一種重載螺旋副工作性能測試裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種重載螺旋副工作性能測試裝置及方法。包括有交流永磁同步電機(jī)、螺桿、螺母、光柵、滑塊、負(fù)荷計(jì)、控制器,交流永磁同步電機(jī)的輸出軸與螺桿連接，螺母與螺桿組成螺旋傳動(dòng)副，滑塊與螺母連接，且滑塊的下部和頂部分別裝設(shè)有上油池和下油池，上油池和下油池通過滑塊內(nèi)部設(shè)有的油道連通，且螺桿的下端浸泡在下油池中，工作臺(tái)裝設(shè)在滑塊的下方，測力計(jì)裝設(shè)在工作臺(tái)上，光柵檢測滑塊的位移,光柵的檢測信號(hào)輸入至控制器，控制器的控制信號(hào)輸出端與交流永磁同步電機(jī)連接，控制交流永磁同步電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。本發(fā)明重載螺旋副工作性能測試裝置結(jié)構(gòu)簡單、測試精度高；本發(fā)明測試方法操作方便。
【專利說明】
一種重載螺旋副工作性能測試裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明是一種重載螺旋副工作性能測試裝置及方法，屬于重載螺旋副工作性能測 試裝置及方法的創(chuàng)新技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 螺旋副具有結(jié)構(gòu)簡單、力增益恒定等許多優(yōu)點(diǎn)，是機(jī)械裝備中的基礎(chǔ)部件。螺旋副 工作性能的測試一直是機(jī)械傳動(dòng)中的一個(gè)熱門問題，已有不少研究成果。對(duì)于輕載螺旋副 而言，人們開發(fā)了不同的測試裝置，可以比較精確地測量螺旋副的傳動(dòng)效率和摩擦系數(shù)。然 而對(duì)重載螺旋副而言，卻缺乏有效可靠的測量手段。螺旋壓力機(jī)采用重載螺旋副作為其工 作機(jī)構(gòu)，長期以來，采用"鐓粗法"進(jìn)行測試。用工件(銅)的變形能與飛輪能耗之比來計(jì)算效 率。這種方法精度不高，且只能求得整個(gè)工作行程的平均植。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于考慮上述問題而提供一種結(jié)構(gòu)簡單、測試精度高的重載螺旋副 工作性能測試裝置。
[0004] 本發(fā)明的另一目的在于提供一種操作方便的重載螺旋副工作性能測試裝置的測 試方法。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案是:本發(fā)明的重載螺旋副工作性能測試裝置，包括有交流永磁 同步電機(jī)、螺桿、螺母、光柵、滑塊、負(fù)荷計(jì)、控制器，交流永磁同步電機(jī)1的輸出軸與螺桿連 接，螺母與螺桿組成螺旋傳動(dòng)副，滑塊與螺母連接，且滑塊的下部和頂部分別裝設(shè)有上油池 和下油池，上油池和下油池通過滑塊內(nèi)部設(shè)有的油道連通，且螺桿的下端浸泡在下油池中， 工作臺(tái)裝設(shè)在滑塊的下方，測力計(jì)裝設(shè)在工作臺(tái)上，光柵檢測滑塊的位移，光柵的檢測信號(hào) 輸入至控制器，控制器的控制信號(hào)輸出端與交流永磁同步電機(jī)連接，控制交流永磁同步電 機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0006] 本發(fā)明重載螺旋副工作性能測試裝置的測試方法，包括如下步驟：
[0007] 1)將測試的螺母安裝在滑塊內(nèi)并裝好蓋板，擰緊螺釘，上油池和下油池中加入潤 滑油，調(diào)試完成后，對(duì)設(shè)備進(jìn)行跑合；
[0008] 2)在控制器的操作面板中設(shè)定滑塊的下行速度、設(shè)定交流永磁同步電機(jī)輸出的轉(zhuǎn) 矩上限，然后按下行鍵，滑塊低速下行，直至交流永磁同步電機(jī)達(dá)到力矩上限，控制器檢測 電流值，待電流值及負(fù)荷計(jì)測試的壓力值穩(wěn)定后，記錄此時(shí)的電流值I及壓力值F;
