高速滚珠丝杠动态性能试验台的开发及测试方法研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 2.75MB 67 页 15积分

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .....................................................................................................................1

1.1 课题背景和意义 ......................................................................................................................1

1.1.1 课题的背景 ..................................................................................................................1

1.1.2 课题研究的意义 ........................................................................................................2

1.1.3 目前国内外先进水平 ..................................................................................................3

1.2 本论文主要研究内容 ..............................................................................................................4

第二章滚珠丝杠副工作原理及其性能试验指标 .........................................................5

2.1 滚珠丝杠副原理及其结构特点 .............................................................................................5

2.2.1 滚珠丝杠副原理 ..........................................................................................................5

2.1.2 滚珠丝杠副特点 ...........................................................................................................6

2.2 滚珠丝杠副性能试验指标 ......................................................................................................6

2.2.1 精度试验 ......................................................................................................................7

2.2.2 温升试验 ......................................................................................................................7

2.2.3 噪声试验 ......................................................................................................................7

2.3 运动精度测量算法 ..................................................................................................................8

2.3.1 定位精度测量 ..............................................................................................................8

2.3.2 重复定位精度测量 ......................................................................................................9

2.3.3 反向误差测量 ..............................................................................................................9

2.4 温度场基本方程 ......................................................................................................................9

2.4.1 导热基本定律 ..............................................................................................................9

2.4.2 牛顿冷却公式 ............................................................................................................10

2.4.3 导热微分方程 ............................................................................................................10

第三章滚珠丝杠副试验台的总体设计 .......................................................................13

3.1 设计原则 .............................................................................................................................13

3.2 系统基本要求 .......................................................................................................................13

3.3 系统设计方案 .......................................................................................................................14

3.3.1 系统技术要求 ............................................................................................................14

3.3.2 滚珠丝杠测试系统组成 ............................................................................................14

第四章滚珠丝杠副动态测试系统的设计与开发 .......................................................20

4.1 温度测量系统的开发 .........................................................................................................20

4.1.1 测量原理 .....................................................................................................................21

4.1.2 温度传感器 .................................................................................................................21

4.1.3 FL-XMDA-9000A 智能多点巡检仪 ..........................................................................22

4.1.4 DE311 网路串口服务器 .......................................................................................... 22

4.1.5 测试界面: ...............................................................................................................22

4.2 导轨热变形测量系统 ........................................................................................................23

4.2.1 测量原理 .................................................................................................................24

4.2.2 电容式位移传感器 ............................................................................................... 24

4.2.3 NI USB-6225 数据采集卡 ...........................................................................25

4.2.4 测试界面 .............................................................................................................. 25

4.3 运动精度测量系统 .............................................................................................................25

4.3.1 运动精度测量原理 .............................................................................................25

4.3.2 光栅尺 ...................................................................................................................26

4.3.3 编码器 ...................................................................................................................27

4.3.4 计数卡 ...................................................................................................................27

4.3.5 软件组态及硬件组态 .........................................................................................28

4.3.6 运动精度测试界面 .............................................................................................30

4.4 扭矩测量系统 .......................................................................................................................31

4.4.1 测量原理 .............................................................................................................. 31

4.4.2 扭矩传感器 ..............................................................................................................31

4.4.3 NI 6024E 数据采集卡 .............................................................................................. 32

4.4.4 测试界面 ..................................................................................................................32

4.5 噪声测量系统 .......................................................................................................................33

4.5.1 测量原理 ..................................................................................................................33

4.5.2 声级计 ......................................................................................................................34

第五章测试软件的开发 ....................................................................................... 35

5.1 软件设计原则 .....................................................................................................................35

5.2 软件的功能要求 ....................................................................................................................35

5.3 Labview 概述 .....................................................................................................................35

5.4 测试软件流程图 ...................................................................................................................37

5.5 测试程序的框架设计 ...........................................................................................................38

5.5.1 机床运动程序设计 ....................................................................................................38

5.5.2 机床温度与导轨热变形采集程序设计 ................................................................. 41

5.5.3 机床运动精度及扭矩数据采集程序设计 ............................................................. 43

5.5.4 数据的存储及分析程序结构 ..................................................................................47

第六章高速滚珠丝杠动态性能测试试验数据分析 .......................................... 51

6.1 温升试验及其分析 ...............................................................................................................51

6.2 导轨热误差测量方法及数据分析 .......................................................................................57

6.3 运动精度测量方法和数据分析 ...........................................................................................58

6.4 滚珠丝杠力矩试验及其分析 ...............................................................................................59

6.5 滚珠丝杠噪声试验及其分析 ................................................................................................61

第七章总结与展望 ................................................................................................63

参考文献 .........................................................................................................................64

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................66

致谢 .................................................................................................................................67

