滾珠絲杠副壽命試驗臺測控系統(tǒng)設(shè)計
2017-7-13 來源：南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院 作者：薛 鋒 楊 雪 常永壽 韓 軍
摘要: 針對滾珠絲杠副壽命試驗的要求，設(shè)計了滾珠絲杠副壽命試驗臺的測控系統(tǒng)。首先介紹了滾珠絲杠副壽命試驗臺的組成結(jié)構(gòu)，然后根據(jù)試驗臺所需實現(xiàn)的功能進行分析，主要介紹了試驗臺的加載控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計，并給出了測控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖以及軟件設(shè)計流程圖。該測控系統(tǒng)的設(shè)計為滾珠絲杠副壽命試驗提供了軟硬件基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞: 滾珠絲杠副; 壽命; 測控系統(tǒng); 硬件設(shè)計; 軟件設(shè)計
引言
滾珠絲杠副具有傳動精度高、傳動效率高、同步性能好、使用壽命長、傳動可逆性等優(yōu)良特性，被廣泛用作中小型數(shù)控機床的進給傳動系統(tǒng)，其壽命指標對數(shù)控機床的性能有很大影響［1］。我國在中高端機床產(chǎn)品方面與國際先進水平有較大差距，主要體現(xiàn)壽命、額定動載荷等指標，限制了國產(chǎn)產(chǎn)品在中高檔數(shù)控機床中的推廣應(yīng)用。因而希望開發(fā)一種測試滾珠絲杠副壽命的試驗裝置，為被測樣件提供壽命參數(shù)，并為研究如何延長滾珠絲杠副使用時間，提高機床壽命提供試驗平臺［2］。
目前，國內(nèi)滾珠絲杠副的試驗裝置大多針對滾珠絲杠副的綜合性能，大多數(shù)試驗臺都不具備加載能力［3］，無法模擬壽命試驗所需的實際加載情況，缺乏模擬各種實際工況的能力，不能測評在不同加載情況下滾珠絲杠副的壽命。
針對這種現(xiàn)狀，設(shè)計研發(fā)滾珠絲杠副壽命試驗臺十分重要。根據(jù)試驗要求設(shè)計的滾珠絲杠副壽命試驗臺測控系統(tǒng)可以對滾珠絲杠副進行模擬實際工況的跑合與加載，加載力可調(diào)且調(diào)節(jié)范圍較大，傳感器通過數(shù)據(jù)采集卡將測得的信號傳送到工控機中，數(shù)據(jù)處理軟件處理分析數(shù)據(jù)，用以確定結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工方法和材料特性對壽命的影響，修正我國滾珠絲杠副壽命公式，同時研究提高壽命的途徑［4］，為研究如何提高國產(chǎn)滾珠絲杠副的性能提供依據(jù)。
1、 測控系統(tǒng)設(shè)計分析
1.1 試驗臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計
滾珠絲杠副壽命試驗臺由機械結(jié)構(gòu)和測控系統(tǒng)兩部分組成組成。以機械結(jié)構(gòu)為硬件基礎(chǔ)，利用測控系統(tǒng)進行試驗臺的運動控制、加載與數(shù)據(jù)的采集。試驗臺的結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 所示。
圖 1 試驗得結(jié)構(gòu)框圖
試驗臺的機械結(jié)構(gòu)如圖 2 所示，有以下四個部件:驅(qū)動部件、加載部件、床身部件和工作臺部件。驅(qū)動部件和加載部件分別位于床身部件的頭尾兩側(cè)，驅(qū)動部件帶動中間的被測滾珠絲杠副運動，加載部件對兩側(cè)的加載滾珠絲杠副進行加載，工作臺部件在床身部件上，可以在伺服電機的驅(qū)動下在床身部件上做往復(fù)運動，對被測滾珠絲杠副進行跑合。
圖 2 滾珠絲杠副壽命試驗臺機械結(jié)構(gòu)