[0009] 3)記錄電流值I及壓力值F后，按停止鍵使交流永磁同步電機(jī)停止工作；
[0010] 4)按動(dòng)上行鍵，使滑塊上行到相應(yīng)的位置停止，完成一次數(shù)據(jù)的測試；
[0011] 滑塊向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，定義為螺旋傳動(dòng)副的正向傳動(dòng)，螺母移動(dòng)方向與載荷方向相反， 其阻力矩T為
[0012]
(1)
[0013 ]式中F-軸向壓力;d-螺紋中徑;λ-螺旋升角;P-摩擦角，
[0014] 交流永磁同步電機(jī)1輸出的轉(zhuǎn)矩Tm與電流I成正比，即
[0015] Tm=kel (2)
[0016] 式中：Im-電機(jī)輸出扭矩，I-檢測電流上一電機(jī)力矩系數(shù)，若Mn和In分別為電機(jī)額 定扭矩和額定電流，則：
[0017]
r3)
[0018] 根據(jù)產(chǎn)品樣本，查得各傳動(dòng)環(huán)節(jié)的機(jī)械效率:減速器為m，聯(lián)軸器為n2，螺桿上的圓 錐滾子軸承為n3,推力滾子軸承為ru，忽略滑塊與導(dǎo)軌間的摩擦，則除螺旋副之外的機(jī)械傳 動(dòng)效率為
[0019]
⑷
[0020] 螺桿的驅(qū)動(dòng)力矩％為
[0021] Ts = inTm=inkeI (5)
[0022] 式中：i-減速器的減速比
[0023] 對(duì)螺旋傳動(dòng)副而言，當(dāng)理想狀態(tài)無摩擦?xí)r，其阻力矩. 則理論輸出力 為Fo
[0024] (S)
[0025]螺牙表面摩擦系數(shù)為μ，設(shè)μν為當(dāng)量摩擦系數(shù)，有：
[0026] y=yvcosP (7)
[0027] 式中：β_牙形斜角
[0028] 當(dāng)獸_擒玄撒士
[0029]
(8)
[0030]對(duì)螺距為Ρ、線數(shù)為η的多線螺紋，當(dāng)螺桿旋轉(zhuǎn)一圈時(shí)，輸入功為Win = 23iTs，輸出功 為= Fpn，螺旋副的傳動(dòng)效率為
[0031]
(9)
[0032] 式中：P-螺距，η-線數(shù)
[0033] 根據(jù)所測得的輸入電流I可按照式(6)計(jì)算出無摩擦?xí)r滑塊6的理論輸出壓力F0; 根據(jù)電流I和對(duì)應(yīng)的輸出力F即可按照式(8)和(9)分別計(jì)算出螺旋副的當(dāng)量摩擦系數(shù)μ ν和 傳動(dòng)效率qs。
[0034] 本發(fā)明充分利用數(shù)控精壓機(jī)參數(shù)可控、可測的優(yōu)勢，建立了一種效率和摩擦系數(shù) 的"電流-壓力"測試方法，即通過測量電機(jī)輸入電流和滑塊的相應(yīng)壓力，推算出螺旋副的傳 動(dòng)效率和摩擦系數(shù)。本發(fā)明的測試方法具有簡單、精度高、操作方便的特點(diǎn)，還可測試不同 材質(zhì)組合的螺母，以進(jìn)行比較。
【附圖說明】
[0035] 圖1為本發(fā)明重載螺旋副工作性能測試裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036] 圖2為本發(fā)明螺母-滑塊安裝結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037]圖3為本發(fā)明螺旋受力分析示意圖；
[0038]圖4為本發(fā)明螺旋副F-μν關(guān)系。
【具體實(shí)施方式】 [0039] 實(shí)施例：
