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絲杠摩擦力矩動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)(一)
絲杠摩擦力矩動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)
摘要： 介紹由工控機(jī)、多功能數(shù)據(jù)采集卡、JN338-F扭矩傳感器和單片機(jī)組成新型滾珠絲杠副摩擦力矩測(cè)量?jī)x，具有全數(shù)字、精度高、智能化程度高的特點(diǎn)。具體闡述了硬件電路結(jié)構(gòu)、操作軟件設(shè)計(jì)流程以及軟件功能。
關(guān)鍵詞：摩擦力矩 扭矩測(cè)量 數(shù)據(jù)采集 模塊化設(shè)計(jì)
1 引言
滾珠絲杠副是在絲杠與螺母旋合螺旋槽之間放置適量滾珠作為中間傳動(dòng)體，借助滾珠返回通道，構(gòu)成滾珠在閉合回路中循環(huán)的新型螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。絲杠的精度檢測(cè)是絲杠加工中的重要一環(huán)，它直接影響到絲杠系列產(chǎn)品的精度和質(zhì)量。國(guó)外許多知名的滾珠絲杠制造公司，除了致力于研究開(kāi)發(fā)先進(jìn)的精密加工加工設(shè)備外，都始終把檢測(cè)手段的更新?lián)Q代放在優(yōu)先的地位，所以他們不僅擁有大量的精密加工機(jī)床，而且還有全套的、先進(jìn)的質(zhì)量檢測(cè)設(shè)備，這使得他們的產(chǎn)品質(zhì)量、性能以及產(chǎn)量都始終處于世界領(lǐng)先地位。研究開(kāi)發(fā)先進(jìn)的絲杠檢測(cè)手段，縮小我國(guó)與國(guó)外滾珠絲杠副生產(chǎn)水平的差距，也是當(dāng)前我國(guó)絲杠產(chǎn)業(yè)的重要任務(wù)。
摩擦力矩是滾珠絲杠重要的使用性能之一。它直接影響到能量的損耗、溫度的變化(過(guò)分的溫升將導(dǎo)致潤(rùn)滑劑惡化、磨損加劇，甚至導(dǎo)致工作表面燒傷)以及吸聲、振動(dòng)的變化，所以有些廠家提出測(cè)量滾珠絲杠的摩擦力矩，以確定機(jī)床相關(guān)部件的性能。本論文就是圍繞陜西漢江機(jī)床有限公司開(kāi)發(fā)研制的滾珠絲杠副摩擦力矩測(cè)量?jī)x展開(kāi)的。
2 摩擦力矩產(chǎn)生的原因
滾珠絲杠副的摩擦主要來(lái)自以下幾個(gè)方面：
(1)材料彈性滯后引起的純滾動(dòng)摩擦
根據(jù)赫茲彈性接觸理論，在載荷作用下滾珠絲杠副的中間元件滾珠與螺母和滾珠絲杠在接觸點(diǎn)會(huì)發(fā)生橢圓形狀的彈性變形，由于絲杠副材料存在彈性滯后的性質(zhì)，所以滾珠在滾道上滾動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生純滾動(dòng)摩擦。
(2)橢圓接觸面上差動(dòng)滑動(dòng)引起的摩擦
由于外加載荷及預(yù)緊力的作用，滾珠在滾道中接觸點(diǎn)處為一橢圓，滾珠滾動(dòng)是時(shí)接觸橢圓面上各點(diǎn)的線速度不同，所以在絲杠副轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候滾珠與螺母間、滾珠與絲杠間必然會(huì)產(chǎn)生微觀滑動(dòng)，從而產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦。
(3)自旋差動(dòng)滑動(dòng)摩擦
同樣在接觸面內(nèi)，滾珠以角速度ωs自轉(zhuǎn)時(shí)，在接觸橢圓的范圍內(nèi)，滾珠相對(duì)于接觸面也產(chǎn)生滑動(dòng)，也同樣產(chǎn)生滑動(dòng)，這是滾珠自轉(zhuǎn)的差動(dòng)滑動(dòng)摩擦。
(4)滾珠與滾珠間的滑動(dòng)摩擦
滾珠在滾道槽中滾動(dòng)時(shí)，接觸點(diǎn)處相鄰滾珠間的相對(duì)滑動(dòng)速度為滾珠滾動(dòng)線速度的兩倍。當(dāng)相對(duì)滑動(dòng)速度達(dá)到某一定值后，滑動(dòng)摩擦系數(shù)明顯地增加，從而使得摩擦力矩也明顯地增大。
(5)滾珠在循環(huán)返回裝置中的摩擦
滾珠絲杠副中除了承受軸向工作載荷得的工作滾珠外，還有在循環(huán)返回裝置中作循環(huán)返回運(yùn)動(dòng)的滾珠。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中這些滾珠與循環(huán)返回裝置間也存在摩擦力矩，其大小與循環(huán)返回裝置的結(jié)構(gòu)形式關(guān)系很大。
(6)油膜粘度引起的摩擦
潤(rùn)滑劑的粘度阻力使?jié)L珠絲杠副在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生磨擦阻力。通常，潤(rùn)滑劑在低溫時(shí)的粘度較大，故低溫期的起動(dòng)摩擦力矩要大一些。
3 測(cè)量原理
3.1 扭矩測(cè)量原理