機械結(jié)構(gòu)的運動由測控系統(tǒng)控制，滾珠絲杠副壽命試驗臺測控系統(tǒng)由加載力控制系統(tǒng)、驅(qū)動電機控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。驅(qū)動電機控制系統(tǒng)控制驅(qū)動部件帶動工作臺部件在床身上往復(fù)運動; 加載力控制系統(tǒng)控制加載部件對加載絲杠進行加載，加載力作用在被測絲杠上形成軸向載荷，加載力大小可調(diào)，模擬滾珠絲杠副工況下的加載情況; 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對相關(guān)試驗參數(shù)進行采集、分析和處理。
1． 2 加載力控制系統(tǒng)
1． 2． 1 試驗的加載力分析
我國目前的壽命試驗臺存在加載方式單一，加載力不可調(diào)，不能提供高加載等問題［5］。為了模擬實際工況，壽命試驗的加載力的范圍應(yīng)能保證是滾珠絲杠副額定動載荷的 20% 左右［6］。經(jīng)過分析，設(shè)計外力加載方案，加載力可以調(diào)節(jié)且范圍大，可以很好的模擬實際加載情況。
外力加載原理如圖 3 所示: 伺服電機輸出扭矩 M3，轉(zhuǎn)化力 F5傳遞給工作臺，兩根加載絲杠對稱布置于被測絲杠兩側(cè)，加載絲杠副軸端分別與電渦流制動器連接，分別控制兩側(cè)電渦流制動器的電流使輸出扭矩 Ｒ3相等，電渦流制動器輸出扭矩 Ｒ3等效轉(zhuǎn)化力 F6，二者之和作為試驗加載力。受力分析得出: 被測頭架受力為 F5，工作臺受力為 0，被測尾架受力為 F5，加載頭架與加載尾架受力均為 F6，工作臺受到扭轉(zhuǎn)力矩為 0［7］。
圖 3 外力加載原理圖
負載選用電渦流制動器，利用渦流損耗原理來吸收功率，提供加載，其輸出轉(zhuǎn)矩與激勵電流具有優(yōu)良的線性關(guān)系，加載力平穩(wěn)，大小可調(diào)，同時配套了制冷機對電渦流制動器進行水冷。
1． 2． 2 加載力控制系統(tǒng)設(shè)計
試驗臺進行壽命試驗時，需要對被測絲杠進行加載，模擬實際工作情況，并且系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對加載力的控制。電渦流控制器型號為 WLK-5A，控制器控制信號電流 0 ～ 5A，通過改變電流大小可以改變阻力大小。操作時，輸入工控機試驗預(yù)計所需的加載力對應(yīng)的控制器控制信號電流值，PCI-1716 輸出卡給電渦流控制器相應(yīng)的電流信號，控制電渦流制動器輸出預(yù)置的加載力，力傳感器實時監(jiān)測被測絲杠所受的加載力并反饋給工控機，提示操作人員輸入的電流的值是否對應(yīng)合適的加載力。
1． 3 伺服控制系統(tǒng)
1． 3． 1 伺服控制控制的分析
滾珠絲杠副壽命試驗臺的運動控制通過調(diào)節(jié)驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速，來控制工作臺的運行速度和換向動作。驅(qū)動電機選用伺服電機，與編碼器組合交流調(diào)速，改變信號電壓即可精確改變輸出轉(zhuǎn)速和扭矩，同時具有快速響應(yīng)，機電時間常數(shù)小、線性度較高等特點。
電機控制卡控制電機轉(zhuǎn)速，控制卡通過接收相應(yīng)的脈沖信號控制電機的啟動和停止，根據(jù)輸入的脈沖量控制電機的轉(zhuǎn)速，從而控制工作臺部件的移動速度。同時對工作臺部件的位置進行控制，在床身一側(cè)布置兩個非接觸式光電開關(guān)控制正反向和兩個接觸式限位開關(guān)控制極限位置，給出換向信號以及極限位置的急停保護。
1． 3． 2 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計
選用固高控制卡控制伺服電機，輸出兩路脈沖信號，一路控制伺服電機的啟停，另一路控制伺服電機正反轉(zhuǎn)。光電開光安裝在工作臺的運動起點，作為原點信號 HOME，當(dāng)工作臺不在原點但需要回原點時，光電開關(guān)給固高控制卡發(fā)出信號，使伺服電機帶動工作臺運動回到原點。兩個限位開關(guān)安裝在工作臺可運動的最大范圍的起點和終點，直接與固高控制卡連接，作為運動位置的正極限和反極限。一旦試驗臺接觸或是人工觸碰到任意限位開關(guān)，試驗臺都會當(dāng)即停止，防止工作臺失控，造成事故［8］。