第一章绪论

1.1 课题背景和意义

1.1.1 课题的背景

随着我国工业化进程的发展，对数控机床的精度要求也越来越高，高速度，

高精度，高可靠性，高安全性以及智能化，环保化已经成为了未来数控机床的发

展方向。在航空航天，数控机床，仪器仪表中，以及各种高精度的设备中，滚珠

丝杠是不可或缺的关键零部件，由此，滚珠丝杠对于高速化地切削加工意义重大，

高速化切削也必然成为金属切削加工的新的发展方向。

滚珠丝杠副的发展在美国已经有近百年的历史，而我国对滚珠丝杠的研究只

有40 余年的历史，所以，我国跟国外有着巨大的差距。从产品的总体水平来看，

我国的产品完全处于国外知名品牌之下，特别在高速度，高精度方面，这也大大

限制了我国机床行业的发展。

目前，造成我国的滚珠丝杠与国外产品的差距的因素，很大程度上都是因为

对滚珠丝杆杠的检测设备不够先进，不够完善，而检测水平的高低，直接影响到

了丝杠的质量保证，这其中，检测中的技术差距尤为明显，大部分的国内的检测

设备中，未包含定位精度补偿技术，温度补偿技术等，而这些恰恰是关键，因此，

提高检测手段和设备是提高我国滚珠丝杠质量的关键所在。

目前，国内研究丝杠的水平，虽然从时间上来说，远远落后于美国等丝杠强

国，但是，从发展的趋势来看，我们的丝杠研究水平已经进入了接近欧美水平的

阶段。到目前为止，国内主要研究滚珠丝杠的厂家有，陕西汉江机床厂，北京机

床研究所，山东济宁博特精密丝杠制造有限公司，他们都在不断地研究和开发新

的检测手段和制造工艺，使国内的丝杠水平进入新阶段。

在测量系统方面，北京机床研究所率先研制出了 GSZ-2000，测量系统采用德

国HEIDENHAIN 精密长光栅副作为定位精度的测量基准；采用了 6个PN 结温度

传感器，分别测量螺母、丝杠、前轴承座、后轴承座、光栅和空气的温度；采用

智能声级计来测量滚珠丝杠副噪声的声压级。可装夹 2200mm 的滚珠丝杠副，移

动速度更是达到了 60m/min，测试速度及加速度的采样频率为 1kHz,测试定位精度

及热位移的分辨率为 0.2um,测试噪声的分辨率为 0.5dB,测试温升的分辨率为 0.1°

C,能自动显示和打印测试精度结果报告[1]。

高速滚珠丝杠动态性能试验台的开发及测试方法研究

上海理工大学自行研制的高速滚珠丝杠试验台，能测丝杠长度最长为

2000mm，工作台最高时速达到 60m/min,可以完成在负载情况下的运动精度测试试

验，温升试验，噪声试验，及螺距误差测量与补偿。该系统配置了西门子

MASTERDRIVE MC 伺服控制器和伺服电机，基于 PC 的控制器 WinAC 以及

Profibus 现场总线技术，其中交流伺服电动机的额定功率为 5.7kw ,额定转速为

3000r/min。另外，我们还采用了 HEIDENHAIN 的LC183 直线光栅尺作为定位精

度的测量基准。测量精度为 0.1μm。上位机的软件我们使用的是 NI 公司的

LABVIEW8.2.1,由软件实现真实仪器的功能，可在测试时进行人机对话，对所测

试的数据进行分析和处理，测量结果可由打印机直接打印出来。

1.1.2 课题研究的意义

随着我国工业的高速发展，特别是航空航天，汽车制造业都高精度，高技术

的产业，对金属高速切削的要求也在不断地提高，各种加工中心，工业机器人，

自动化机械的驱动速度也在不断提高，以加工中心为例，80 年代中期的时候为

10-15m/min[2]，但是现在的速度已经达到 60-80m/min[2]，并向更高的速度迈进。为

了适应这种高速的要求，对高性能丝杠的研究已经成为了一种趋势。

由于我国在丝杠方面的研究起步较晚，同时，企业又不重视研发投入，因此，

使得我国在此领域远远落后于发达国家，要想赶上和超过他们，必须加大科研的

投入，况且，我们这样一个拥有近 13 亿人口的大国，必須自己研发功能部件，不

可能全部依靠进口。我们的需求量很大，如果完全依靠进口，势必造成很大部分

利润外流。而且，如果大量高精度功能部件不掌握在自己的手中，必受制于人。

再者，如果我们不能生产具有独立知识产权的高性能功能部件，就不能开发有特

色的高性能数控机床，就不能让我国的设备制造业居于国际前列，不能领先就必

然落后。我国的数控机床功能部件制造行业的现状是不容乐观的：材料不合格、

工艺不过关、管理不先进、布局不合理，最终表现为产品性能落后、市场竞争能

力薄弱。

然而对滚珠丝杠的测试面临着诸多的问题，其中包括，如何抑制高速中的振

动，温升，温位移，噪声等一系列的问题，而这些因素都是与丝杠的设计及加工

制造的工艺有关，因此，要真正实现丝杠的高性能，必须对这些影响因素进行深

入研究，以改进丝杠的设计和制造工艺。由此，检测的方法变得尤其重要了，检

测手段及获得的相关数据对于改进设计及工艺起到了至关重要的作用。

长期以来，我国对滚珠丝杠的研究仅限于对螺距的研究，而在其综合性能上