JN338-F型扭矩傳感器可測(cè)量正、反向靜態(tài)扭矩和動(dòng)態(tài)扭矩，旋轉(zhuǎn)角度小于360度。測(cè)量正、反向扭矩時(shí)，不需調(diào)整零點(diǎn)。信號(hào)檢測(cè)采用數(shù)字化處理技術(shù)，精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾強(qiáng)，信號(hào)輸出類型為頻率、電壓、電流。具有可靠性高、壽命長(zhǎng)，體積小、重量輕、安裝方便等特點(diǎn)。
JN338-F型扭矩傳感器檢測(cè)的敏感元件是電阻應(yīng)變橋。將電阻應(yīng)變片組成的電橋粘貼在傳感器彈性軸上，向應(yīng)變橋提供直流電源即可檢測(cè)出該彈性軸受扭時(shí)毫伏級(jí)軸應(yīng)變電信號(hào)，將該應(yīng)變信號(hào)濾波放大后，輸出與扭應(yīng)變成正比的頻率信號(hào)。
3.2 測(cè)量方法
扭矩傳感器安裝在可以沿機(jī)床主軸方向來(lái)回移動(dòng)的滑座上，測(cè)量摩擦力矩時(shí)，通過(guò)連桿部件將其與滾珠絲杠螺母徑向連接固定，如圖3.1所示。因絲杠螺母與傳感器之間徑向連接，測(cè)量時(shí)在機(jī)床的主軸帶動(dòng)下滾珠絲杠副作等速旋轉(zhuǎn)，螺母只能沿絲杠軸線方向移動(dòng)，而不能轉(zhuǎn)動(dòng)，于是滾珠絲杠副的摩擦力矩就以力的形式通過(guò)定位連接銷2（圖3.1）作用于扭矩傳感器上。這樣在連接銷2的中心線上就產(chǎn)生一對(duì)作用力于反作用力，傳感器測(cè)到的摩擦力矩就是：
（3-1）
其中 ——傳感器的測(cè)量值
——連桿在與連接銷接觸點(diǎn)處受到的力
滾珠絲杠副的實(shí)際摩擦力矩是：
（3-2）
其中 ——滾珠絲杠副實(shí)際摩擦力矩
——絲杠螺母在與連接銷接觸點(diǎn)處受到的力
由力的平衡原理和作用力與反作用力原理知，與大小相等，由公式4-3-1-1得：
（3-3）
則由測(cè)量到的摩擦力矩值就可以得到滾珠絲杠副的實(shí)際摩擦力矩值：
（3-4）
1為扭矩傳感器，2為定位連接銷，3為連接桿，4為滑動(dòng)安裝底座
圖3.1 扭矩傳感器安裝機(jī)械圖
4 系統(tǒng)硬件組成
本系統(tǒng)的硬件總體構(gòu)成原理圖如圖4.1所示：
圖4.1 系統(tǒng)硬件總體構(gòu)成原理圖
該系統(tǒng)從應(yīng)用上可分為兩個(gè)獨(dú)立的摩擦力矩測(cè)控系統(tǒng)，我們將其分別定義為1＃和2＃測(cè)控系統(tǒng)。兩個(gè)獨(dú)立的分系統(tǒng)擁有幾乎相同的硬件組成，其中計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、多功能IO卡、數(shù)據(jù)采集卡和端子板是兩個(gè)系統(tǒng)共用的，而其它的硬件如控制面板、變頻器、傳感器和電機(jī)等都分別屬于各個(gè)獨(dú)立的分系統(tǒng)，只是1＃傳感器最大測(cè)量值為10N*m,而2＃傳感器的最大得了值為5N*m。兩個(gè)分系統(tǒng)的測(cè)量原理和操作方法是相同的。
5 軟件設(shè)計(jì)
操作系統(tǒng)軟件采用VB語(yǔ)言編寫，軟件設(shè)計(jì)中大量采用模塊設(shè)計(jì)思想，將各個(gè)功能程序盡量的封裝在功能模塊中，使程序條理清晰，語(yǔ)言簡(jiǎn)化，集成率高。本系統(tǒng)主要包括以下模塊：參數(shù)輸入與測(cè)量判斷、動(dòng)態(tài)測(cè)量與顯示、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、歷史查詢、打印報(bào)表、絲杠跑合、電機(jī)測(cè)試、狀態(tài)監(jiān)測(cè)。操作軟件測(cè)量主程序流程圖如圖5.1所示：
圖5.1 操作系統(tǒng)測(cè)量主程序流程圖
漢江機(jī)床有限公司“2510-01 06-05-120”滾珠絲杠副的正向測(cè)量曲線如圖5.2所示：
圖5.2 正向數(shù)據(jù)曲線
分析結(jié)果如圖5.3所示：
圖5.3 分析結(jié)果
6 結(jié)論
隨著市場(chǎng)上對(duì)滾珠滾珠絲杠副的性能要求不斷提高，先進(jìn)、便捷的檢測(cè)手段成了生產(chǎn)中提高滾珠絲杠質(zhì)量及產(chǎn)量的可靠保證。該系統(tǒng)已于2007年5月通過(guò)驗(yàn)收，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均已達(dá)到或超過(guò)設(shè)計(jì)要求，至今性能穩(wěn)定、運(yùn)行可靠，能夠滿足工廠實(shí)際生產(chǎn)測(cè)量的要求，為漢江機(jī)床有限公司提升絲杠品質(zhì)和產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力提供了有力保證。也為滾珠絲杠副檢測(cè)領(lǐng)域相關(guān)的后續(xù)研究提供了一個(gè)新的平臺(tái)。
參考文獻(xiàn)
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