。當(dāng)各類數(shù)據(jù)被檢測出來后，將其通過計(jì)算機(jī)的出來，然后通過硬盤保存數(shù)據(jù)之后也可以打印出相關(guān)的數(shù)據(jù)報(bào)告。該試驗(yàn)臺的實(shí)際測試試驗(yàn)都是有很大作用的，通過這些測驗(yàn)數(shù)據(jù)可以為之后滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和裝配工藝提供參考數(shù)據(jù)，希望可以慢慢減少與國外先進(jìn)水平之間的差距。摩擦力矩對于滾珠絲杠副來說極為重要，它可以影響滾珠絲杠副能量的損耗，也會造成滾珠絲杠副溫度變化、振動幅度的改變以及噪聲聲貝的影響。因此，在滾珠絲杠副出廠之前，摩擦力矩的測量是極為重要的一個(gè)指標(biāo)。現(xiàn)如今國內(nèi)已經(jīng)逐漸重視對滾珠絲杠副摩擦力矩的研究，設(shè)計(jì)了其摩擦力矩檢測儀器，但檢測儀器功能還需進(jìn)一步完善，仍有大量實(shí)驗(yàn)有待于去分析、深入。研究意義我國對于滾珠絲杠副的起步晚，而隨著國際市場競爭越發(fā)激烈，對滾珠絲杠副高速化精度化要求越來越高。我國必須要提升滾珠絲杠副產(chǎn)品創(chuàng)新也要保證產(chǎn)品的質(zhì)量。而從歷史數(shù)據(jù)看出國內(nèi)外滾珠絲杠副性能要求中的差距，國內(nèi)被國外甩出了火星。造成如此大差距的原因有很多，國內(nèi)大部分廠家不注重試驗(yàn)只顧著制造是一大原因。而試驗(yàn)測量與制造的關(guān)系就是秤不離砣，如果為了降低成本減少時(shí)間，而在制造之前不進(jìn)行測量試驗(yàn)，那么制造出來的產(chǎn)品就得不到質(zhì)量的保證，實(shí)際上是變相的降低了工作效率。唯有進(jìn)行眾多試驗(yàn)測試才能提高制造的水平。如今數(shù)控機(jī)床向高速化發(fā)展，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的滾珠絲杠副已經(jīng)無法勝任，出現(xiàn)了發(fā)熱變形、噪聲加大、定位失準(zhǔn)等等的現(xiàn)象。如果值()的更加，可能會直接對絲杠副結(jié)構(gòu)進(jìn)行破壞，而這些現(xiàn)象里面都能看到摩擦力矩的影響。因而設(shè)計(jì)出滾珠絲杠副摩擦力矩試驗(yàn)臺是一個(gè)具有極大意義的課題。1.3論文研究的主要內(nèi)容此次論文要通過試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)出能夠適應(yīng)于不同結(jié)構(gòu)的滾珠絲杠副摩擦力矩測量的試驗(yàn)臺。論文的主要內(nèi)容有：查閱相關(guān)文獻(xiàn)，確定選擇出合適的試驗(yàn)臺總體設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺的機(jī)械機(jī)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化，完成試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)圖紙的繪制。選擇不同結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)絲杠，確定壓力位移傳感器的選定及夾緊裝置。選用合適的壓力位移數(shù)據(jù)采集電路，并進(jìn)行后續(xù)處理。通過設(shè)計(jì)研究及數(shù)據(jù)的分析處理，對滾珠絲杠副的摩擦力矩有了進(jìn)一步了解，為其日后改善結(jié)構(gòu)、性能及研發(fā)有了新的方向。