的研究不够重视，而高档次，高精度，高性能的滚珠丝杠与一般丝杠的差距就在

第一章绪论

其综合性能上，其的落后，势必大大制约我国机床业向高精度发展的道路，因此，

一套可靠，可信的检测方法甚为重要。本课题就是提出了丝杆的检测方法，并且，

在此基础上进行了其综合性能的测量，为新产品的开发和旧产品的改进提供有用

的根据。

1.1.3 目前国内外先进水平

随着在滚珠丝杠丝杠中，对滚珠丝杠的要求的不断提高，先进，便捷而高效

的检测手段已经成了提高滚珠丝杠副的重要筹码，国外许多先进的丝杠厂商不断

地研制出新的检测手段以为提高丝杠的精度提供有力的依据。经过多年的努力，

他们已经有了一整套的测量系统，他们的系统特点如下：

1）采用微处理机或计算机，对检测资料自动判別和处理

如日本 NSK 公司，在 LMS 型3m 激光丝杠动态测量仪上加了一套"导程精度

自动评定系统"（Lead Accuracy Measurement system）它具有三个功能[3]:①迅速完

成数据处理，输出导程误差曲线，并根据 JIS 或ISO 滚珠丝杠标准判断出精度等级;

②通过图形放大、滤波获得精确资料，对误差做出统计分析;③对导程误差曲线进

行谐波分析。

2）测量仪器的多功能化

例如,联邦德国林德纳公司研制的 GMM-4 导程测量机[4]，对于各种不同牙型的

丝杠，可以同时完成螺纹中径、单面导程误差及双面大导程误差的测量。而且，

还能够对装配后的滚珠丝杠副同时进行综合导程精度和空载预紧力矩的测量。

3）测量方式向动态连续测量方向发展

测量方式采用动态连续测量,是为了获得与滚珠丝杠工作状态接近的各种性能

资料。如日本 NSK 公司研制了卧式连续动态预紧力矩测量机，安装在生产现场的

装配工段,使用时滚珠丝杠首先以 30r/min 的速度跑合 50 个回合，然后自动转入低

速并开始自动测量和记录[3]。

在国内，自行研究生产滚珠丝杠开始，各厂家就着手研制丝杠测量仪器。并

率先研制成功了" JCS-014"两米激光丝杠导程误差检查仪、" JCS-040"三米激光滚

珠丝杠副行程误差测量仪、" LJY10"滚珠丝杠副动态预紧转矩测量仪等。目前在高

速滚珠丝杠检测领域做的比较出色的是山东博特精工公司[5]。

滚珠丝杠副的综合行程精度测量、动态预紧转矩测量及摩擦力矩测量只是对

丝杠副出厂检测的基本要求，检测是在空载下进行，根据用户多年的使用，能够

满足用户在低速下使用要求。但是，随着数控机床向高速化发展(进给移动速度大

于40m/min)，现有的滚珠丝杠副满足不了要求，出现温度上升，噪声增大，定位

高速滚珠丝杠动态性能试验台的开发及测试方法研究

精度下降等现象，有的可能由于 d0×n(公称直径×转速)的增大，使丝杠副结构产

生破坏，因此需要研究新的测量手段以不断提高滚珠丝杠副的性能。

1.2 本论文主要研究内容

本论文以实际项目“高速滚珠丝杠动态性能测量方法研究”的开发为平台，

以滚珠丝杠副为研究对象。本人全程参与了试验台的设计，安装及调试。由于整

个工程的工作量很大，所以，本人也仅仅参与了其中部分，包括电线的布置，，系

统的调试，主要的工作量还是在上位机程序的编制，传感器的选型，安装，及最

后的丝杠动态性能的测试。论文的主要内容包括如下：

（1）本文探讨了丝杠的基本工作原理和主要的结构形式及其特点，介绍了国内

外丝杠的基本发展情况。

（2）高速滚珠丝杠试验台的开发。包括硬件的选择，传感器的选择安装。上位

机软件的编写，通过选择合适的硬件（包括驱动器，采集板卡，工业控制计算机），

合适的传感器（包括温度传感器，位移传感器，扭矩传感器，声级计，光栅尺）

来搭建合理的测试方案，获得最有效，最合理的测试结果。

（3）在完成滚珠丝杠试验台的前提下，进行试验，采集大量的数据，对数据进

行分析，处理，保存。并根据分析的结果，来提出有效的改进丝杠建议和相应的

措施，为丝杠的改进和研发提供有力的依据。

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目录中文摘要ABSTRACT第一章绪论.....................................................................................................................11.1课题背景和意义......................................................................................................................11.1.1课题的背景...........................

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