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滾珠（zhū）絲杠副壽命試驗台測控係統設計

2017-7-13 來（lái）源：南京（jīng）理工大學機械工（gōng）程學院作者：薛鋒（fēng）楊雪常永壽韓軍

摘要: 針對滾珠絲杠副（fù）壽命試驗的要求，設計了（le）滾珠絲杠副（fù）壽命試驗台的測控係統。首先介紹了滾珠絲杠副壽命試（shì）驗（yàn）台的組成結構，然後根據試驗台所需實（shí）現的功能進行分（fèn）析，主要介紹了試驗台的加載控製係統、驅動係統、數據采集係統的設計，並給出了測控係統的硬（yìng）件（jiàn）結構圖以及軟件（jiàn）設計流程圖。該（gāi）測控係統的設計為滾珠絲杠副壽命試驗提供了軟硬件基礎。

關鍵詞: 滾珠絲杠副; 壽命; 測控係統; 硬件設計; 軟件設計

引言

滾珠（zhū）絲杠副具有傳（chuán）動精度高、傳動（dòng）效（xiào）率高、同步（bù）性能好、使用壽命長、傳動可逆性等優良特（tè）性（xìng），被廣泛用作中小型（xíng）數控機床的進給傳（chuán）動（dòng）係統，其壽命指標對（duì）數控機床的性能有很大影響［1］。我國在中高端機（jī）床產品方麵（miàn）與國際先進水（shuǐ）平有較大差距，主要體現（xiàn）壽命、額定動載（zǎi）荷等指標，限製了國產產品在中高檔數（shù）控機床中的（de）推廣（guǎng）應用。因而希望開發一種測（cè）試滾珠絲杠副壽命的試驗裝置，為被測樣件提供壽命參數，並為研究如何（hé）延長滾珠（zhū）絲杠副使用時（shí）間，提高機床壽命提供試驗平台［2］。

目前，國內滾珠絲杠副的試驗裝置大多針對滾（gǔn）珠絲杠副的綜合性能，大多數試驗台都不具備加載（zǎi）能力［3］，無法模擬壽命試驗所需的實際加載情況，缺（quē）乏模（mó）擬各（gè）種實際工況的能力，不能測評在不同（tóng）加載情況下滾珠絲杠副的壽命。

針對這種現狀（zhuàng），設計研發滾珠絲杠（gàng）副壽命試驗台十分（fèn）重要。根據試驗要求設計的滾珠絲杠副壽命試驗台測控係（xì）統可以對滾（gǔn）珠絲杠副進行（háng）模擬實際工（gōng）況的跑合（hé）與加載，加載力可調且調節範（fàn）圍較大，傳感器通（tōng）過數據采集（jí）卡將測得的信號傳送到工控機中，數據處理軟件處理分析數據（jù），用以確定結（jié）構設計、加工方法和材料特性對壽命的影響，修正我國滾珠絲杠副壽命公式（shì），同時研究提高壽命的途徑［4］，為研究（jiū）如何提高國產滾珠絲（sī）杠副的性能提供依據。

1、 測控係統設計分（fèn）析

1.1 試驗台的結構設計

滾珠絲杠副壽命試驗台由機械結（jié）構和測控係統兩部分組成組成。以機械結構為硬件基礎，利用測控係統進行試驗台的運（yùn）動控製、加載與數據的采集（jí）。試驗台的結構框圖如圖（tú） 1 所示。

圖（tú） 1 試（shì）驗得結構（gòu）框圖（tú）

試驗台的機械（xiè）結構如圖 2 所示，有以下四個部（bù）件:驅動部件、加載部件、床身部件和工作台（tái）部（bù）件。驅動部件和加載部件分別位於床（chuáng）身部件的頭尾兩側，驅（qū）動部件帶動中間的被測滾珠（zhū）絲杠副（fù）運動，加載部（bù）件對兩側的加載滾（gǔn）珠絲杠副進行加載（zǎi），工作台部件在床身部件上，可以在伺服電機的驅動下在床身部件上做往複運動，對被測滾珠絲杠副進行跑合。

圖 2 滾珠（zhū）絲杠副壽命試驗台機械結構

機械結構的運（yùn）動由測控係統控製，滾珠絲杠副壽命試驗台測控係統由加載力控製係統（tǒng）、驅動電機控製係統及數據采集係統組成。驅動（dòng）電機控製（zhì）係統控製驅動部件帶動工作台部件在床身上往複運動; 加（jiā）載力控製係統控製加載部件對加載絲（sī）杠進行加載，加載力作用在被測絲杠上形成軸向載荷，加載力大小可調，模擬滾珠絲（sī）杠副工況下的加載（zǎi）情況; 數據采集係統對相關（guān）試驗參數進行采集、分析和處理。

