基于轴向加载的滚珠丝杠滚副摩擦力矩测量装置及方法

1.本发明属于滚珠丝杠技术领域，尤其涉及一种基于轴向加载的滚珠丝杠滚副摩擦力矩测量装置及方法。


背景技术：

2.滚珠丝杠副作为机械装备、智能数控加工中心以及航空航天等工业领域的重要精密传动功能部件，其质量优劣直接决定智能装备的好坏；评价滚珠丝杠副质量的指标很多，其中摩擦力矩间接反应滚珠丝杠副预紧力大小，以及滚珠流畅性，对滚珠丝杠副的传动稳定性有重要影响.
3.发明人发现，通常滚珠丝杠副摩擦力矩测量方法是在空载状态下进行的，并不能反应载荷工况对其传动稳定性的影响；并且，现有的滚珠丝杠摩擦力测量装置不能实现轴向载荷工况下的摩擦力矩大小的测量。


技术实现要素：

4.本发明为了解决上述问题，提出了一种基于轴向加载的滚珠丝杠滚副摩擦力矩测量装置及方法，本发明可实现滚珠丝杠滚副受载工况下摩擦力矩的测量，以及在不同轴向载荷工况下的摩擦力矩大小的测量；对指导滚珠丝杠副设计及装配、提升其传动精度具有重要意义。
5.为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种基于轴向加载的滚珠丝杠滚副摩擦力矩测量装置，采用如下技术方案：
6.基于轴向加载的滚珠丝杠滚副摩擦力矩测量装置，包括实验台、第一工作台板、第一配合结构、第二工作台板、滚珠丝杠、超磁致伸缩器、向心轴承、第二配合结构、第一压力传感器、第二压力传感器和第三压力传感器；
7.所述第一工作台板和所述第一配合结构通过导轨副滑动设置在所述实验台上；所述第一工作台板通过所述第一配合结构与所述滚珠丝杠连接；所述向心轴承的外圈与所述第二工作台板固定，内圈与所述滚珠丝杠固定；
8.所述超磁致伸缩器一端与所述第一工作台板的侧面固定，另一端与所述向心轴承的外圈固定；所述滚珠丝杠上还设置有第二配合结构，所述第二配合结构与所述向心轴承之间设置有所述第三压力传感器；
9.所述第二配合结构周向上对称设置有第一拨杆和第二拨杆，所述第二工作台板上与所述第一拨杆和所述第二拨杆对应处设置有所述第一压力传感器和第二压力传感器。
10.进一步的，所述滚珠丝杠靠近所述第一工作台板的一端通过联轴器连接有电机。
11.进一步的，所述联轴器和所述滚珠丝杠之间设置有扭矩测量仪。
12.进一步的，所述滚珠丝杠两端还设置有第一轴承和第二轴承。
13.进一步的，所述第一配合结构包括第一工作螺母、第一预紧垫片和第一预紧螺母；
14.所述第一工作螺母与所述第一工作台板固定连接，所述第一工作螺母、第一预紧
垫片和第一预紧螺母依次通过键连接。
15.进一步的，所述第二配合结构与所述第二工作台板不连接；
16.所述第二配合结构包括第二工作螺母、第二预紧垫片和第二预紧螺母；所述第二工作螺母、第二预紧垫片和第二预紧螺母依次通过键连接。
17.进一步的，所述超磁致伸缩器通过连接杆固定在所述第一工作台板的侧面上。
18.进一步的，所述向心轴承设置为内圈和外圈轴向上可相对移动的轴承。
19.进一步的，所述实验台上还设置有光栅尺，所述光栅尺与所述滚珠丝杠平行。
20.为了实现上述目的，第二方面，本发明还提供了一种基于轴向加载的滚珠丝杠滚副摩擦力矩测量方法，采用如下技术方案：
21.基于轴向加载的滚珠丝杠滚副摩擦力矩测量方法，采用了如第一方面所述的基于轴向加载的滚珠丝杠滚副摩擦力矩测量装置，包括：
