本發(fā)明涉及測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種滾珠絲杠間隙與剛度的測量裝置及方法。

背景技術(shù)：

滾珠絲杠是由螺桿、滾珠和滾珠螺母組成的機(jī)械元件，其主要功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成線性運(yùn)動(dòng)，獲將轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換成軸向反復(fù)作用力。由于它具有高精度、可逆性和高效性的特點(diǎn)，所以被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備和精密儀器中，是機(jī)械工業(yè)使用廣泛、要求嚴(yán)格的配套件和基礎(chǔ)件。

在實(shí)際生產(chǎn)中，為了提高絲杠傳動(dòng)的精度，除了保證各個(gè)傳動(dòng)部件的制造以及裝配精度外，還要采取合理的措施消除滾珠絲杠的間隙，測量出絲杠的間隙對(duì)于間隙控制有很大作用；滾珠絲杠的軸向靜剛度反映了滾珠絲杠抵抗軸向變形的能力，其定義為在軸向力作用下，產(chǎn)生單位變形量所需的軸向力，軸向靜剛度作為絲杠的性能指標(biāo)，直接影響到設(shè)備的定位精度和重復(fù)定位精度，標(biāo)明絲杠的軸向靜剛度，提供給使用者作為參考很有必要。

因?yàn)槟壳皣鴥?nèi)對(duì)滾珠絲杠的研究不太成熟，跟國外先進(jìn)水平仍有差距，因此開發(fā)出高精度、高通用性的測量裝置和方法實(shí)現(xiàn)對(duì)滾珠絲杠間隙和剛度測量，具有很好的實(shí)用價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的精度低以及操作麻煩的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供一種滾珠絲杠間隙與剛度的測量裝置及方法。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種滾珠絲杠間隙與剛度的測量裝置，包括滾珠絲杠傳動(dòng)單元、位移檢測單元及阻尼加載單元；

所述滾珠絲杠傳動(dòng)單元，包括伺服電機(jī)、聯(lián)軸器、滾珠絲杠、滑塊和兩條直線導(dǎo)軌；所述伺服電機(jī)的輸出端與聯(lián)軸器的輸入端連接，所述聯(lián)軸器的輸出端與滾珠絲杠一端連接，所述滾珠絲杠位于絲杠底座上，兩端通過絲杠底座內(nèi)的滾動(dòng)軸承支承，所述滾珠絲杠的螺母與滑塊連接，所述兩條直線導(dǎo)軌等距平行設(shè)置在滾珠絲杠兩側(cè)，并與絲杠底座固定，所述伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，滾珠絲杠的螺母將絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為滑塊沿直線導(dǎo)軌直線運(yùn)動(dòng)；

所述位移檢測單元，包括光柵尺位移傳感器及用于測量伺服電機(jī)和滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)角位移的伺服電機(jī)編碼器，所述伺服電機(jī)編碼器為伺服電機(jī)自帶，所述光柵尺位移傳感器由標(biāo)尺光柵和光柵尺讀數(shù)頭構(gòu)成，所述標(biāo)尺光柵固定在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，所述光柵尺讀數(shù)頭通過連接板與滑塊連接，隨著滑塊移動(dòng)，

所述阻尼加載單元包括電磁阻尼器、阻尼基座及浮動(dòng)接頭，所述電磁阻尼器放置在阻尼基座上，電磁阻尼器的推桿一端與浮動(dòng)接頭連接，所述浮動(dòng)接頭通過連接塊與滑塊連接。

所述電磁阻尼器和浮動(dòng)接頭均設(shè)置在滑塊移動(dòng)方向上，且位于伺服電機(jī)安裝位置的相對(duì)一側(cè)，其中心與滾珠絲杠軸線一致。

還包括電機(jī)座，所述伺服電機(jī)與電機(jī)座的一端機(jī)械連接，所述電機(jī)座的另一端與絲杠底座機(jī)械連接，電機(jī)座的地板通過螺栓固定在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，所述電機(jī)座為u字形，聯(lián)軸器位于電機(jī)座的中空位置，所述絲杠底座固定在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上。

所述標(biāo)尺光柵的長度與絲杠底座長度相同，與絲杠底座平行設(shè)置。

上述測量裝置的滾珠絲杠間隙與剛度的測量方法，包括如下步驟：

步驟一裝置初始化，保證滾珠絲杠、滑塊、光柵尺及電磁阻尼器正常工作；

步驟二電磁阻尼器對(duì)滑塊施加一個(gè)較小的阻尼力，使得絲杠螺母始終與絲杠螺紋緊密接觸，而不會(huì)自由滑動(dòng)，也不會(huì)引起絲杠的彈性變形；伺服電機(jī)先正轉(zhuǎn)然后反轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠帶動(dòng)滑塊往電磁阻尼器方向移動(dòng)，然后又反向移動(dòng)，待滑塊停止運(yùn)動(dòng)后，記錄此時(shí)光柵尺位移傳感器位移讀數(shù)x1和伺服電機(jī)編碼器的角位移讀數(shù)θ1，根據(jù)得到的讀數(shù)便可計(jì)算滾珠絲杠間隙δ；

