一種數(shù)控機床進給系統(tǒng)滾珠絲杠預緊力的試驗優(yōu)化方法
【專利摘要】一種數(shù)控機床進給系統(tǒng)滾珠絲杠預緊力的試驗優(yōu)化方法：建立滾珠絲杠預緊力測量系統(tǒng)；建立進給系統(tǒng)動態(tài)性能的評價指標體系；根據(jù)評價指標設計試驗變量，利用激光干涉儀進行動態(tài)性能測試試驗，根據(jù)試驗結果分析預緊力變化對進給系統(tǒng)動態(tài)性能的影響規(guī)律；采用層次分析法分析進給系統(tǒng)動態(tài)性能，準確地得出進給系統(tǒng)動態(tài)性能最優(yōu)時所對應的預緊力。本發(fā)明通過結合滾珠絲杠預緊力測量系統(tǒng)和進給系統(tǒng)動態(tài)性能評價指標體系，在重復進行進給系統(tǒng)動態(tài)性能試驗的基礎上，通過分析試驗結果得到預緊力變化對進給系統(tǒng)動態(tài)性能的影響規(guī)律，能夠準確簡便地得到最優(yōu)化的預緊力，指導滾珠絲杠的前期裝配與后期調整。
【專利說明】
一種數(shù)控機床進給系統(tǒng)滾珠絲杠預緊力的試驗優(yōu)化方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及一種數(shù)控機床進給系統(tǒng)預緊力的試驗優(yōu)化方法。特別是涉及一種數(shù)控 機床進給系統(tǒng)滾珠絲杠預緊力的試驗優(yōu)化方法。
【背景技術】
[0002] 滾珠絲杠和滾動軸承是數(shù)控機床進給傳動系統(tǒng)的基本機械傳動裝置，其預緊程度 直接影響數(shù)控機床的加工精度。滾珠絲杠預緊主要包括滾珠絲杠螺母副間的預緊和滾珠絲 杠軸端軸承的預緊。由于進給系統(tǒng)中滾珠絲杠螺母副預緊力無法直接測量，只能利用預緊 轉矩間接測量，并且在出廠后，滾珠絲杠螺母副間的預緊力已經確定。
[0003] 由于滾珠絲杠安裝時都采用預拉伸式安裝，絲杠的預拉伸通過預緊滾珠絲杠軸端 軸承實現(xiàn)，具體的拉伸量根據(jù)經驗公式確定，重用困難。因此，尋找一種較為精確簡便的方 法確定數(shù)控機床滾珠絲杠軸端預緊力的最優(yōu)值，指導滾珠絲杠在數(shù)控機床中的前期裝配及 其后期調整，對數(shù)控機床加工精度的提高具有重要意義。
【發(fā)明內容】
[0004] 本發(fā)明所要解決的技術問題是，提供一種能夠更為精確地確定數(shù)控機床進給系統(tǒng) 滾珠絲杠預緊力最優(yōu)值的數(shù)控機床進給系統(tǒng)滾珠絲杠預緊力的試驗優(yōu)化方法。
[0005] 本發(fā)明所采用的技術方案是:一種數(shù)控機床進給系統(tǒng)滾珠絲杠預緊力的試驗優(yōu)化 方法，包括如下步驟：
[0006] 1)建立滾珠絲杠預緊力測量系統(tǒng)；
[0007] 2)建立進給系統(tǒng)動態(tài)性能的評價指標體系；
[0008] 3)根據(jù)評價指標設計試驗變量，利用激光干涉儀進行動態(tài)性能測試試驗，根據(jù)試 驗結果分析預緊力變化對進給系統(tǒng)動態(tài)性能的影響規(guī)律；
[0009] 4)采用層次分析法分析進給系統(tǒng)動態(tài)性能，準確地得出進給系統(tǒng)動態(tài)性能最優(yōu)時 所對應的預緊力。
[0010] 步驟1)所述的建立滾珠絲杠預緊力測量系統(tǒng)，包括：
[0011] (1)根據(jù)滾珠絲杠直徑規(guī)格設計彈性軸套，安裝時彈性軸套介于鎖緊螺母與軸承 之間；
