高速滚珠丝杠副寿命试验台预紧力矩测量系统的设计

　　1 预紧力矩可控性的重要性

　　1. 1 预紧力矩可控性的意义

　　滚珠丝杠副是机床进给系统的关键功能部件，由于制造和安装的误差，滚珠丝杠副总是存在间隙的。同时，滚珠丝杠副在轴向工作载荷作用下，使滚珠与螺纹滚道相接触部位产生弹性变形。如果滚珠丝杠副中有轴向间隙或在轴向载荷作用下滚珠与滚道接触面处有弹性变形，则当丝杠反向转动时，将产生空回误差，从而影响传动精度，降低滚珠丝杠副的刚度。因此，对于有严格要求轴向间隙和轴向刚度的精密滚珠丝杠副( 如数控机床和精密仪器等) ，必须采取消除轴向间隙和提高轴向刚度的措施，从而达到较高的目标精度。这就需要对滚珠丝杠副施加合适的预紧力。预紧力过大，摩擦力变大进而造成过大的温升和丝杠的磨损，噪声增大，振动加大，影响精度和寿命。如果预紧力过小，不能完全消除间隙，不能保证精度。所以，预紧力的可控性是滚珠丝杠副以理想的预紧力工作的基础。设计合适的测量装置具有重要的意义。

　　1. 2 各预紧方式的特点

　　施加预紧力消除轴向间隙及提高刚度的方法有很多，目前广泛采用的预紧方式主要有以下几种: 双螺母垫片预紧、单螺母变位导程预紧、单螺母增大滚球预紧。各种预紧方式的特点如表 1 所示。

　　2 测量系统总体设计及工作原理

　　本预紧测量系统是为北京机床所与北京信息科技大学合作研制的高速滚珠丝杠副寿命试验台所设计的。

　　2. 1 试验台总体结构简介

　　试验台采用铸造床身，床身长2 780 mm，用地脚螺栓固定在地基上。可装夹的丝杠最大长度为 2 200 mm，直径测量范围为32 ～80 mm。实验装置采用“伺服电动机 + 联轴器 +丝杠”作为主驱动，直线电动机提供运动阻力，直线电动机的动子与滚珠螺母刚性连接，与螺母一起作高速往复运动。被测丝杠两端用轴承座固定，丝杠进行预拉伸直线电动机采用美国科尔摩根的 IC44 -200 有铁芯、水冷型直线电动机，它能够提供最大推力为 10 000 N，持续推力为8 000 N，移动速度达到80 m/min，加速度大于 1 g。直线

　　导轨选用 THK 公司的 SHS55LV 型导轨，精度等级 P 级。旋转伺服电动机选用科尔摩根的 AKM64，额定转速 4 500r / min，额定功率 5. 61 kW。直线电动机和旋转电动机通过PMAC 卡控制。测量预紧力矩时，注意要把螺母从螺母座中脱出同时直线电动机不加载。驱动电动机带动丝杠旋转，由于螺母法兰盘上插有传力销。所以当传力销压紧测量仪的受力杆时，螺母将不能转动而开始做直线运动。直线电动机的动子要与螺母的移动速度保持一致，这样固定在动子上的测量装置就与螺母保持相对静止。传感器将测到的力 P 传给与工控机连接的数据采集卡。将力乘以力臂因子即得要测的力矩值。高速滚珠丝杠副寿命试验台的总体结构如图1 所示。