1． 4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
1． 4． 1 數(shù)據(jù)采集分析
壽命試驗時，試驗臺受加載力進行往復(fù)運動，被測絲杠的動態(tài)扭矩、行程誤差、振動、噪聲等參數(shù)是體現(xiàn)滾珠絲杠副壽命的表征。通過監(jiān)測動態(tài)扭矩、行程誤差、振動信號、噪聲等參數(shù)相對時間的變化曲線，分析被測絲杠的磨損疲勞狀況，從而判斷被測絲杠是否到使用壽命。同時，拉壓力傳感器實時監(jiān)測被測絲杠的加載力，確保被測絲杠的負載與預(yù)設(shè)的相同。
1． 4． 2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計
測控系統(tǒng)能夠接發(fā)信號，進行運動、加載信號的傳送和測試信號的采集，需要一個上位機與各個模塊之間實現(xiàn)通訊［9］。圖 4 所示為滾珠絲杠副壽命試驗臺測控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖，硬件結(jié)構(gòu)的搭建包括上位機、控塊三部分。
圖 4 測控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖
上位機包括工業(yè)控制計算機、計數(shù)卡 IK220、研華數(shù)據(jù)采集卡 PCI1716 以及固高運動控制卡等。
控制模塊中，工業(yè)控制計算機通過固高控制卡控制伺服電機實現(xiàn)工作臺的往復(fù)運動。拉壓力傳感器監(jiān)測被測滾珠絲杠副所受到的軸向載荷，使電渦流制動器提供合適的負載。工業(yè)控制計算機通過給 PCI1716 采集卡發(fā)信號，控制固態(tài)繼電器使?jié)櫥猛瓿稍囼灥臐櫥?/font>
測試模塊中，振動傳感器、扭矩傳感器以及噪聲傳感器采集到的信號通過 PCI1716 的模擬量輸入口采集到工控機中; 圓磁柵和長光柵的編碼器與 IK220 計數(shù)器配套使用，將試驗采集到的編碼器信號和計數(shù)器信號傳入工控機，直線行程誤差的計算函數(shù)輸出曲線采集到電壓電流信息傳入工控機，以直線行程誤差的計算函數(shù)輸出曲線，分析出行程誤差; 根據(jù)采集到的扭矩、加載力、振動、噪聲和行程誤差等信號，分析被測絲杠的壽命。
2、 測控系統(tǒng)軟件設(shè)計
為使用戶界面直觀、友好，測控系統(tǒng)軟件用 VisualBasic 作為開發(fā)工具，軟件主要用于實現(xiàn)控制、測試和數(shù)據(jù)分析三個功能?？刂栖浖饕糜诳刂扑欧姍C、潤滑泵和電渦流制動器; 測試軟件主要是監(jiān)測被測絲杠的加載力、動態(tài)扭矩、行程誤差、噪聲和振動等性能指標; 數(shù)據(jù)分析軟件完成對測試軟件采集到的數(shù)據(jù)的存檔、分析和處理。
2． 1 系統(tǒng)主程序流程圖
測控系統(tǒng)主程序流程圖如圖 5 所示，試驗前，打開試驗軟件，輸入試驗環(huán)境參數(shù)以及被測滾珠絲杠副的參數(shù); 接著把被測絲杠通過工裝安裝在試驗臺上，開啟潤滑系統(tǒng)進行潤滑，做好試驗準備工作; 接下來，根據(jù)所需的加載力輸入電渦流制動器的控制電流值對被測絲杠進行加載，來模擬絲杠實際工況; 然后對傳感器上電，開始監(jiān)測性能指標參數(shù); 啟動電機控制系統(tǒng)，使伺服電機驅(qū)動被測絲杠進行跑合。在測試軟件里，可以對扭矩、振動、噪聲和行程誤差等信號進行采集，經(jīng)過濾波處理和軟件分析后顯示在程序界面上，通過觀察各項性能指標參數(shù)相對時間變化的情況來分析絲杠壽命。當(dāng)參數(shù)數(shù)值有異常時，檢測被測絲杠是否出現(xiàn)點蝕，如果出現(xiàn)點蝕并且被測絲杠的試驗行程沒有達到額定值，說明此產(chǎn)品壽命指標不達標，為不合格品，數(shù)據(jù)分析軟件記錄下此不合格絲杠的信息; 若被測絲杠沒有出現(xiàn)點蝕并且試驗行程達到額定值，則說明被測絲杠的壽命合格，數(shù)據(jù)分析軟件記錄下此合格絲杠的信息。以上述的流程進行滾珠絲杠副壽命試驗。