[0012] (2)選擇電阻應變片，粘貼于彈性軸套外側軸向方向上；
[0013] (3)搭建外部電橋電路，以電流的形式直接反映彈性軸套的變形；
[0014] (4)校準所建立的滾珠絲杠預緊力測量系統(tǒng)，使系統(tǒng)能以數(shù)值的形式直觀地反映 滾珠絲杠軸端預緊力的大小。
[0015] 步驟(4)所述的校準所建立的滾珠絲杠預緊力測量系統(tǒng)，校準方法采用的是利用 力傳感器校準，將力傳感器和貼有應變片的彈性軸套串聯(lián)，施加不同的壓力，記錄彈性軸套 在不同壓力作用下的應變值;校準完成后的滾珠絲杠預緊力測量系統(tǒng)，最終能以數(shù)值的形 式反映滾珠絲杠軸端預緊力的大小。
[0016] 步驟2)所述的建立進給系統(tǒng)動態(tài)性能的評價指標體系，包括：
[0017] 進給系統(tǒng)的響應效率評價指標、定位精度評價指標、速度跟蹤特性評價指標和延 遲特性評價指標。
[0018] 所述的進給系統(tǒng)的響應效率評價指標為：
[0020] 其中，tP為進給系統(tǒng)走完行程的理論時刻，tc為實際位移到達理想位移誤差e范圍 內的時刻，為測試結束時刻。
[0021] 所述的定位精度評價指標，是選取進給系統(tǒng)走完行程的理論時刻作為特征點，將 在理論時刻的實際位移與理想位移的比作為定位精度的評價指標。
[0022] 所述的速度跟蹤特性評價指標，是選取進給系統(tǒng)速度穩(wěn)定的理論時刻作為特征 點，將在理論時刻的實際速度與理想速度的比作為速度跟蹤特性的評價指標。
[0023]所述的延遲特性評價指標，是將進給系統(tǒng)達到峰值的理論時刻與進給系統(tǒng)實際達 到峰值的時刻的比作為延遲特性的評價指標。
[0024] 步驟3)所述的根據(jù)評價指標設計試驗變量，利用激光干涉儀進行動態(tài)性能測試試 驗，根據(jù)試驗結果分析預緊力變化對進給系統(tǒng)動態(tài)性能的影響規(guī)律，是在設定的預緊力作 用下，根據(jù)四種進給系統(tǒng)動態(tài)性能評價指標對機床數(shù)控系統(tǒng)輸入相應的測試程序，利用激 光干涉儀記錄整個實驗過程及試驗結果。之后在設定范圍內改變預緊力，反復進行動態(tài)性 能測試試驗，得到一系列試驗結果，借助MATLAB軟件分析實驗數(shù)據(jù)，最后得出預緊力變化對 進給系統(tǒng)動態(tài)性能的影響規(guī)律。
[0025] 本發(fā)明的一種數(shù)控機床進給系統(tǒng)滾珠絲杠預緊力的試驗優(yōu)化方法，由滾珠絲杠預 緊力測量系統(tǒng)結合進給系統(tǒng)動態(tài)性能評價指標體系，重復進行進給系統(tǒng)動態(tài)性能試驗的基 礎上，通過分析試驗結果得到預緊力變化對進給系統(tǒng)動態(tài)性能的影響規(guī)律，準確地得出進 給系統(tǒng)動態(tài)性能最優(yōu)時所對應的預緊力。本發(fā)明通過結合滾珠絲杠預緊力測量系統(tǒng)和進給 系統(tǒng)動態(tài)性能評價指標體系，在重復進行進給系統(tǒng)動態(tài)性能試驗的基礎上，分析試驗結果 得到預緊力變化對進給系統(tǒng)動態(tài)性能的影響規(guī)律，能夠準確簡便地得到最優(yōu)化的預緊力， 指導滾珠絲杠的前期裝配與后期調整。
【附圖說明】
[0026]圖1是本發(fā)明的滾珠絲杠預緊力測試系統(tǒng)的結構示意圖；
[0027] 圖2是本發(fā)明數(shù)控機床進給系統(tǒng)滾珠絲杠預緊力的試驗優(yōu)化方法的流程圖。