1． 2 加載力控製係統

1． 2． 1 試驗的加載力分析

我國目前的壽（shòu）命試驗台存在加載方式單一，加載力不可調，不能提供（gòng）高加（jiā）載等問題［5］。為了模擬（nǐ）實際工況，壽命試驗的加載力的範圍應能保證是滾珠絲杠副（fù）額定動載荷的（de） 20% 左右［6］。經過分析，設計外力加載方案（àn），加載力可以調節且範圍大，可（kě）以很好的模擬實際加（jiā）載情況（kuàng）。

外力加載原理如圖 3 所示: 伺服電機（jī）輸（shū）出扭矩 M3，轉化力 F5傳遞給工作台，兩根加載絲杠對稱布置於被測絲杠兩側，加載絲杠副軸端分別與電渦流製動器（qì）連接，分別控製兩側電渦流製動器的電流使輸出扭矩Ｒ3相等，電渦流（liú）製動器輸出扭矩Ｒ3等（děng）效轉化力 F6，二者之和作（zuò）為試驗加載力。受力分析得出: 被測頭架受力為 F5，工作台受力為 0，被測尾架受力為 F5，加載頭架（jià）與加（jiā）載尾（wěi）架受力（lì）均（jun1）為（wéi） F6，工作台受到扭轉（zhuǎn）力矩為 0［7］。

圖 3 外力加載原理圖

負載選用電渦流製動器，利（lì）用渦流損耗原理來吸收功率，提供加載，其輸出轉矩與（yǔ）激勵電流具有優良的線性關係，加載力平穩，大小可調，同時配套了製冷機（jī）對電渦流製動器進行水冷。

1． 2． 2 加載力（lì）控製係統設計

試驗台進行壽命試驗時，需要對被測絲杠進行（háng）加載，模擬（nǐ）實際工作情況（kuàng），並且係統能夠實現對加載力的控製。電渦（wō）流控製（zhì）器型號為 WLK-5A，控製器控製（zhì）信號電流 0 ～ 5A，通過改變電流大（dà）小可（kě）以改變阻（zǔ）力（lì）大小（xiǎo）。操（cāo）作時，輸入工控機試（shì）驗預計所需的加載力對應的控製器控製信號電流值，PCI-1716 輸出卡給電渦流（liú）控製器相應的電流信號，控製電（diàn）渦流製動器輸出（chū）預置的加載力（lì），力傳感器實時監測被測絲杠（gàng）所受的（de）加載力並反饋給工控機，提示操作人員（yuán）輸入的電流的值是否對應合適的加載力。

1． 3 伺服控製係統

1． 3． 1 伺服控製控製的分析

滾珠絲杠副壽命試驗台的運動控製通過調節驅動電機的轉（zhuǎn）向與（yǔ）轉速，來（lái）控製工作台的運行速度和換向動作。驅（qū）動電機選用伺服電機，與編碼器組合交流調速，改變信（xìn）號電壓即可精確改變輸出轉速和扭矩，同時具有快速響應，機電（diàn）時間常數小、線性度較（jiào）高等（děng）特點。

電機控製卡控（kòng）製電機轉速，控製卡通過接收相應的脈衝信號控製電機的啟動（dòng）和停止，根據輸入的脈衝量控（kòng）製電機的轉速，從而控製工作台部件（jiàn）的移動速度。同時對工（gōng）作台部件的（de）位置進行控製，在床身一側布置兩個（gè）非接觸（chù）式光電開關控製正反（fǎn）向和兩個接觸式限位開關控製極限位（wèi）置，給出換向信號以及極限位置的急停（tíng）保護。

1． 3． 2 伺服控製係統設計

選（xuǎn）用固高控製卡控（kòng）製伺服（fú）電機，輸出兩路脈衝信號，一路控製伺服電機的啟停，另一路控（kòng）製伺服電機正反轉。光電開（kāi）光安（ān）裝在工作台的運動起點，作（zuò）為原點信號 HOME，當工作台不（bú）在（zài）原點但需要回原點時，光電（diàn）開關給固高控製卡發出信（xìn）號，使伺服電機帶動（dòng）工作台運動（dòng）回到原點。兩個限位開關安裝在（zài）工作台可運動的最大範（fàn）圍的起點和終（zhōng）點，直（zhí）接與固（gù）高控製卡連接，作為運動位置的正極限和反極限。一旦試驗（yàn）台接觸或是人工觸碰到任意限（xiàn）位開關，試驗台都會當即停止（zhǐ），防止工作台失控（kòng），造成事故［8］。