22.通过超磁致伸缩器的伸长或缩短，施加不同的轴向载荷，第三压力传感器检测轴向压力的大小，不同轴向载荷的定位精度通过光栅尺测量；
23.第二工作螺母、第二预紧垫片和第二预紧螺母的第二配合机构随滚珠丝杠旋转，第一拨杆或第二杆挤压第一压力传感器或第二压力传感器，获得第二配合机构在不同轴向载荷工况下的摩擦力矩大小。
24.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
25.本发明中超磁致伸缩器通过电流控制其伸长或缩短，施加不同的轴向载荷，可实现滚珠丝杠滚副受载工况下摩擦力矩的测量，以及在不同轴向载荷工况下的摩擦力矩大小的测量；可以从侧面反应受载滚珠丝杠副预紧力的变化，对指导滚珠丝杠副设计及装配、提升其传动精度具有重要意义。
附图说明
26.构成本实施例的一部分的说明书附图用来提供对本实施例的进一步理解，本实施例的示意性实施例及其说明用于解释本实施例，并不构成对本实施例的不当限定。
27.图1为本发明实施例1的结构示意图；
28.图2为本发明实施例1的拨杆和压力传感器位置示意图；
29.其中，1、电机，2、联轴器，3、第一轴承，4、光栅尺，5、第一工作螺母，6、第一预紧垫片，7、第一预紧螺母，8、第一工作台板，9、联结杆，10、滚珠丝杠，11、超磁致伸缩器，12、向心轴承，13、轴承座，14、第一拨杆，15、第一压力传感器，16、第二工作台板，17、第一导轨副，18、第二轴承，19、第二导轨副，20、第二工作螺母，21、第二预紧垫片，22、第二预紧螺母，23、第二拨杆，24、第二压力传感器，25、第三压力传感器26、扭矩测量仪。
具体实施方式：
30.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
31.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
32.实施例1：
33.如图1所示，本实施例提供了一种基于轴向加载的滚珠丝杠滚副摩擦力矩测量装置，包括实验台、第一工作台板8、第一配合结构、第二工作台板16、滚珠丝杠10、超磁致伸缩器11、向心轴承12、第二配合结构、第一压力传感器15、第二压力传感器24和第三压力传感器25；
34.所述第一工作台板8和所述第一配合结构通过导轨副滑动设置在所述实验台上；所述第一工作台板8通过所述第一配合结构与所述滚珠丝杠10连接；所述向心轴承12的外圈与所述第二工作台板20固定，内圈与所述滚珠丝杠10固定；
35.所述超磁致伸缩器11一端与所述第一工作台板8的侧面固定，另一端与所述向心轴承12的外圈固定；所述滚珠丝杠10上还设置有第二配合结构，所述第二配合结构与所述向心轴承12之间设置有所述第三压力传感器25；
36.所述第二配合结构周向上对称设置有第一拨杆14和第二拨杆23，所述第二工作台板16上与所述第一拨杆14和所述第二拨杆23对应处设置有所述第一压力传感器15和第二压力传感器24；
37.具体的，所述实验台的设置为常规设置；所述导轨副可以设置为包括两个平行的第一导轨副17和第二导轨副19，导轨副可以通过常规的滑轨和滑槽实现，在此不再详述；
38.所述第一工作台板8通过所述第一配合结构与所述滚珠丝杠10连接，可以理解的，所述第一配合结构固定在所述第一工作台板8上，所述第一配合结构上设置有与所述滚珠丝杠10配合的螺纹，实现滚珠丝杠副的设置。