[0040] 本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1、2所示，本發(fā)明的重載螺旋副工作性能測試裝置，包括 有交流永磁同步電機(jī)1、減速機(jī)2、聯(lián)軸器3、螺桿4、螺母5、光柵6、滑塊7、測力計(jì)8、控制器10， 交流永磁同步電機(jī)1的輸出軸通過減速機(jī)2及聯(lián)軸器3與螺桿4連接，螺母5與螺桿4組成螺 旋傳動(dòng)副，其中螺桿4靠圓錐滾子軸承及推力滾子軸承支撐于機(jī)身?；瑝K7與螺母5連接，且 滑塊7的下部和頂部分別設(shè)有上油池 11和下油池 12,上油池 11和下油池 12通過滑塊7內(nèi)部設(shè) 有的油道13連通，且螺桿4的下端浸泡在下油池12中，工作臺(tái)9裝設(shè)在滑塊7的下方，測力計(jì)8 裝設(shè)在工作臺(tái)9上，光柵8檢測滑塊7的位移，光柵8的檢測信號(hào)輸入至控制器10,控制器10的 控制信號(hào)輸出端與交流永磁同步電機(jī)1連接，控制交流永磁同步電機(jī)1的運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0041] 工作時(shí)，交流永磁同步電機(jī)1通過行星減速器2減速后，經(jīng)聯(lián)軸器3帶動(dòng)螺桿4運(yùn)動(dòng)， 通過螺旋傳動(dòng)副將螺桿4的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為滑塊7的直線運(yùn)動(dòng)，使滑塊7直線下行。工作結(jié)束 后，交流永磁同步電機(jī)1反轉(zhuǎn)，滑塊7上行到指定位置。上述螺桿4的下端浸泡在下油池12的 油中，以保證良好的潤滑。光柵6檢測滑塊7的位移，控制器10采集滑塊7的位移信號(hào)并控制 交流永磁同步電機(jī)1的運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0042] 本實(shí)施例中，上述交流永磁同步電機(jī)1通過行星減速器2減速后，經(jīng)聯(lián)軸器3帶動(dòng)螺 桿4 〇
[0043]本實(shí)施例中，上述負(fù)荷計(jì)8為數(shù)顯負(fù)荷計(jì)。
[0044] 本實(shí)施例中，上述油道13為垂直設(shè)置在滑塊7內(nèi)部的縱向油道。
[0045] 本實(shí)施例中，上述控制器10為伺服驅(qū)動(dòng)控制器。
[0046] 本實(shí)施例中，上述螺母5套裝在滑塊7內(nèi)，且滑塊7及螺母5的端部裝設(shè)蓋板14,蓋板 14通過螺釘15與滑塊7及螺母5連接。
[0047] 本發(fā)明重載螺旋副工作性能測試裝置的測試方法，包括如下步驟：
[0048] 1)將測試的螺母5安裝在滑塊7上，上油池11和下油池12中加入潤滑油，調(diào)試完成 后，對(duì)設(shè)備進(jìn)行跑合；
[0049] 2)在控制器10的操作面板中設(shè)定滑塊7的下行速度、調(diào)整交流永磁同步電機(jī)1輸出 的轉(zhuǎn)矩上限，然后按下行鍵，滑塊7低速下行，直至交流永磁同步電機(jī)1達(dá)到力矩上限，待控 制器測得的電流值及負(fù)荷計(jì)8測試的壓力值穩(wěn)定后，記錄此時(shí)的電流值I及壓力值F;
[0050] 3)記錄電流值I及壓力值F后，按停止鍵使交流永磁同步電機(jī)1停止工作；
[0051] 4)按動(dòng)上行鍵，使滑塊7上行到相應(yīng)的位置停止，完成一次數(shù)據(jù)的測試；
[0052]滑塊7向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，定義為螺旋傳動(dòng)副的正向傳動(dòng)，螺母5移動(dòng)方向與載荷方向相 反，其阻力矩T為
[0053]
(:1)
[0054] 式中F-軸向壓力;d-螺紋中徑;λ-螺旋升角;p-摩擦角。
[0055] 交流永磁同步電機(jī)1輸出的轉(zhuǎn)矩Tm與電流I成正比，即
[0056] Tm=kel (2)
[0057] 式中：Im-電機(jī)輸出扭矩，I -檢測電流，ke-電機(jī)力矩系數(shù)。若Mn和I η分別為電機(jī)額 定扭矩和額定電流，則：
[0058]
(?))