1． 4 數（shù）據采集（jí）係統（tǒng）

1． 4． 1 數據采集分析

壽命試驗時，試驗台受加載力進行往複運動，被測（cè）絲杠的動態扭矩、行程誤差（chà）、振動、噪聲等參數是體（tǐ）現滾珠絲杠副（fù）壽命的表征。通過監測動態（tài）扭矩、行程誤差（chà）、振動信號、噪聲等參數相對時（shí）間的變化曲線，分析被測絲杠的磨損疲勞狀況，從而判斷（duàn）被測絲杠是否到使用壽命。同時，拉壓力傳感器實時監測被測絲杠的加載力，確保被測絲杠的負載與預設的相同。

1． 4． 2 數據（jù）采集係統設計

測控（kòng）係統能夠接發信號，進行運動（dòng）、加（jiā）載信號的傳送和測試信（xìn）號的采集，需要一個上位機與各個模塊（kuài）之間實（shí）現（xiàn）通（tōng）訊［9］。圖（tú） 4 所（suǒ）示為滾珠絲杠副壽命試驗台測控（kòng）係統的硬件結（jié）構（gòu）圖（tú），硬件（jiàn）結構的搭建包括上位機、控塊三部分。

圖 4 測控係（xì）統硬（yìng）件結構圖

上位機包括（kuò）工業控製計算機、計數卡（kǎ） IK220、研華數據采集卡 PCI1716 以及固高運動控製（zhì）卡等（děng）。

控製模塊（kuài）中（zhōng），工（gōng）業控製計算機通（tōng）過固高控製卡控製伺服電機實現工作台（tái）的往複運動。拉壓力傳感器監測被測滾珠（zhū）絲杠副所受到的軸向載荷，使電渦流製動器（qì）提供合適的（de）負載。工業控製計算機通過給（gěi） PCI1716 采集卡發信號，控製固態繼電器（qì）使潤滑泵完成試驗的潤滑。

測試模塊中，振動傳感器、扭（niǔ）矩傳感器（qì）以及噪聲（shēng）傳感器采（cǎi）集到的信（xìn）號通過 PCI1716 的模擬量輸入（rù）口（kǒu）采集到工控機中; 圓磁柵和長光柵的（de）編碼器與 IK220 計數器配套使用，將試驗采集到的編碼（mǎ）器信號和計數器信號傳入工控（kòng）機，直線行程誤（wù）差的計算函數輸出曲線采集到電壓電（diàn）流信息傳（chuán）入工控機，以（yǐ）直線行程誤差的計算函數輸出曲線，分析出（chū）行程誤差; 根據采集到的（de）扭（niǔ）矩、加載力、振動、噪聲和行程誤差等信號，分析被測絲杠的壽命。

2、 測控係統軟件設計

為（wéi）使用戶界麵直觀、友好，測控係統軟件用 VisualBasic 作為開發工具，軟件主要用於實現控製、測試和數據分（fèn）析三（sān）個功能。控製軟（ruǎn）件主要用於控製伺（sì）服電機、潤滑（huá）泵和電渦流製動器; 測試軟件主要是監測被測（cè）絲杠的加載（zǎi）力、動態扭矩、行程誤差、噪（zào）聲和振動等性能指標; 數據分（fèn）析軟件完（wán）成（chéng）對測（cè）試軟（ruǎn）件采集到的數據的存檔、分析和處理。

2． 1 係統主程序流程圖

測控係統主程序流程圖如圖 5 所示，試驗前，打開試驗軟件，輸入試（shì）驗（yàn）環境參數以及被測滾珠絲（sī）杠副的參數; 接著把被測絲（sī）杠通過工裝安裝在試驗台上，開啟潤滑係統進行潤滑，做好試（shì）驗準備工作; 接下（xià）來，根據所需的加載力輸入電（diàn）渦流製動（dòng）器（qì）的控製電流值對被測絲杠進行加載，來模擬絲杠實際工況; 然後對傳感器（qì）上電，開始監測（cè）性能指標（biāo）參數; 啟動電機控製係統，使伺服電機驅（qū）動被測絲杠進行跑合。在測試軟件裏，可以（yǐ）對扭矩、振動、噪聲和行程誤差等信號進行采集，經過濾波處理和軟件分析後（hòu）顯示在程序界（jiè）麵上，通過觀察各項性能指標參數相對時間變化的情況（kuàng）來分（fèn）析絲（sī）杠（gàng）壽命。當（dāng）參數數值有異常時，檢測被（bèi）測絲杠是否出現點蝕，如果出現點蝕並且（qiě）被（bèi）測絲（sī）杠（gàng）的試驗行程沒有達到（dào）額定值，說（shuō）明此產品壽命指標不達標，為不合格品，數據分析軟件記錄下此不（bú）合格絲杠的信息; 若被測絲杠沒有出現點蝕並且試驗（yàn）行程達到額定值，則（zé）說明被測絲杠的壽命合格，數據分析軟件記錄下此合格絲杠的信息。以上述的流程進行滾珠絲（sī）杠副壽命試驗。

