精密滚珠丝杠副摩擦机理研究实验台

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精密滚珠丝杠副摩擦机理研究实验台\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种精密滚珠丝杠副的摩擦机理研究实验台。\n背景技术\n[0002] 滚珠丝杠的摩擦力矩是指各种摩擦因素对滚珠丝杠运动构成的阻力矩，它反映了滚珠丝杠摩擦的系统响应，是滚珠丝杠的重要性能参数。随着滚珠丝杠性能不断地提高，摩擦力矩成为其高精度、高速度发展的主要障碍。摩擦力矩过大降低了传动效率，其极不平稳的表现影响了滚珠丝杠的定位精度，它直接引起能量损耗和温升，过分的温升产生热变形影响定位精度，并加剧磨损、降低润滑效果，缩短了滚珠丝杠的使用寿命。\n[0003] 现有技术中的滚珠丝杠副摩擦力矩的测试装置所用的传感器都是力传感器，专利号为201010115927.1号的中国发明专利和专利号为200620161149.9的实用新型专利公开的便都是在螺母上设置与测力传感器的检测端相接触的悬臂，利用测力传感器采集得到待测试滚珠丝杠副的摩擦力矩的对应信号，这种测试方法在机械结构精度不高的情况下，会在计算力矩时由力臂引入误差，更重要的是这些测试设备还不能施加轴向载荷，只能测量出空载情况下的动态预紧力矩，无法测量出滚珠丝杠副在载荷作用下的摩擦力矩，其测量数据与实际工况相差甚远，不能用于滚珠丝杠副摩擦机理的研究，也不能对录求到降低滚珠丝杠摩擦损耗的方法提供帮助。\n[0004] 同时，专利号为201010101178.7和201010039688.6的中国发明专利公开的滚珠丝杠副轴向加载结构，但其结构特点决定了无法安装测量摩擦力矩的装置。因此，目前还没有出现一台用于滚珠丝杠副即可以在螺母上施加轴向加载又可以精确测量摩擦力矩的研究实验台。\n发明内容\n[0005] 本发明是针对现有滚珠丝杠副摩擦力矩测试技术存在的问题，提供一种测量精度高可用于高速、高载工况下滚珠丝杠副摩擦机理研究实验台。\n[0006] 本发明采用如下技术方案：\n[0007] 一种精密滚珠丝杠副摩擦机理研究实验台，包括：滚珠丝杠副，在丝杠上连接有用于获取滚珠丝杠副的摩擦力矩的力矩传感器，所述滚珠丝杠副包括法兰型螺母，在丝杠两端分别设有丝杠支撑和轴向滑动支撑，在丝杠的与轴向滑动支撑同侧的一端上连接有轴向力传感器且与轴向力传感器的一端连接，在轴向力传感器的另一端上连接有油压缸且与油压缸的活塞杆连接，在法兰型螺母上套设有角接触轴承，在角接触轴承的外部设有连接块，在连接块上连接有轴向滑动的支架，在轴向滑动的支架上设有电机，电机的动力输出经带传动传递给法兰型螺母且所述的法兰型螺母、角接触轴承的内圈及带传动中的从动轮相互固定连接。\n[0008] 除此外，本发明还具有以下优点：\n[0009] （1）以丝杠作为主驱动时，螺母为输出源，滚珠丝杠副的摩擦力使得螺母作旋转运动，要想测得此力，需设计约束螺母旋转运动并获得此约束力大小的装置，如要在螺母上施加轴向载荷，则会与摩擦力测量装置对旋转运动出现重复约束问题，使得此时测量的力不仅仅是滚珠丝杠副的摩擦力，还包含推力杆扭曲变形应力，这两者之间的关系为非线性，无法单独求解出摩擦力的大小，速度越高推力杆扭曲变形越严重，因此，中低速下不能精确测量出滚珠丝杠副摩擦力的大小，高速下测量的数据误差更大。\n[0010] 如不直接在螺母上施加轴向载荷，而通过螺母上设置与力传感器相接触的悬臂间接传递载荷给螺母，随着轴向载荷的增大，传递轴向载荷的接触面间会产生接触变形，导致此接触面间摩擦力增大，对悬臂的上下移动产生阻力，因此，测量的力不仅仅是滚珠丝杠副的摩擦力，还包含了传递轴向载荷接触面间的摩擦力，因此，中低载荷下不能精确测量出滚珠丝杠副摩擦力的大小，高载下测量的数据误差更大，所以只能用于负载较低的微型滚珠丝杠副的摩擦力矩测量。\n[0011] 现有技术都以丝杠驱动使得螺母作旋转和直线运动，无论怎样设计轴向加载和摩擦力测量结构，都难以精确测量出滚珠丝杠副摩擦力的大小，更不能用于高速高载情况下摩擦力的研究。