步驟三進(jìn)行滾珠絲杠剛度的測量，調(diào)節(jié)電磁阻尼器的阻尼力大小，阻尼力f的大小大概為滾子絲杠額定動(dòng)載荷的50％左右，此時(shí)阻尼力的存在能夠使得絲杠產(chǎn)生彈性形變；同步驟二中的操作，當(dāng)滑塊停止運(yùn)動(dòng)后，記錄此時(shí)光柵尺位移讀數(shù)x2和編碼器的角位移讀數(shù)θ2，計(jì)算出絲杠的變形量△l，已知阻尼力f大小，則可求得滾珠絲杠剛k。

所述滾珠絲杠間隙：

變形量：

滾珠絲杠剛度：

式中：s為滾珠絲杠的導(dǎo)程。

本發(fā)明的有益效果：

(1)本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)簡單，各零部件加工和裝配方便，實(shí)驗(yàn)過程易操作，很方便的完成對(duì)滾珠絲杠間隙和剛度的測量；

(2)本發(fā)明采用了光柵尺對(duì)滑塊位移進(jìn)行測量，光柵尺具有檢測范圍大，檢測精度高，響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)；

(3)本發(fā)明采用電動(dòng)缸作為電磁阻尼器，其阻尼大小可調(diào)，且可以通過配套的顯示設(shè)備直接讀出，使用非常方便，且采用浮動(dòng)接頭連接，防止阻尼力作用線偏移；

(4)本發(fā)明測量滾珠絲杠間隙和剛度的方法簡單，僅需兩個(gè)步驟即可完成實(shí)驗(yàn)，且測量的精度較高。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1的俯視圖；

圖3是圖1的前視圖；

圖4是圖1中滾珠絲杠傳動(dòng)單元的局部結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是圖1中阻尼加載單元的局部結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是圖1中位移檢測單元的局部結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例及附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。

實(shí)施例

如圖1-圖5所示，一種滾珠絲杠間隙與剛度的測量裝置，包括滾珠絲杠傳動(dòng)單元、位移檢測單元及阻尼加載單元；

所述滾珠絲杠傳動(dòng)單元，包括伺服電機(jī)1、聯(lián)軸器3、滾珠絲杠5、滑塊7和兩條直線導(dǎo)軌6，所述伺服電機(jī)與電機(jī)座2的一端機(jī)械連接，電機(jī)座的另一端與絲杠底座4的一端機(jī)械連接，電機(jī)座的底板通過螺栓固定在實(shí)驗(yàn)臺(tái)14上，所述電機(jī)座u型結(jié)構(gòu)，所述聯(lián)軸器3位于電機(jī)座的中空處，聯(lián)軸器的輸入端直接與伺服電機(jī)輸出端連接，所述聯(lián)軸器的輸出端與滾絲杠桿一端連接，所述滾珠絲杠放置在絲杠底座上，兩端通過絲杠底座內(nèi)的滾動(dòng)軸承支承，滾珠絲杠的螺母與滑塊固定連接，兩條直線導(dǎo)軌等間距平行設(shè)置在滾珠絲杠兩側(cè)，通過螺釘與絲杠底座固定，所述絲杠底座通過螺栓螺母固定在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，其中實(shí)驗(yàn)臺(tái)由型材板和型材架組成；伺服電機(jī)1通過聯(lián)軸器3直接帶動(dòng)滾珠絲杠5轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠螺母將絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為滑塊7沿直線導(dǎo)軌6的直線移動(dòng)；

所述位移檢測單元，包括光柵尺位移傳感器和足夠高分辨率伺服電機(jī)編碼器，所述光柵尺位移傳感器由標(biāo)尺光柵13和光柵尺讀數(shù)頭12構(gòu)成，所述標(biāo)尺光柵固定在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，所述光柵尺讀數(shù)頭通過連接板與滑塊連接，隨著滑塊移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)滑塊直線位移的測量。伺服電機(jī)自帶的伺服電機(jī)編碼器可以實(shí)時(shí)測量伺服電機(jī)1和滾珠絲杠5旋轉(zhuǎn)的角位移，滑塊、連接板和讀數(shù)頭上端面對(duì)齊；光柵尺的安裝布置相對(duì)簡單，操作方便，測量滑塊位移的精度較高；