[0059] 根據(jù)產(chǎn)品樣本，查得各傳動(dòng)環(huán)節(jié)的機(jī)械效率:減速器為m，聯(lián)軸器為η2,圓錐滾子軸 承為η3,推力滾子軸承為ru，忽略滑塊與導(dǎo)軌間的摩擦，則除螺旋副之外的機(jī)械傳動(dòng)效率為
[0060]
(4)
[0061 ]螺桿的驅(qū)動(dòng)力矩％為
[0062] Ts = inTm=inkeI (5)
[0063] 式中：i-減速器的減速比
[0064] 對(duì)螺旋傳動(dòng)副而言，當(dāng)理想狀態(tài)無摩擦?xí)r，其阻力矩為： 則理論輸出力 為Fo
[0065] (6)
[0066] a系;T衣IMj浄'i祭牙:m為μ，設(shè)為當(dāng)量摩擦系數(shù)，有：
[0067] y=yvcosP (7)
[0068] 式中：β_牙形斜角 [0069]當(dāng)量摩擦系數(shù)為
[0070]
(8)
[0071] 對(duì)螺距為Ρ、線數(shù)為η的多線螺紋，當(dāng)螺桿4旋轉(zhuǎn)一圈時(shí)，輸入功為Win = 2JTTs，輸出功 為Wciut = Fpn，螺旋副的傳動(dòng)效率為
[0072]
(9):
[0073] 式中：P-螺距，η-線數(shù)
[0074] 根據(jù)所測得的輸入電流I可按照式(6)計(jì)算出無摩擦?xí)r滑塊6的理論輸出壓力F0; 根據(jù)電流I和對(duì)應(yīng)的輸出力F即可按照式(8)和(9)分別計(jì)算出螺旋副的當(dāng)量摩擦系數(shù)μ ν和 傳動(dòng)效率qs。
[0075] 上述螺母4與螺桿3組成螺旋傳動(dòng)副采用梯形、矩形、矩齒螺紋。本實(shí)施例中，上述 螺母4與螺桿3組成螺旋傳動(dòng)副為梯形螺紋。
[0076] 如果上述螺母4與螺桿3組成螺旋傳動(dòng)副為其它形式螺紋，僅需在式(7)中，代入相 應(yīng)的牙形斜角即可，對(duì)矩形螺紋而言，β = 〇。
[0077] 本實(shí)施例中，根據(jù)電流I和對(duì)應(yīng)的輸出力F即可分別計(jì)算出螺旋副的當(dāng)量摩擦系數(shù) μν和傳動(dòng)效率ns。滑塊的運(yùn)動(dòng)速度和位移能夠精確地控制。
[0078] 上述螺母可以方便地拆換，以檢測不同材料和結(jié)構(gòu)的螺母。此時(shí)僅需卸下螺釘15 和蓋板14,即可取出螺母并進(jìn)行更換。此外，可以改變測力計(jì)的高度以測量螺旋副在不同壓 力機(jī)行程位置時(shí)的工作性能。
[0079] 如下是一個(gè)具體實(shí)施例：交流永磁電機(jī)1的型號(hào)為SMM2526220-4FRBB1-H，行星齒 輪減速機(jī)的型號(hào)為PX330，減速比1: 20，級(jí)數(shù)2;梅花聯(lián)軸器(Mill)，彈性元件為MTl 1。螺旋副 為Tr 110 X 60 (P20) -7H梯形螺紋，公稱直徑11Omm，導(dǎo)程60mm，3線。兩種不同材料螺母，螺母1 為CF/EP復(fù)合材料，螺母2為ZCuSn IOPbl青銅。
[0080] 兩種螺母的測試數(shù)據(jù)如表1和表2所示。表中的理論輸出壓力Fo為假設(shè)無摩擦損失 時(shí)的計(jì)算值;當(dāng)量摩擦系數(shù)μν是按照式(8)計(jì)算的值;傳動(dòng)效率n s按式(9)計(jì)算。圖3為兩種螺 母的壓力-當(dāng)量摩擦系數(shù)的關(guān)系。
[0081] 表1螺母1 (復(fù)合材料)的測試數(shù)據(jù)
[0082] Tab.I The test data of composite lining nut
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種重載螺旋副工作性能測試裝置，其特征在于包括有交流永磁同步電機(jī)、螺桿、螺 母、光柵、滑塊、負(fù)荷計(jì)、控制器，交流永磁同步電機(jī)的輸出軸與螺桿連接，螺母與螺桿組成 螺旋傳動(dòng)副，滑塊與螺母連接，且滑塊的下部和頂部分別裝設(shè)有上油池和下油池，上油池和 下油池通過滑塊內(nèi)部設(shè)有的油道連通，且螺桿的下端浸泡在下油池中，工作臺(tái)裝設(shè)在滑塊 的下方，測力計(jì)裝設(shè)在工作臺(tái)上，光柵檢測滑塊的位移，光柵的檢測信號(hào)輸入至控制器，控 制器的控制信號(hào)輸出端與交流永磁同步電機(jī)連接，控制交流永磁同步電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的重載螺旋副工作性能測試裝置，其特征在于上述交流永磁同 步電機(jī)通過行星減速器減速后，經(jīng)聯(lián)軸器帶動(dòng)螺桿。