据此，本发明对滚珠丝杠副摩擦力矩测试实验台的结构作了彻底改进，设计了一种具有独特结构的滚珠丝杠副摩擦力矩测试实验台，该实验台通过同步带轮将伺服电动机的驱动力输入给滚珠丝杠副的螺母，使得螺母成为动力源，螺母通过滚珠将摩擦力传递给丝杠，那么对丝杠的旋转进行约束并测量，即可获得滚珠丝杠副摩擦力。\n[0012] 以螺母作为主驱动时，可在丝杠的轴心方向施加轴向载荷，控制滚珠与滚道接触的紧密程度和法向载荷的大小，与以丝杠为主驱动时，在移动的螺母上加载效果相同，而不会对丝杠的旋转运动产生重复约束，因为丝杠的旋转运动只会被丝杠一端装有摩擦力测量装置约束，另一端与油压缸的活塞杆之间通过可自由旋转的联轴器连接，即此端绕丝杠轴心旋转的自由度并末被约束，这种直接加载的方式无需其它力传构结构，避免了推力杆这样的辅助力传递结构本身扭曲变形的应力，包含于滚珠丝杠副摩擦力的测量数值中，因此，不论转速高低，测量的滚珠丝杠副摩擦力都很精确。\n[0013] 以螺母作为主驱动时，丝杠作为输出源，获取滚珠丝杠副摩擦力的方式是约束丝杠的旋转运动，由于螺母旋转加直线行动，使得丝杠没有轴向移动的自由度，这样摩擦力矩传感器也无轴向移动，不仅较以丝杠为主驱动时，无需设置摩擦力矩传感器与待测滚珠丝杠副螺母以相同的轴向速度运动的同步机构，更重要的是，安装在摩擦力矩传感器上的悬臂也相对固定，而只有连接于丝杠上的连接套可以随载荷的作用前后自由移动，如图4和图5所示，保证了与摩擦力矩传感器的悬臂间只有周向接触，无多余接触，避免了重载下多余接触面摩擦力，包含于滚珠丝杠副摩擦力的测量数值中，因此，不论载荷大小，测量的滚珠丝杠副摩擦力都很精确。\n[0014] （2）滚珠丝杠副的润滑状态对滚珠与滚道间的摩擦性能有重要影响，而温度直接影响其润滑状态，要想研究滚珠丝杠副摩擦机理就要对温度有所控制。以螺母作为主动驱动时，极大地降低了转动惯量，使所选电机功率较小产生的热量较小，通过皮带传递动力的方式避免了以热传导方式传递热源给滚珠丝杠副，仅能通过热辐射传递给滚珠丝杠副的热源也很小，避免了滚珠丝杠副热变形的问题，降低了滚珠丝杠副润滑状态受温度的影响，排除了高速高载下滚珠丝杠副系统受外部热源的影响。\n[0015] 本发明的有效效果是：实验台可以实现滚珠丝杠副摩擦力矩精确测量，使得测量的数据更加符合实际工况下的情况，操作简单、运行移定，可用于滚珠丝杠副摩擦磨损机理的研究，也有助于录求到降低滚珠丝杠摩擦损耗和提高效率的方法。\n附图说明\n[0016] 图1为轴向视角下精密滚珠丝杠副的摩擦机理研究实验台的结构示意，图2为轴向视角下隐藏滑动支架的精密滚珠丝杠副的摩擦机理研究实验台的结构示意图，图3为从动带轮与法兰型螺母及角接触轴承内圈连接的剖面示意图，图4和图5分别为连接套与摩擦力矩传感器装配示意图的主视图与左视图。精密滚珠丝杠副摩擦力矩测试实验台的具体结构为：\n[0017] 1油压缸；2油压缸的L型支撑；3油压缸的活塞杆；4轴向力传感器；5滑动支撑；\n6支承导轨；7滚珠丝杠副的丝杠；8法兰型螺母；9滑动支架；10支架导轨；11伺服电动机的L型支撑；12伺服电动机；13连接块；14角接触轴承；15从动带轮；16同步齿形带；17驱动带轮；18连接套；19丝杠支撑；20摩擦力矩传感器。\n具体实施方式\n[0018] 参照图1，本发明的精密滚珠丝杠副摩擦机理研究实验台包括丝杠7，在丝杠7上装有连接套18与获取滚珠丝杠副的摩擦力矩传感器20连接，当螺母驱动，丝杠施转时，摩擦力矩传感器20通过其悬臂约束丝杠的旋转运动而直接获取滚珠丝杠副的摩擦力矩，在丝杠两端分别设有丝杠支撑19和轴向滑动支撑5，在丝杠的与轴向滑动支撑5同侧的一端上连接有轴向力传感器4且与轴向力传感器4的一端连接，在轴向力传感器4的另一端上连接有油压缸1且与油压缸1的活塞杆连接。\n[0019] 参照图2，在法兰型螺母8上套设有角接触轴承14，在角接触轴承14的外部设有连接块13，在连接块13上连接有轴向滑动的支架9，在轴向滑动的支架9上设有电机12，电机12的动力输出经带传动传递给法兰型螺母8且所述的法兰型螺母8、角接触轴承14的内圈及带传动中的从动轮15相互固定连接，参照图3。在本实施例中，轴向滑动支撑5可以由下列具体技术措施实现，即：轴向滑动支撑5由支承导轨6及沿支承导轨滑移的支承组成；\n轴向滑动的支架9可以由下列具体技术措施实现，即：轴向滑动的支架9由支架导轨10及沿支架导轨滑移的支架本体组成。