39.所述向心轴承12的外圈可以通过轴承座13固定在所述第二工作台板20上，内圈可以通过过盈连接或键连接的方式与所述滚珠丝杠10固定连接；超磁致伸缩器11两端分别连接第一工作台板8和向心轴承12的外圈，可通过超磁致伸缩器11的伸缩实现轴向载荷的施加。
40.在本实施例中，所述第三压力传感器25可以设置为中穿压力传感器，可以理解的，所述中穿压力传感器为圆环形压力传感器，可以实现套接在所述滚珠丝杠10上，并且可以对轴承外圈与所述第二配合结构间轴向压力的测量；如图2所示，所述第一压力传感器15和所述第二压力传感器24可以设置为承受竖直方向受力检测的传感器；传感器的设置为常规设置或现有技术，在此不再详述。
41.在本实施例中，所述滚珠丝杠10靠近所述第一工作台板8的一端通过联轴器2连接有电机1；可以理解的，所述电机1可以固定在所述实验台上，具体设置为常规设置，在此不再详述。
42.在本实施例中，所述联轴器2和所述滚珠丝杠10之间设置有扭矩测量仪26；所述扭矩测量仪26可通过现有设备实现，其连接方式为常规连接方式；所述扭矩测量仪26的作用为检测扭矩。
43.在本实施例中，所述滚珠丝杠10两端还设置有第一轴承3和第二轴承18；可以通过将轴承内圈与所述滚珠丝杠10进行键连接或过盈连接的方式实现，轴承的外圈可以通过轴承座及其他制作的设置固定在实验台上，实现所述滚珠丝杠10的加固。
44.在本实施例中，所述第一配合结构包括第一工作螺母5、第一预紧垫片6和第一预紧螺母7；所述第一工作螺母5与所述第一工作台板8固定连接，所述第一工作螺母5、第一预紧垫片6和第一预紧螺母7依次通过键连接；
45.第一工作螺母5可以通过钢板或支架等方式固定在所述第一工作台板8上，所述键连接可以通过在所述第一工作螺母5、第一预紧垫片6和第一预紧螺母7的侧面上开设键连接孔，实现部件的周向固定。
46.在本实施例中，所述第二配合结构与所述第二工作台板16不连接；就是第二工作螺母20、第二预紧垫片21和第二预紧螺母22组成机构与所述第二工作台板16无连接(脱开状态)；
47.所述第二配合结构包括第二工作螺母20、第二预紧垫片21和第二预紧螺母22；所述第二工作螺母20、所述第二预紧垫片21和所述第二预紧螺母22也依次通过键连接。
48.在本实施例中，所述超磁致伸缩器11通过连接杆9固定在所述第一工作台板8的侧面上；可以理解的，所述连接杆9可以设置为杆状，或设置为筒状套在滚珠丝杠10后再固定在所述所述第一工作台板8的侧面上，所述连接杆9设置为筒状套时，内壁不与所述滚珠丝杠10接触。
49.在本实施例中，所述向心轴承12设置为内圈和外圈轴向上可相对移动的轴承，此处为现有技术或常规设置，在此不再详述。
50.在本实施例中，所述实验台上还设置有光栅尺4，所述光栅尺4与所述滚珠丝杠10平行设置；所述光栅尺4可以通过螺栓或胶粘接的方式固定在实验台上。
51.本实施例的工作原理或过程为：
52.所述电机1通过所述联轴器2与所述扭矩测量仪26连接，通过所述滚珠丝杠10旋转带动所述第一工作台板8在导轨副上往复移动，所述第一工作台板8与所述第一工作螺母5可以通过连接钢板(钢板)连接；其中，所述第一工作螺母5、所述第一预紧螺母7和所述第一预紧垫片6通过键联结；同样所述第二工作螺母20、所述第二预紧垫片21和所述第二预紧螺母22通过键联结；所述滚珠丝杠10通过所述第一轴承和所述第二轴承承支撑；工作台板的移动定位精度可以通过所述光栅尺4测量；