所述阻尼加載單元包括電磁阻尼器10、阻尼基座11及浮動(dòng)接頭9，所述電磁阻尼器10放置在阻尼基座11上，電磁阻尼器10的推桿一端與浮動(dòng)接頭9連接，所述浮動(dòng)接頭9通過連接塊8與滑塊7連接，電磁阻尼器10和浮動(dòng)接頭9均布置在滑塊7移動(dòng)方向的和電機(jī)安裝位置相反的一側(cè)，中心線與滾珠絲杠5軸線一致；電磁阻尼器10通過浮動(dòng)接頭9將阻尼力作用在滑塊7上，阻尼力大小易調(diào)整，且可以實(shí)時(shí)讀出阻尼力大小。

如圖6所示，采用的電磁阻尼器10實(shí)質(zhì)是一個(gè)電動(dòng)缸，其可以通過調(diào)控，輸出不同大小的推力即阻尼力，且阻尼力大小可以很方便的通過儀器讀出；浮動(dòng)接頭9連接滑塊7和電磁阻尼器10，可以保證同軸度，使得阻尼力作用線與絲杠軸線一致，防止電磁阻尼器10作用彎矩在滑塊7上；

一種滾珠絲杠間隙與剛度的測量方法，包括如下步驟：

步驟一：按要求完成裝置的裝配，確保滾珠絲杠5正常轉(zhuǎn)動(dòng)以及滑塊7正常移動(dòng)，同時(shí)也要檢測光柵尺以及電磁阻尼器10是否正常工作，完成這些準(zhǔn)備工作后，進(jìn)行滾珠絲杠間隙和剛度的測量；

步驟二電磁阻尼器對(duì)滑塊施加一個(gè)較小的阻尼力，阻尼力大小大概在滾珠絲杠額定動(dòng)載荷的3％左右，此時(shí)小阻尼的存在使得絲杠螺母始終與絲杠螺紋緊密接觸，而不會(huì)自由滑動(dòng)，也不會(huì)引起絲杠的彈性變形；然后伺服電機(jī)先正轉(zhuǎn)然后反轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠帶動(dòng)滑塊往電磁阻尼器方向移動(dòng)，然后又反向移動(dòng)，待滑塊停止運(yùn)動(dòng)后，記錄此時(shí)光柵尺位移傳感器位移讀數(shù)x1和伺服電機(jī)編碼器的角位移讀數(shù)θ1，根據(jù)得到的讀數(shù)便可計(jì)算滾珠絲杠間隙δ；

步驟三進(jìn)行滾珠絲杠剛度的測量，調(diào)節(jié)電磁阻尼器的阻尼力大小，阻尼力f的大小大概為滾子絲杠額定動(dòng)載荷的50％左右，此時(shí)阻尼力的存在能夠使得絲杠產(chǎn)生彈性形變；伺服電機(jī)先正轉(zhuǎn)然后反轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠帶動(dòng)滑塊往電磁阻尼器方向移動(dòng)，然后又反向移動(dòng)，當(dāng)滑塊停止運(yùn)動(dòng)后，記錄此時(shí)光柵尺位移讀數(shù)x2和編碼器的角位移讀數(shù)θ2，計(jì)算出絲杠的變形量△l，已知阻尼力f大小，則可求得滾珠絲杠剛k。

具體公式如下：滾珠絲杠間隙：

變形量：

滾珠絲杠剛度：

式中：s為滾珠絲杠的導(dǎo)程。

伺服電機(jī)1屬于安川電機(jī)有限公司，型號(hào)為：sgmav-08ada61，額定功率750w，工作電壓為200v，增量式編碼器精度是20位。聯(lián)軸器(3)選用米思米高剛性雙膜片式聯(lián)軸器，型號(hào)為c-scpw46，d1為16mm，d2為12mm，l為44mm。

滾珠絲杠5選用壓軋型，標(biāo)準(zhǔn)螺帽，軸徑20mm，導(dǎo)程20mm，總長度600mm，其有效行程為400mm。電磁阻尼器10采用的是美國parker公司的電動(dòng)缸，其型號(hào)為ett050s3，最大行程為540mm；峰值力為746n，最大加速度為337m/s²，電源電壓為230vac。

實(shí)驗(yàn)臺(tái)由三種長度分別為1260mm、380mm、500mm的鋁型材組裝而成，臺(tái)面為一塊1400mm×500mm×8mm的不銹鋼板，通過螺釘與型材連接，型材的每個(gè)連接處都有角鐵固定。

光柵尺選用pasekiai公司生產(chǎn)的型號(hào)為pls35的封閉式光柵尺，還可以選用更高精度的光柵尺，以滿足測量精度要求。

上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受所述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。