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絲杠摩擦力矩動態(tài)測量系統(tǒng)設(shè)計(一)
絲杠摩擦力矩動態(tài)測量系統(tǒng)設(shè)計
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量儀，具有全數(shù)字、精度高、智能化程度高的特點。具體闡述了硬件電路結(jié)構(gòu)、操作軟件設(shè)計流程以及軟件功能。
關(guān)鍵詞：摩擦力矩 扭矩測量 數(shù)據(jù)采集 模塊化設(shè)計
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)的新型螺旋傳動機(jī)構(gòu)。絲杠的精度檢測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。國外許多知名的滾珠絲杠制造公司，除了致力于研究開發(fā)先進(jìn)的精密加工加工設(shè)備外，都始終把檢測手段的更新?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。研究開發(fā)先進(jìn)的絲杠檢測手段，縮小我國與國外滾珠絲杠副生產(chǎn)水平的差距，也是當(dāng)前我國絲杠產(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(過分的溫升將導(dǎo)致潤滑劑惡化、磨損加劇，甚至導(dǎo)致工作表面燒傷)以及吸聲、振動的變化，所以有些廠家提出測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)床有限公司開發(fā)研制的滾珠絲杠副摩擦力矩測量儀展開的。
2 摩擦力矩產(chǎn)生的原因
滾珠絲杠副的摩擦主要來自以下幾個方面：
(1)材料彈性滯后引起的純滾動摩擦
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會發(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時會產(chǎn)生純滾動摩擦。
(2)橢圓接觸面上差動滑動引起的摩擦
由于外加載荷及預(yù)緊力的作用，滾珠在滾道中接觸點處為一橢圓，滾珠滾動是時接觸橢圓面上各點的線速度不同，所以在絲杠副轉(zhuǎn)動的時候滾珠與螺母間、滾珠與絲杠間必然會產(chǎn)生微觀滑動，從而產(chǎn)生滑動摩擦。
(3)自旋差動滑動摩擦
同樣在接觸面內(nèi)，滾珠以角速度ωs自轉(zhuǎn)時，在接觸橢圓的范圍內(nèi)，滾珠相對于接觸面也產(chǎn)生滑動，也同樣產(chǎn)生滑動，這是滾珠自轉(zhuǎn)的差動滑動摩擦。
(4)滾珠與滾珠間的滑動摩擦
滾珠在滾道槽中滾動時，接觸點處相鄰滾珠間的相對滑動速度為滾珠滾動線速度的兩倍。當(dāng)相對滑動速度達(dá)到某一定值后，滑動摩擦系數(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)返回運動的滾珠。在運動過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
潤滑劑的粘度阻力使?jié)L珠絲杠副在運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生磨擦阻力。通常，潤滑劑在低溫時的粘度較大，故低溫期的起動摩擦力矩要大一些。
3 測量原理
3.1 扭矩測量原理
JN338-F型扭矩傳感器可測量正、反向靜態(tài)扭矩和動態(tài)扭矩，旋轉(zhuǎn)角度小于360度。測量正、反向扭矩時，不需調(diào)整零點。信號檢測采用數(shù)字化處理技術(shù)，精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾強(qiáng)，信號輸出類型為頻率、電壓、電流。具有可靠性高、壽命長，體積小、重量輕、安裝方便等特點。
JN338-F型扭矩傳感器檢測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出該彈性軸受扭時毫伏級軸應(yīng)變電信號，將該應(yīng)變信號濾波放大后，輸出與扭應(yīng)變成正比的頻率信號。
3.2 測量方法
扭矩傳感器安裝在可以沿機(jī)床主軸方向來回移動的滑座上，測量摩擦力矩時，通過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，測量時在機(jī)床的主軸帶動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，而不能轉(zhuǎn)動，于是滾珠絲杠副的摩擦力矩就以力的形式通過定位連接銷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)生一對作用力于反作用力，傳感器測到的摩擦力矩就是：
（3-1）
其中 ——傳感器的測量值
——連桿在與連接銷接觸點處受到的力
滾珠絲杠副的實際摩擦力矩是：
（3-2）
其中 ——滾珠絲杠副實際摩擦力矩
——絲杠螺母在與連接銷接觸點處受到的力
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）
則由測量到的摩擦力矩值就可以得到滾珠絲杠副的實際摩擦力矩值：
（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)用上可分為兩個獨立的摩擦力矩測控系統(tǒng)，我們將其分別定義為1＃和2＃測控系統(tǒng)。兩個獨立的分系統(tǒng)擁有幾乎相同的硬件組成，其中計算機(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)等都分別屬于各個獨立的分系統(tǒng)，只是1＃傳感器最大測量值為10N*m,而2＃傳感器的最大得了值為5N*m。兩個分系統(tǒng)的測量原理和操作方法是相同的。
5 軟件設(shè)計
操作系統(tǒng)軟件采用VB語言編寫，軟件設(shè)計中大量采用模塊設(shè)計思想，將各個功能程序盡量的封裝在功能模塊中，使程序條理清晰，語言簡化，集成率高。本系統(tǒng)主要包括以下模塊：參數(shù)輸入與測量判斷、動態(tài)測量與顯示、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲、歷史查詢、打印報表、絲杠跑合、電機(jī)測試、狀態(tài)監(jiān)測。操作軟件測量主程序流程圖如圖5.1所示：
圖5.1 操作系統(tǒng)測量主程序流程圖
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
隨著市場上對滾珠滾珠絲杠副的性能要求不斷提高，先進(jìn)、便捷的檢測手段成了生產(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月通過驗收，各項技術(shù)指標(biāo)均已達(dá)到或超過設(shè)計要求，至今性能穩(wěn)定、運行可靠，能夠滿足工廠實際生產(chǎn)測量的要求，為漢江機(jī)床有限公司提升絲杠品質(zhì)和產(chǎn)品競爭力提供了有力保證。也為滾珠絲杠副檢測領(lǐng)域相關(guān)的后續(xù)研究提供了一個新的平臺。
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