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的重載螺旋副工作性能測試裝置，其特征在于上述負(fù)荷計(jì)為數(shù) 顯負(fù)荷計(jì)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的重載螺旋副工作性能測試裝置，其特征在于上述油道為垂直 設(shè)置在滑塊內(nèi)部的縱向油道。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的重載螺旋副工作性能測試裝置，其特征在于上述控制器為伺 服驅(qū)動(dòng)控制器。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的重載螺旋副工作性能測試裝置，其特征在于上述螺母套裝在 滑塊的內(nèi)部，且滑塊及螺母的端部裝設(shè)蓋板，蓋板通過螺釘與滑塊連接并壓緊螺母。7. -種根據(jù)權(quán)利要求1所述的重載螺旋副工作性能測試裝置的測試方法，其特征在于 包括如下步驟： 1) 將測試的螺母安裝在滑塊內(nèi)并裝好蓋板，梓緊螺釘，上油池和下油池中加入潤滑油， 調(diào)試完成后，對(duì)設(shè)備進(jìn)行跑合； 2) 在控制器的操作面板中設(shè)定滑塊的下行速度、設(shè)定交流永磁同步電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩上 限，然后按下行鍵，滑塊低速下行，直至交流永磁同步電機(jī)達(dá)到力矩上限，控制器檢測電流 值，待電流值及負(fù)荷計(jì)測試的壓力值穩(wěn)定后，記錄此時(shí)的電流值I及壓力值F; 3) 記錄電流值I及壓力值F后，按停止鍵使交流永磁同步電機(jī)停止工作； 4) 按動(dòng)上行鍵，使滑塊上行到相應(yīng)的位置停止，完成一次數(shù)據(jù)的測試； 滑塊向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，定義為螺旋傳動(dòng)副的正向傳動(dòng)，螺母移動(dòng)方向與載荷方向相反，其阻 力矩T為式中F-軸向壓力;d-螺紋中徑;λ-螺旋升角;P-摩擦角，交流永磁同步電機(jī)1輸出的轉(zhuǎn)矩 Tm與電流I成正比，即 Tm二 kel ( 2 ) 式中：Tm-電機(jī)輸出扭矩，I --檢測電流，Ke-電機(jī)力矩系數(shù)，若Μη和Iη分別為電機(jī)額定扭 矩和額定電流，則：(3) 根據(jù)產(chǎn)品樣本，查得各傳動(dòng)環(huán)節(jié)的機(jī)械效率:減速器為m，聯(lián)軸器為，螺桿上的圓錐滾 子軸承為ri3,推力滾子軸承為ru，忽略滑塊與導(dǎo)軌間的摩擦，則除螺旋副之外的機(jī)械傳動(dòng)效 率為(4) 螺桿的驅(qū)動(dòng)力矩Ts為 Ts = iriTm=irikeI 巧） 式中：i-減速器的減速比 對(duì)螺旋傳動(dòng)副而言，當(dāng)理想狀態(tài)無摩擦?xí)r，其阻力矩3則理論輸出力為Fo(6) 螺牙表面摩擦系數(shù)為μ，設(shè)μν為當(dāng)量摩擦系數(shù)，有： μ = μν〇〇8β (7) 式中:β-牙形斜角 當(dāng)量摩擦系數(shù)為(8) 對(duì)螺距為Ρ、線數(shù)為η的多線螺紋，當(dāng)螺桿旋轉(zhuǎn)一圈時(shí)，輸入功為Win=23lTs，輸出功為Wout =巧η，螺旋副的傳動(dòng)效率為(9) 式中：Ρ-螺距，η-線數(shù) 根據(jù)所測得的輸入電流I可按照式(6)計(jì)算出無摩擦?xí)r滑塊6的理論輸出壓力Fo;根據(jù)電 流I和對(duì)應(yīng)的輸出力F即可按照式(8)和(9)分別計(jì)算出螺旋副的當(dāng)量摩擦系數(shù)μν和傳動(dòng)效 率屯。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的重載螺旋副工作性能測試裝置的測試方法，其特征在于上述 螺母與螺桿組成螺旋傳動(dòng)副采用梯形、矩形、矩齒的螺紋。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的重載螺旋副工作性能測試裝置的測試方法，其特征在于上述 螺母與螺桿組成螺旋傳動(dòng)副為梯形螺紋。10. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的重載螺旋副工作性能測試裝置的測試方法，其特征在于上述 螺母5與螺桿4組成螺旋傳動(dòng)副為其它形式螺紋，僅需在式(7)中，代入相應(yīng)的牙形斜角即 可，對(duì)矩形螺紋而言，β = 〇。
【文檔編號(hào)】G01M13/02GK105841956SQ201610157435
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年3月17日
【發(fā)明人】孫友松, 程永奇, 張鵬, 魏良模, 章爭榮, 張瑛
【申請(qǐng)人】廣東工業(yè)大學(xué)