2試驗(yàn)臺的總體設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)原則（1）通用性本次要設(shè)計(jì)用于測量不同結(jié)構(gòu)滾珠絲杠副摩擦力矩的試驗(yàn)臺，而滾珠絲杠有著眾多的尺寸參數(shù)：絲杠公稱直徑、螺母有效長度、絲杠總長、螺母外直徑、螺母長度、軸端尺寸等等。如果只是去設(shè)計(jì)只適應(yīng)于單個(gè)型號的滾珠絲杠副摩擦力矩試驗(yàn)臺。為了可以測量不同型號的滾珠絲杠的摩擦力矩，就要綜合考慮各種對試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)有影響的因素。實(shí)際上，主要的影響因素在于滾珠絲杠的安裝及傳感器的安裝。因而，必須要選擇一個(gè)合適的安裝方式來實(shí)現(xiàn)對不同結(jié)構(gòu)滾珠絲杠副的測量。當(dāng)面對滾珠絲杠副出現(xiàn)不同的軸端尺寸的時(shí)候，就要考慮設(shè)計(jì)出適合支撐單元來實(shí)現(xiàn)支撐：而如果滾珠絲杠副長度不一樣是，就要在尾座設(shè)計(jì)出一個(gè)可以移動和鎖緊的機(jī)構(gòu)來；當(dāng)面對滾珠絲杠副螺母尺寸不一樣的時(shí)候，又要想幫辦法設(shè)計(jì)出可以保證安裝剛度并且通用的機(jī)構(gòu)來。（2）拆裝快捷、方便通過經(jīng)驗(yàn)研究，絲杠的拆裝是試驗(yàn)臺工作里最耗時(shí)間的。滾珠絲杠副一直以來都對精度的要求極高，所以當(dāng)對它進(jìn)行安裝的時(shí)候不僅僅要在固定的時(shí)候確保精度要求，在其出現(xiàn)定位時(shí)候也要有精度上的要求?？梢钥闯?，這種安裝要求異常的特別，也加大了設(shè)計(jì)的難度，為了達(dá)成上述要求，要設(shè)計(jì)選擇出合適可靠的定位及固定部件。而對于固定部件的定位來說，為了縮短絲杠的拆裝時(shí)間也為了可以降低工作的強(qiáng)度，需要提出更為苛刻的精度要求。在滾珠絲杠副進(jìn)行安裝的時(shí)候，不少的部件間需要采用過渡或過盈配合，所以有些配合面不可避免的會有一定的碰撞。故而要設(shè)計(jì)一種特殊的結(jié)構(gòu)，使得在安裝這些配合面的工作強(qiáng)度盡量的低，減少誤差。（3）測量過程自動化、智能化試驗(yàn)臺需要測試的參數(shù)滾珠絲杠副的摩擦力矩，需要設(shè)計(jì)出一個(gè)自動化、智能化的測試體系，可以把傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示出來，還可以使用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，將所有的數(shù)據(jù)記入下來，然后能和滾珠絲杠副的型號、編號等一一對應(yīng)方便之后試驗(yàn)者來參考和處理。2.2試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)的功能要求設(shè)計(jì)滾珠絲杠副摩擦力矩試驗(yàn)臺是為了可以測量出不同結(jié)構(gòu)絲杠的摩擦力矩，從而對之后絲杠結(jié)構(gòu)的研究提供支持。本試驗(yàn)臺的功能要求如下：本試驗(yàn)臺能夠針對不同結(jié)構(gòu)的滾珠絲杠副進(jìn)行安裝和試驗(yàn)。通過傳感器實(shí)現(xiàn)對滾珠絲杠副摩擦力矩的測量。具有采集系統(tǒng)，可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集及后續(xù)處理。.3試驗(yàn)臺的總體設(shè)計(jì)方案按照上述的試驗(yàn)內(nèi)容及功能的要求，確定出本次試驗(yàn)臺的的總體設(shè)計(jì)方案。本次試驗(yàn)臺的總長度為3000mm，工作臺實(shí)際可以允許行程為2000mm。