薛 鋒，楊 雪，常永壽，韓 軍

(南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，南京 210094)

滾珠絲杠副壽命試驗臺測控系統(tǒng)設(shè)計*

薛 鋒，楊 雪，常永壽，韓 軍

(南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，南京 210094)

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)。

滾珠絲杠副；壽命；測控系統(tǒng)；硬件設(shè)計；軟件設(shè)計

0 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 試驗臺的結(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]。

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、控制模塊和測試模塊三部分。

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?/p>

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，以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Visual Basic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。控制軟件主要用于控制伺服電機、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)。

[1] 張明鑫. 滾珠絲杠螺母結(jié)合面參數(shù)識別及其進給系統(tǒng)研究[D].南京:南京理工大學(xué), 2013.

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(編輯 李秀敏)

Design of Control System for Life Testbed of Ball Screw

XUE Feng, YANG Xue, CHANG Yong-shou, HAN Jun

(School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Aiming at the requirements of the life test for the ball screw, design the control system for life testbed of ball screw. Firstly, the structure of the ball screw life test rig is introduced, then analyse functions that is needed to realize according to the test rig. Mainly introduce the design of load control system, drive control system, and data collection system for the test bed. Put forward the hardware structure diagram and software design flow chart of the control system. The design method of control system offer the software and hardware foundation for the ball screw life test.

ball screw; life；control system; hardware design; software design

1001-2265(2016)12-0092-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.12.025

2016-01-21；

2016-02-04

國家科技重大專項(2014ZX04011031)

薛鋒(1992—) ，男，江蘇蘇州人，南京理工大學(xué)碩士研究生，研究方向為滾珠絲杠副精度保持性和壽命的研究，(E-mail)njustxuefeng@163.com; 通訊作者:韓軍(1963—)，女，南京人，南京理工大學(xué)副研究員，研究方向為精密機械測控系統(tǒng),(E-mail)hanjun7045@163.com。

TH166;TG659

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