圖 5 測控係（xì）統主程序流程圖

2． 2 試驗台程序主界麵

程序的主界麵如圖 6 所示，界麵上包括參數（shù）設（shè）置、

運行與加載、行程誤差、扭矩測（cè）試、數據采集（jí）卡測試、綜合查詢、用（yòng）戶管理、試驗台調試等功能。

圖 6 程序主界麵

2． 3 參數設置界麵

參數（shù）設置程序界麵如圖 7 所示，用戶可以在這個界麵輸入被（bèi）測絲（sī）杠（gàng）型號和尺寸等基（jī）本參數以及精度等級等參數，並且可以輸入試（shì）驗環境參數。

圖 7 參數設置界麵

2． 4 加（jiā）載（zǎi）力及扭矩界（jiè）麵

加載力及扭矩界麵如圖 8 所示，改變加載設定中的加載電流大小可以（yǐ）控製加（jiā）載（zǎi）力大小，加載力由拉壓力傳感器實時測（cè）定，輸入輸出扭矩由扭矩傳感器實時測定（dìng）。

圖 8 加載力及扭矩界麵

2． 5 行程誤差檢（jiǎn）測界（jiè）麵

行程誤差檢測（cè）界麵如圖 9 所示，點擊開始采集（jí），會彈出行（háng）程誤差測量界麵實時檢測正向（xiàng）和反向的行程誤差並分析數據（jù）。

圖（tú） 9 行程誤差檢查界麵

2． 6 振動檢測界麵

如圖 10 所（suǒ）示，可以實時觀測試驗台運動過程中的振動（dòng）參數的變化，對（duì）振動（dòng）信號進行分析，判斷被（bèi）測絲杠是否發生點蝕和故障。

圖 10 振動檢測界麵

2． 7 噪聲檢（jiǎn）測界麵

如圖 11 所示，可以采集（jí）被測絲（sī）杠試驗過程中（zhōng）的（de）噪（zào）聲（shēng）情況。采集時背景噪聲和試（shì）驗噪（zào）分開測量，通過數據處（chù）理軟件排除背（bèi）景噪聲對試（shì）驗噪聲的幹擾。

圖 11 噪聲檢測界麵

2． 8 數據處理軟件

本（běn）測（cè）控係統的數據處理軟件以Access 數據庫為基礎設計了滾珠絲杠（gàng）副壽命信息（xī）數據庫以及數據庫管理軟件［10］，用來保存滾珠絲杠副基本參數、試驗（yàn）設置參數、壽命試驗結果原始數據，分析結果，能（néng）很好的幫助試驗（yàn）人員完成試驗。

3 、試驗（yàn）台設計成果

如圖 12 所（suǒ）示，為滾珠絲（sī）杠副（fù）可靠性試驗台，滾珠絲杠副壽（shòu）命試驗（yàn）台機（jī）械結構已經設計搭建完成（chéng），並根據試驗要求（qiú）對測控係統進行設計和調試; 試驗台已經可以模（mó）擬滾珠絲杠副的工況進行跑合與加載，電渦流加載係（xì）統可以為被（bèi）測（cè）絲杠提供 0 ～ 20000N 的負載; 扭矩傳感器、拉壓力傳感器、振動傳感器、噪聲傳（chuán）感器和長光柵、圓（yuán）光柵等的信號正常，可以被數據采集係統采集並顯示; 數據庫（kù）保存壽命試驗的（de）數（shù）據並（bìng）且可以被數據分析軟件調用處理。

圖 12 滾（gǔn）珠絲杠副壽命試驗（yàn）台實物圖

4 、結束語

本文針（zhēn）對滾珠絲杠副壽命試驗台所需達到的性能指標，分析和研究了其測控（kòng）係統。結合滾珠絲杠副壽命試（shì）驗裝（zhuāng）置，提出了（le）試驗台測控係統的設計方案，用以實（shí）現（xiàn）模（mó）擬被測絲杠在工況下的（de）跑和、絲杠的加載以及性能指標的的檢（jiǎn）測。本文提出的滾珠絲杠副壽命試驗台測控係統的（de）設計方案，能夠達到滾珠絲杠副壽命試驗的軟硬件要求，有助於國內廠（chǎng）家開（kāi）展滾珠（zhū）絲杠副壽命研究，為研究如何提高滾珠絲杠副壽命提供了試（shì）驗基礎。

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