[0028] 圖中
[0029] 1:鎖緊螺母 2:彈性軸套
[0030] 3:內軸套 4:軸承座
[0031] 5:電阻應變片 6:軸承
[0032] 7:滾珠絲杠
【具體實施方式】
[0033]下面結合實施例和附圖對本發(fā)明的一種數(shù)控機床進給系統(tǒng)滾珠絲杠預緊力的試 驗優(yōu)化方法做出詳細說明。
[0034]如圖1所示，本發(fā)明的一種數(shù)控機床進給系統(tǒng)滾珠絲杠預緊力的試驗優(yōu)化方法，包 括如下步驟：
[0035] 1)建立如圖1所示的滾珠絲杠預緊力測量系統(tǒng)；
[0036]步驟1)所述的建立滾珠絲杠預緊力測量系統(tǒng)，包括：
[0037] (1)根據(jù)滾珠絲杠直徑規(guī)格設計合適的彈性軸套2，安裝時彈性軸套2介于鎖緊螺 母1與軸承6之間；
[0038] 彈性軸套2需根據(jù)滾珠絲杠7的直徑及軸承座4的內徑進行設計，彈性軸套2的內徑 應大于滾珠絲杠7的直徑，彈性軸套2的外徑應小于軸承座4的內徑。彈性軸套2的寬度設計 要根據(jù)實際情況，保證在l〇mm到20mm之間。彈性軸套的外徑表面加工出溝槽，用于粘貼電阻 應變片5。
[0039] (2)選擇電阻應變片5,粘貼于彈性軸套2外側軸向方向上；
[0040] 絲繞式電阻應變片是用電阻絲盤繞電阻片，由于這種電阻片價格低廉，適于實驗 室廣泛使用，因此選用絲繞式電阻應變片。由于被測試點的應力狀態(tài)是一維應力結構，應該 選用單軸應變片；由于彈性軸套材質均勻，應力梯度大，應選用柵長小的應變片；由于加載 預緊力的過程可能存在沖擊載荷的作用，應選用響應頻率高的應變片；綜合考慮電阻應變 片的通過電流、自熱引起溫升、持續(xù)工作時間等等因素，應選用電阻值為350Q的應變片。
[0041] (3)搭建外部電橋電路，以電流的形式直接反映彈性軸套的變形；
[0042] 搭建的外部電橋選擇應用最為廣泛的惠斯通電橋，兩臂之間選用數(shù)字電流表，將 彈性軸套的變形以數(shù)字的形式表達。
[0043] (4)校準所建立的滾珠絲杠預緊力測量系統(tǒng)，使其能以數(shù)值的形式直觀地反映滾 珠絲杠軸端預緊力的大小。
[0044]所述的校準所建立的滾珠絲杠預緊力測量系統(tǒng)，校準方法采用的是利用力傳感器 校準，將力傳感器和貼有應變片的彈性軸套串聯(lián)，施加不同的壓力，記錄彈性軸套在不同壓 力作用下的應變值;校準完成后的滾珠絲杠預緊力測量系統(tǒng)，最終能以數(shù)值的形式反映滾 珠絲杠軸端預緊力的大小。
[0045] 2)建立進給系統(tǒng)動態(tài)性能的評價指標體系，包括：
[0046] 進給系統(tǒng)的響應效率評價指標、定位精度評價指標、速度跟蹤特性評價指標和延 遲特性評價指標；
[0047] (1)所沭的講給系統(tǒng)的響應效率評價指標為：
[0049]其中，tP為進給系統(tǒng)走完行程的理論時刻，tc為實際位移到達理想位移誤差e范圍 內的時刻，為測試結束時刻；
[0050] (2)所述的定位精度評價指標，是選取進給系統(tǒng)走完行程的理論時刻4作為特征 點，將在理論時刻的實際位移Xr與理想位移Xe的比作為定位精度的評價指標，即：
[0052] (3)所述的速度跟蹤特性評價指標，是選取進給系統(tǒng)速度穩(wěn)定的理論時刻作為特 征點，將在理論時刻的實際速度Vr與理想速度Ve的比作為速度跟蹤特性的評價指標，即：
[0054] (4)所述的延遲特性評價指標，是將進給系統(tǒng)達到峰值的理論時刻^與進給系統(tǒng) 實際達到峰值的時刻^的比作為延遲特性的評價指標，即：