53.所述连接杆9的左端与所述第一工作台板8通过螺钉连接，所述第一连接杆9的右端安装所述超磁致伸缩器11，所述超磁致伸缩器11后端固定所述向心轴承12的外圈，所述向心轴承12外圈通过轴承座13与所述第二工作台板16螺栓连接；所述轴承座13或所述向心轴承12的外圈与所述第二预紧螺母20之间安置第三压力传感器25；所述第二工作台板16上粘结所述第一压力传感器15和所述第二下端压力传感器24；所述第二工作螺母20、所述第二预紧垫片21和所述第二预紧螺母22组成的第二配合机构与所述第二工作台板16无联结(脱开状态)；
54.所述超磁致伸缩器11为现有设备，可通过电流控制其伸长或缩短，施加不同的轴向载荷，所述第三压力传感器25可检测轴向压力的大小，不同轴向载荷的定位精度通过所述光栅尺4测量与比较；所述第二工作螺母20、所述第二预紧垫片21和所述第二预紧螺母22组成的所述第二配合机构随所述滚珠丝杠10正向或逆向旋转，所述第一上拨杆14或所述第二拨杆23挤压所述第一压力传感器15或所述第二压力传感器24，从而获得组成机构在不同轴向载荷工况下的摩擦力矩大小；所述向心轴承12不承受轴向载荷，其摩擦力矩可以忽略，所述扭矩测量仪26监测整个系统在载荷作用下扭矩的大小变化；
55.另外，所述超磁致伸缩器11未施加载荷前，所述第二工作螺母20、所述第二预紧垫片21组成机构处在空载状态，同样可以测量其空载摩擦力矩；因此本实施例可实现滚珠丝
杠副加载和空载下摩擦力矩的测量。
56.需要说明的是，施加轴向力时，所述超磁致伸缩器11通过控制器(控制器的设置和选择为常规设置)控制其伸长或缩短，伸缩长度与通电电流成正比，由于第一工作台板8与第二工作台板16之间相对运动时距离一定，所述超磁致伸缩器11输出位移越大，施加轴向载荷越大；所述超磁致伸缩器11左端通过螺栓与连接杆9右端联结，施加载荷通过向心轴承传递给所述第三压力传感器25，进而传递给所述第二工作螺母20、所述第二预紧垫片21组成的第二配合机构。
57.如图2所示，当所述丝杠带10动工作螺母正向旋转时，所述第二拨杆23挤压所述第二压力传感器24；当所述丝杠带10动工作螺母反向旋转时，所述第一拨杆14挤压所述第一压力传感器15，通过计算力乘以力臂获得丝杠副的正反向摩擦力矩。
58.实施例2：
59.本实施例提供了一种基于轴向加载的滚珠丝杠滚副摩擦力矩测量方法，采用了如第一方面所述的基于轴向加载的滚珠丝杠滚副摩擦力矩测量装置，包括：
60.通过超磁致伸缩器的伸长或缩短，施加不同的轴向载荷，第三压力传感器检测轴向压力的大小，不同轴向载荷的定位精度通过光栅尺测量；
61.第二工作螺母、第二预紧垫片和第二预紧螺母的第二配合机构随滚珠丝杠旋转，第一拨杆或第二杆挤压第一压力传感器或第二压力传感器，获得第二配合机构在不同轴向载荷工况下的摩擦力矩大小。
62.以上所述仅为本实施例的优选实施例而已，并不用于限制本实施例，对于本领域的技术人员来说，本实施例可以有各种更改和变化。凡在本实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实施例的保护范围之内。

技术特征：