圖 5 測控系統(tǒng)主程序流程圖
2． 2 試驗臺程序主界面
程序的主界面如圖 6 所示，界面上包括參數(shù)設(shè)置、
運行與加載、行程誤差、扭矩測試、數(shù)據(jù)采集卡測試、綜合查詢、用戶管理、試驗臺調(diào)試等功能。
圖 6 程序主界面
2． 3 參數(shù)設(shè)置界面
參數(shù)設(shè)置程序界面如圖 7 所示，用戶可以在這個界面輸入被測絲杠型號和尺寸等基本參數(shù)以及精度等級等參數(shù)，并且可以輸入試驗環(huán)境參數(shù)。
圖 7 參數(shù)設(shè)置界面
2． 4 加載力及扭矩界面
加載力及扭矩界面如圖 8 所示，改變加載設(shè)定中的加載電流大小可以控制加載力大小，加載力由拉壓力傳感器實時測定，輸入輸出扭矩由扭矩傳感器實時測定。
圖 8 加載力及扭矩界面
2． 5 行程誤差檢測界面
行程誤差檢測界面如圖 9 所示，點擊開始采集，會彈出行程誤差測量界面實時檢測正向和反向的行程誤差并分析數(shù)據(jù)。
圖 9 行程誤差檢查界面
2． 6 振動檢測界面
如圖 10 所示，可以實時觀測試驗臺運動過程中的振動參數(shù)的變化，對振動信號進行分析，判斷被測絲杠是否發(fā)生點蝕和故障。
圖 10 振動檢測界面
2． 7 噪聲檢測界面
如圖 11 所示，可以采集被測絲杠試驗過程中的噪聲情況。采集時背景噪聲和試驗噪分開測量，通過數(shù)據(jù)處理軟件排除背景噪聲對試驗噪聲的干擾。
圖 11 噪聲檢測界面
2． 8 數(shù)據(jù)處理軟件
本測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理軟件以Access 數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)設(shè)計了滾珠絲杠副壽命信息數(shù)據(jù)庫以及數(shù)據(jù)庫管理軟件［10］，用來保存滾珠絲杠副基本參數(shù)、試驗設(shè)置參數(shù)、壽命試驗結(jié)果原始數(shù)據(jù)，分析結(jié)果，能很好的幫助試驗人員完成試驗。
3 、試驗臺設(shè)計成果
如圖 12 所示，為滾珠絲杠副可靠性試驗臺，滾珠絲杠副壽命試驗臺機械結(jié)構(gòu)已經(jīng)設(shè)計搭建完成，并根據(jù)試驗要求對測控系統(tǒng)進行設(shè)計和調(diào)試; 試驗臺已經(jīng)可以模擬滾珠絲杠副的工況進行跑合與加載，電渦流加載系統(tǒng)可以為被測絲杠提供 0 ～ 20000N 的負載; 扭矩傳感器、拉壓力傳感器、振動傳感器、噪聲傳感器和長光柵、圓光柵等的信號正常，可以被數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集并顯示; 數(shù)據(jù)庫保存壽命試驗的數(shù)據(jù)并且可以被數(shù)據(jù)分析軟件調(diào)用處理。
圖 12 滾珠絲杠副壽命試驗臺實物圖
4 、結(jié)束語
本文針對滾珠絲杠副壽命試驗臺所需達到的性能指標，分析和研究了其測控系統(tǒng)。結(jié)合滾珠絲杠副壽命試驗裝置，提出了試驗臺測控系統(tǒng)的設(shè)計方案，用以實現(xiàn)模擬被測絲杠在工況下的跑和、絲杠的加載以及性能指標的的檢測。本文提出的滾珠絲杠副壽命試驗臺測控系統(tǒng)的設(shè)計方案，能夠達到滾珠絲杠副壽命試驗的軟硬件要求，有助于國內(nèi)廠家開展?jié)L珠絲杠副壽命研究，為研究如何提高滾珠絲杠副壽命提供了試驗基礎(chǔ)。
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