[0056] 3)根據(jù)評價指標設計試驗變量，利用激光干涉儀進行動態(tài)性能測試試驗，根據(jù)試 驗結果分析預緊力變化對進給系統(tǒng)動態(tài)性能的影響規(guī)律；
[0057] 所述的根據(jù)評價指標設計試驗變量，利用激光干涉儀進行動態(tài)性能測試試驗，根 據(jù)試驗結果分析預緊力變化對進給系統(tǒng)動態(tài)性能的影響規(guī)律，是在設定的預緊力作用下， 根據(jù)四種進給系統(tǒng)動態(tài)性能評價指標對機床數(shù)控系統(tǒng)輸入相應的測試程序，包括:針對進 給系統(tǒng)的響應效率評價指標和定位精度評價指標，測試程序為位移斜坡信號;針對進給系 統(tǒng)的速度跟蹤特性評價指標，測試程序為速度斜坡信號;針對進給系統(tǒng)的延遲特性評價指 標，測試程序為往復運動信號。并利用激光干涉儀記錄整個實驗過程及試驗結果。為了得到 預緊力變化對進給系統(tǒng)動態(tài)性能的影響規(guī)律，需要在設定范圍內改變預緊力，反復進行動 態(tài)性能測試試驗，得到一系列試驗結果，借助MATLAB軟件分析實驗數(shù)據(jù)，最后得出預緊力變 化對進給系統(tǒng)動態(tài)性能的影響規(guī)律。
[0058] 4)采用層次分析法分析進給系統(tǒng)動態(tài)性能，準確地得出進給系統(tǒng)動態(tài)性能最優(yōu)時 所對應的預緊力。
[0059]進給系統(tǒng)動態(tài)性能的優(yōu)劣由進給系統(tǒng)的四項評價指標評判，即：進給系統(tǒng)的響應 效率評價指標、定位精度評價指標、速度跟蹤特性評價指標和延遲特性評價指標。所述的層 次分析法，是將與決策總是有關的元素分解成目標、準則、方案等層次，在此基礎之上進行 定性和定量分析的決策方法。所述的進給系統(tǒng)動態(tài)性能計算公式為：
[0061] 其中：A為進給系統(tǒng)單軸動態(tài)性能，A為各項評價指標權重，B為各項評價指標，j = (1 2 3 4)，表示四個指標。
[0062] 在本發(fā)明中利用層次分析法，將進給系統(tǒng)動態(tài)性能的各項評價指標分配合適的權 重，利用進給系統(tǒng)動態(tài)性能計算公式得到不同預緊力變量作用下的進給系統(tǒng)動態(tài)性能，進 給系統(tǒng)動態(tài)性能最優(yōu)時所對應的預緊力大小，稱為最優(yōu)預緊力。
【主權項】
1. 一種數(shù)控機床進給系統(tǒng)滾珠絲杠預緊力的試驗優(yōu)化方法，其特征在于，包括如下步 驟： 1) 建立滾珠絲杠預緊力測量系統(tǒng)； 2) 建立進給系統(tǒng)動態(tài)性能的評價指標體系； 3) 根據(jù)評價指標設計試驗變量，利用激光干涉儀進行動態(tài)性能測試試驗，根據(jù)試驗結 果分析預緊力變化對進給系統(tǒng)動態(tài)性能的影響規(guī)律； 4) 采用層次分析法分析進給系統(tǒng)動態(tài)性能，準確地得出進給系統(tǒng)動態(tài)性能最優(yōu)時所對 應的預緊力。2. 根據(jù)權利要求1所述的一種數(shù)控機床進給系統(tǒng)滾珠絲杠預緊力的試驗優(yōu)化方法，其 特征在于，步驟1)所述的建立滾珠絲杠預緊力測量系統(tǒng)，包括： (1) 根據(jù)滾珠絲杠直徑規(guī)格設計彈性軸套，安裝時彈性軸套介于鎖緊螺母與軸承之間； (2) 選擇電阻應變片，粘貼于彈性軸套外側軸向方向上； (3) 搭建外部電橋電路，以電流的形式直接反映彈性軸套的變形； (4) 校準所建立的滾珠絲杠預緊力測量系統(tǒng)，使系統(tǒng)能以數(shù)值的形式直觀地反映滾珠 絲杠軸端預緊力的大小。