1.基于轴向加载的滚珠丝杠滚副摩擦力矩测量装置，其特征在于，包括实验台、第一工作台板、第一配合结构、第二工作台板、滚珠丝杠、超磁致伸缩器、向心轴承、第二配合结构、第一压力传感器、第二压力传感器和第三压力传感器；所述第一工作台板和所述第一配合结构通过导轨副滑动设置在所述实验台上；所述第一工作台板通过所述第一配合结构与所述滚珠丝杠连接；所述向心轴承的外圈与所述第二工作台板固定，内圈与所述滚珠丝杠固定；所述超磁致伸缩器一端与所述第一工作台板的侧面固定，另一端与所述向心轴承的外圈固定；所述滚珠丝杠上还设置有第二配合结构，所述第二配合结构与所述向心轴承之间设置有所述第三压力传感器；所述第二配合结构周向上对称设置有第一拨杆和第二拨杆，所述第二工作台板上与所述第一拨杆和所述第二拨杆对应处设置有所述第一压力传感器和第二压力传感器。2.如权利要求1所述的基于轴向加载的滚珠丝杠滚副摩擦力矩测量装置，其特征在于，所述滚珠丝杠靠近所述第一工作台板的一端通过联轴器连接有电机。3.如权利要求2所述的基于轴向加载的滚珠丝杠滚副摩擦力矩测量装置，其特征在于，所述联轴器和所述滚珠丝杠之间设置有扭矩测量仪。4.如权利要求1所述的基于轴向加载的滚珠丝杠滚副摩擦力矩测量装置，其特征在于，所述滚珠丝杠两端还设置有第一轴承和第二轴承。5.如权利要求1所述的基于轴向加载的滚珠丝杠滚副摩擦力矩测量装置，其特征在于，所述第一配合结构包括第一工作螺母、第一预紧垫片和第一预紧螺母；所述第一工作螺母与所述第一工作台板固定连接，所述第一工作螺母、第一预紧垫片和第一预紧螺母依次通过键连接。6.如权利要求1所述的基于轴向加载的滚珠丝杠滚副摩擦力矩测量装置，其特征在于，所述第二配合结构与所述第二工作台板不连接；所述第二配合结构包括第二工作螺母、第二预紧垫片和第二预紧螺母；所述第二工作螺母、第二预紧垫片和第二预紧螺母依次通过键连接。7.如权利要求1所述的基于轴向加载的滚珠丝杠滚副摩擦力矩测量装置，其特征在于，所述超磁致伸缩器通过连接杆固定在所述第一工作台板的侧面上。8.如权利要求1所述的基于轴向加载的滚珠丝杠滚副摩擦力矩测量装置，其特征在于，所述向心轴承设置为内圈和外圈轴向上可相对移动的轴承。9.如权利要求1所述的基于轴向加载的滚珠丝杠滚副摩擦力矩测量装置，其特征在于，所述实验台上还设置有光栅尺，所述光栅尺与所述滚珠丝杠平行。10.基于轴向加载的滚珠丝杠滚副摩擦力矩测量方法，其特征在于，采用了如权利要求1-9任一项所述的基于轴向加载的滚珠丝杠滚副摩擦力矩测量装置，包括：通过超磁致伸缩器的伸长或缩短，施加不同的轴向载荷，第三压力传感器检测轴向压力的大小，不同轴向载荷的定位精度通过光栅尺测量；第二工作螺母、第二预紧垫片和第二预紧螺母的第二配合机构随滚珠丝杠旋转，第一拨杆或第二杆挤压第一压力传感器或第二压力传感器，获得第二配合机构在不同轴向载荷工况下的摩擦力矩大小。

技术总结
本发明提出了一种基于轴向加载的滚珠丝杠滚副摩擦力矩测量装置及方法，包括实验台、第一工作台板、第一配合结构、第二工作台板、滚珠丝杠、超磁致伸缩器、向心轴承、第二配合结构、第一压力传感器、第二压力传感器和第三压力传感器；本发明中超磁致伸缩器通过电流控制其伸长或缩短，施加不同的轴向载荷，可实现滚珠丝杠滚副受载工况下摩擦力矩的测量，以及在不同轴向载荷工况下的摩擦力矩大小的测量；可以从侧面反应受载滚珠丝杠副预紧力的变化，对指导滚珠丝杠副设计及装配、提升其传动精度具有重要意义。有重要意义。有重要意义。


技术研发人员：赵佳佳 姜洪奎 宋现春 林明星 齐宝宝
受保护的技术使用者：山东建筑大学
技术研发日：2021.12.03
技术公布日：2022/3/8