本次試驗(yàn)時(shí)，需要控制滾珠絲杠副在正反兩個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)速度為120r/min，這樣就能實(shí)現(xiàn)對于滾珠絲杠副摩擦力矩實(shí)時(shí)的檢測。在進(jìn)行滾珠絲杠副摩擦力矩試驗(yàn)之前，需要對滾珠絲杠進(jìn)行檢驗(yàn)。這里可以根據(jù)GB/T17587.3-1998，完成對滾珠絲杠副的檢驗(yàn)。檢驗(yàn)無誤后，開始試驗(yàn)。首先要把清洗浸泡待測的滾珠絲杠副，減少外界因素影響。之后開始將絲杠副安裝到試驗(yàn)臺進(jìn)行下一步試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中一定要連緊絲杠，不然絲杠滑動甚至脫落影響試驗(yàn)進(jìn)行。先將滾珠絲杠副安裝到試驗(yàn)臺上，一端通過聯(lián)軸器2與電機(jī)連接，另一端則和軸承套9連接。當(dāng)滾珠絲杠副裝夾完成后，傳感器5安裝在機(jī)床的導(dǎo)軌8上。而傳感器和螺母連著一個(gè)傳動桿11，通過這個(gè)傳動桿可以將滾珠絲杠副的摩擦力矩轉(zhuǎn)換成壓力，從而通過傳感器測量出來。之后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿C(jī)10經(jīng)過分析實(shí)現(xiàn)滾珠絲杠副摩擦力矩的測量和存儲。當(dāng)開始試驗(yàn)時(shí)，電機(jī)帶動絲杠旋轉(zhuǎn)，而螺母這時(shí)候會進(jìn)行直線運(yùn)動，而傳感器也會隨之機(jī)床導(dǎo)軌進(jìn)行運(yùn)動，從而完成對滾珠絲杠副摩擦力矩的測量。這種測量方和傳統(tǒng)的扭矩傳感器相比較，它的優(yōu)點(diǎn)在于是直接將滾珠絲杠副摩擦力矩轉(zhuǎn)換成壓力進(jìn)行測量，這樣計(jì)算過程減少，自然而然測量也是更加的準(zhǔn)確。1-電動機(jī)2-聯(lián)軸器3-絲杠4-絲杠副螺母套5-壓力傳感器6-滑動平臺7-滑軌8-導(dǎo)軌9-軸承套10-微機(jī)11-傳力桿圖2-1試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)圖試驗(yàn)臺的工作原理大致是就是通過一個(gè)法蘭盤連接絲杠副螺母套，在法蘭盤上有通孔可以和傳力環(huán)上的通孔相連接，而傳力環(huán)另外一端會和安裝在機(jī)床軌道上的傳感器箱接觸。這樣的話，當(dāng)電機(jī)帶動絲杠旋轉(zhuǎn)之后，由于摩擦力的存在，使得法蘭盤會隨著絲杠轉(zhuǎn)動，不過當(dāng)傳力環(huán)接觸到傳感器箱的時(shí)候，就會產(chǎn)生一個(gè)會阻止法蘭盤轉(zhuǎn)動的力，根據(jù)杠桿原理，可以得出在傳力環(huán)另一端也就是和傳感器箱接觸的那一端，會產(chǎn)生一個(gè)和之前大小相等、方向相反的力，根據(jù)力的平衡，壓力傳感器上接受到的壓力和法力的摩擦力大小一致，這樣實(shí)現(xiàn)了對滾珠絲杠副摩擦力的動態(tài)測量，之后再乘以力臂因子即可得到滾珠絲杠副摩擦力矩的數(shù)據(jù)。1-絲杠2-絲杠螺母套3-傳力桿4-壓力傳感器圖2-2摩擦力矩測量示意圖3試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)電機(jī)選擇設(shè)計(jì)結(jié)論參考文獻(xiàn)[1]孫健利．劉建素等．影響滾動直線導(dǎo)軌副摩擦力的因素[J]．制造技術(shù)與機(jī)床，1995.[2]劉建素.滾動直線導(dǎo)軌的理論及實(shí)驗(yàn)[D]．華中理工大學(xué)機(jī)械學(xué)