3. 根據(jù)權利要求2所述的一種數(shù)控機床進給系統(tǒng)滾珠絲杠預緊力的試驗優(yōu)化方法，其 特征在于，步驟(4)所述的校準所建立的滾珠絲杠預緊力測量系統(tǒng)，校準方法采用的是利用 力傳感器校準，將力傳感器和貼有應變片的彈性軸套串聯(lián)，施加不同的壓力，記錄彈性軸套 在不同壓力作用下的應變值;校準完成后的滾珠絲杠預緊力測量系統(tǒng)，最終能以數(shù)值的形 式反映滾珠絲杠軸端預緊力的大小。4. 根據(jù)權利要求1所述的一種數(shù)控機床進給系統(tǒng)滾珠絲杠預緊力的試驗優(yōu)化方法，其 特征在于，步驟2)所述的建立進給系統(tǒng)動態(tài)性能的評價指標體系，包括： 進給系統(tǒng)的響應效率評價指標、定位精度評價指標、速度跟蹤特性評價指標和延遲特 性評價指標。5. 根據(jù)權利要求4所述的一種數(shù)控機床進給系統(tǒng)滾珠絲杠預緊力的試驗優(yōu)化方法，其 特征在于， 所述的進給系統(tǒng)的響應效率評價指標為：其中，tP為進給系統(tǒng)走完行程的理論時刻，tc為實際位移到達理想位移誤差ε范圍內的 時刻，^為測試結束時刻。6. 根據(jù)權利要求4所述的一種數(shù)控機床進給系統(tǒng)滾珠絲杠預緊力的試驗優(yōu)化方法，其 特征在于，所述的定位精度評價指標，是選取進給系統(tǒng)走完行程的理論時刻作為特征點，將 在理論時刻的實際位移與理想位移的比作為定位精度的評價指標。7. 根據(jù)權利要求4所述的一種數(shù)控機床進給系統(tǒng)滾珠絲杠預緊力的試驗優(yōu)化方法，其 特征在于，所述的速度跟蹤特性評價指標，是選取進給系統(tǒng)速度穩(wěn)定的理論時刻作為特征 點，將在理論時刻的實際速度與理想速度的比作為速度跟蹤特性的評價指標。8. 根據(jù)權利要求4所述的一種數(shù)控機床進給系統(tǒng)滾珠絲杠預緊力的試驗優(yōu)化方法，其 特征在于，所述的延遲特性評價指標，是將進給系統(tǒng)達到峰值的理論時刻與進給系統(tǒng)實際 達到峰值的時刻的比作為延遲特性的評價指標。9.根據(jù)權利要求1所述的一種數(shù)控機床進給系統(tǒng)滾珠絲杠預緊力的試驗優(yōu)化方法，其 特征在于，步驟3)所述的根據(jù)評價指標設計試驗變量，利用激光干涉儀進行動態(tài)性能測試 試驗，根據(jù)試驗結果分析預緊力變化對進給系統(tǒng)動態(tài)性能的影響規(guī)律，是在設定的預緊力 作用下，根據(jù)四種進給系統(tǒng)動態(tài)性能評價指標對機床數(shù)控系統(tǒng)輸入相應的測試程序，利用 激光干涉儀記錄整個實驗過程及試驗結果。之后在設定范圍內改變預緊力，反復進行動態(tài) 性能測試試驗，得到一系列試驗結果，借助MATLAB軟件分析實驗數(shù)據(jù)，最后得出預緊力變化 對進給系統(tǒng)動態(tài)性能的影響規(guī)律。
【文檔編號】G06F17/50GK105893709SQ201610285987
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月29日
【發(fā)明人】李寶宇, 牛文鐵, 叢郁楠
【申請人】天津大學