螺旋傳動性能測試實驗臺的設(shè)計

張麗， 陸天煒， 蘇超

（西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院，成都 610031）

0 引言

螺旋傳動是通過螺桿和螺母的旋合來實現(xiàn)運動和力的傳遞，它一般是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動。螺旋傳動按摩擦性質(zhì)可分為滑動螺旋、滾動螺旋和靜壓螺旋，按用途可分為傳力螺旋、傳動螺旋和調(diào)整螺旋[1]。相較于其他傳動方式，螺旋傳動具有結(jié)構(gòu)簡單、易加工、能自鎖、傳動平穩(wěn)等特點，在各個領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，占有重要的地位，如機床的進給螺旋、起重器的傳力螺旋、螺旋壓力機構(gòu)、起重機構(gòu)等。但螺旋傳動也存在很多問題，比如摩擦阻力大、易磨損、有側(cè)向間隙、定位精度差、軸向剛度較差等，這些都會影響螺旋傳動的傳動精度和效率。因此，不僅要比較不同螺旋副之間傳動效率的差別，以便在實際應(yīng)用中選擇適合的螺旋傳動以及合適的材料，而且還要研究在實際使用條件下各個因素對螺旋傳動的性能的影響情況。所以設(shè)計一臺能夠測試各項參數(shù)下螺旋傳動的傳動效率，并且搭配一套專門的測試系統(tǒng)是十分必要的。

1 實驗臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 效率測試原理

在實際測試中，機械傳動效率一般被定義為輸入功率與輸出功率之比，因此在不考慮聯(lián)軸器和軸承造成的功率損失，將負載與螺母運動方向相反和相同的螺旋傳動效率分別計算，其計算式如下：

式中：F為加載負荷；n為螺紋線數(shù)；P為螺紋螺距；M為輸入轉(zhuǎn)矩。

1.2 實驗臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

本實驗臺主要用于測試在不同負載下，不同滑動螺旋傳動的效率。實驗臺包括機械、測試和控制三個系統(tǒng)，如圖1所示為實驗臺系統(tǒng)構(gòu)成框圖。其中動力裝置向螺桿提供動力使其運轉(zhuǎn)，利用螺桿帶動螺母沿軸向運動；通過調(diào)速裝置控制轉(zhuǎn)速；加載機構(gòu)向螺母施加負荷，并通過傳感器得到輸入轉(zhuǎn)矩；傳感器將測得的數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)硬件傳入軟件進行數(shù)據(jù)處理，并在用戶界面上顯示相應(yīng)圖形。

圖1 實驗臺系統(tǒng)構(gòu)成框圖

在對實驗臺的使用條件反復(fù)論證后，最終確定了圖2所示的實驗臺總體設(shè)計方案。電動機1提供動力帶動螺桿8轉(zhuǎn)動，螺母9通過行程開關(guān)6、11沿著直線導(dǎo)軌做往復(fù)運動，直線位移傳感器4與螺母9相連，用于測試螺母9的實時位置。在電動機1與螺桿8之間串聯(lián)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器3實現(xiàn)螺桿轉(zhuǎn)速和輸入轉(zhuǎn)矩的信號輸出。加載裝置通過滑輪12、13添加砝碼實現(xiàn)負載的穩(wěn)定變化。圖3為安裝好的實驗臺實物圖。

圖2 螺旋傳動總體方案

圖3 實驗臺實物圖

2 實驗臺測試系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

本實驗臺系統(tǒng)硬件關(guān)鍵部分主要是由兩種傳感器、數(shù)據(jù)采集卡以及計算機組成。其中轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器和采集卡是本實驗臺的核心部件，關(guān)系著整個測試系統(tǒng)的性能。本實驗臺采用的YT－302轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器是北京天宇恒創(chuàng)傳感器技術(shù)有限公司提供的，其參數(shù)如表1所示。轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器配有調(diào)理電路，輸出時的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速即為頻率信號，此信號被采集卡接收，經(jīng)過處理將其轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，然后傳入計算機進行數(shù)據(jù)運算。本實驗臺使用的是川星科技有限公司提供的基于FPGA開發(fā)的數(shù)據(jù)采集卡，其性能、可靠性較好且具有較高性價比。

表1 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器參數(shù)

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

比較多種虛擬儀器開發(fā)平臺，其中LabVIEW軟件編程較為簡單，很多程序可以直接調(diào)用，能縮短開發(fā)周期，用戶操作起來也更加便捷、輕松，因此本實驗臺采用LabVIEW軟件來開發(fā)測試系統(tǒng)?；贚abVIEW軟件的系統(tǒng)軟件設(shè)計分為用戶操作界面設(shè)計和程序框圖設(shè)計，前面板作為操作界面，主要包括參數(shù)輸入、數(shù)據(jù)圖表顯示和功能按鈕等控件。如圖4所示，本實驗臺數(shù)據(jù)采集的主要包括串口參數(shù)設(shè)置、實驗員信息、螺旋傳動參數(shù)設(shè)置、圖形顯示、模塊選擇和控制等區(qū)域。串口參數(shù)設(shè)置區(qū)主要包含四個參數(shù)：串口號、波特率、數(shù)據(jù)比特和奇偶校驗。實驗員信息包含姓名、班級、學(xué)號和指導(dǎo)老師，這些信息最后將顯示在最后生成實驗報表中。螺旋傳動參數(shù)設(shè)置區(qū)可選擇螺旋副類型、輸入負載、控制轉(zhuǎn)速。模塊選擇區(qū)通過選項卡實現(xiàn)不同模塊的切換，實時查看效率、轉(zhuǎn)矩、速度、位移等曲線圖,以及對應(yīng)的實時數(shù)據(jù)?？刂茀^(qū)主要有開始/停止采集、保存數(shù)據(jù)、清空數(shù)據(jù)、生成報表和停止等五個按鈕。

圖4 數(shù)據(jù)采集前面板

本軟件的數(shù)據(jù)采集程序以VISA函數(shù)作為軟件的通信接口函數(shù)，采集到的十六進制數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊變?yōu)槭M制，再通過數(shù)據(jù)計算并經(jīng)濾波處理后得到平滑的曲線圖。圖5所示為實現(xiàn)用戶操作界面功能所編制的程序框圖。

3 實驗臺應(yīng)用情況

圖5 程序框圖

圖6 螺旋傳動正反轉(zhuǎn)效率曲線圖

為測本實驗臺的實際應(yīng)用，以梯形螺旋傳動在摩擦狀態(tài)下為例進行了測試，實驗時所使用的梯形螺紋參數(shù)為：螺距P=12 cm，直徑d=48 mm，線數(shù)L=1，摩擦因數(shù)f=0.1。通過實驗得到螺旋傳動正反轉(zhuǎn)效率曲線如圖6所示。

由實驗圖形可以看出，實際效率曲線隨著轉(zhuǎn)矩的變化波動符合實際情況，而且無潤滑狀態(tài)下實測效率與理論效率曲線相差接近，說明該實驗臺具有一定的傳動精度。

5 結(jié)語

螺旋傳動性能測試實驗臺機械結(jié)構(gòu)與測試系統(tǒng)于一體，結(jié)構(gòu)簡單，具有良好的經(jīng)濟效益，能夠更加便捷地更換螺旋副，對多種螺旋副在不同負載、不同轉(zhuǎn)速、摩擦/潤滑狀態(tài)下進行測試，可以通過測試軟件快速、準(zhǔn)確、實時、生動地反映螺旋傳動效率，并在保存數(shù)據(jù)后進行比較、分析各種狀態(tài)對螺旋傳動效率的影響，這對研究螺旋傳動性能具有重要的作用。