滚珠丝杠副摩擦力矩动态测量系统设计

　　滚珠丝杠副是在丝杠与螺母的螺旋槽之间放置适量滚珠作为中间传动体，借助滚珠返回通道，构成滚珠在闭合回路中循环的新型螺旋传动机构。滚珠丝杠副是数控机床的关键功能部件，其质量的优劣直接影响数控机床的整体性能，高性能的数控机床离不开高性能的功能部件[1]。而摩擦力矩是滚珠丝杠重要的使用性能之一，它直接影响到能量的损耗、温度的变化( 过分的温升将导致润滑剂恶化、磨损加剧，甚至导致工作表面烧伤) 以及吸声、振动的变化[2，3]。国外许多知名的滚珠丝杠制造公司，除了致力于研究开发先进的精密加工设备外，都始终把检测手段的更新换代放在优先的地位，所以他们不仅拥有大量的精密加工机床，而且还有全套的、先进的质量检测设备，这使得他们的产品质量、性能以及产量都始终处于世界领先地位。研究开发先进的丝杠检测手段，缩小与国外滚珠丝杠副生产水平的差距，也是当前我国丝杠产业的重要任务。

　　在滚珠丝杠副的研究生产中，人们一直致力于对丝杠副摩擦力矩的测量及研究。早在 1963 年，日本的濑善三郎就用砝码和弹簧吊秤来测量滚珠丝杠副启动时的摩擦力矩，进行了载荷、滚珠滚道面、滚珠直径、润滑剂、导槽等因素对摩擦力矩的影响的研究。上世纪70 年代出现了动态摩擦力矩测量系统，80 年代中期美国“WARNER - BEAVER”将微机引入摩擦力矩动态测量系统进行数据处理，摩擦力矩测量系统逐渐成为滚珠丝杠副质量控制、监测以及性能研究不可或缺的测量仪器。

　　经过多年的开发和试验，目前国际上已经形成了一套较为完整的滚珠丝杠副检测体系，它们包括有: 导程精度测量仪、触针式轮廓测量仪、动态预紧力矩仪、摩擦力矩测量仪、寿命试验机和接触刚度测量机等。国内比较有代表性的有北京机床研究所 1997 年研制的“LJYl0 滚珠丝杠副动态预紧转矩测量仪”[4]和山东济宁博特精密丝杠有限公司研制的“SMLC - 2000 型摩擦力矩测量仪”[5 ～8]。这些测量仪中所用的传感器都是力传感器，如果机械结构精度不高，就会在计算力矩时由力臂引入误差。本文对陕西汉江机床有限公司原有的一台滚珠丝杠疲劳试验跑合机进行技术改造，采用力矩传感器直接测量丝杠螺母之间的摩擦力矩，用于滚珠丝杠副摩擦力矩测量，研制成功 HJZ - 044A丝杠副摩擦力矩动态测量系统，该系统采用计算机和单片机同时控制，检测精度高，可操作性强，性能更加稳定可靠。

　　1 系统总体方案

　　本系统的总体构成原理图如图 1 所示，是在原有的一台滚珠丝杠疲劳试验跑合机的基础上进行改造的，是一个床身配有两个独立的主轴和两套独立的控制系统的机床。也就是说，可以有两名工人分别站在该机床的两侧独立操控自己一侧的主轴进行丝杠的测量或跑合，互不干扰，这样既提高了工作效率，又使设备得到了充分的利用。所以该系统从应用上可分为两个独立的摩擦力矩测控系统 1 号和 2 号。两个独立的分系统拥有几乎相同的硬件组成，其中计算机、打印机、多功能 IO 卡、数据采集卡和端子板是两个系统共用的，而其它的硬件如控制面板、变频器、传感器和电机等都分别属于各个独立的分系统，只是 1 号传感器最大测量值为 5 N·m，而 2 号传感器的最大测量值为10 N·m。两个分系统的测量原理和操作方法是相同的。