丝杠摩擦力矩动态测量系统设计(一)
丝杠摩擦力矩动态测量系统设计
摘要： 介绍由工控机、多功能数据采集卡、JN338-F扭矩传感器和单片机组成新型滚珠丝杠副摩擦力矩测量仪，具有全数字、精度高、智能化程度高的特点。具体阐述了硬件电路结构、操作软件设计流程以及软件功能。
关键词：摩擦力矩 扭矩测量 数据采集 模块化设计
1 引言
滚珠丝杠副是在丝杠与螺母旋合螺旋槽之间放置适量滚珠作为中间传动体，借助滚珠返回通道，构成滚珠在闭合回路中循环的新型螺旋传动机构。丝杠的精度检测是丝杠加工中的重要一环，它直接影响到丝杠系列产品的精度和质量。国外许多知名的滚珠丝杠制造公司，除了致力于研究开发先进的精密加工加工设备外，都始终把检测手段的更新换代放在优先的地位，所以他们不仅拥有大量的精密加工机床，而且还有全套的、先进的质量检测设备，这使得他们的产品质量、性能以及产量都始终处于世界领先地位。研究开发先进的丝杠检测手段，缩小我国与国外滚珠丝杠副生产水平的差距，也是当前我国丝杠产业的重要任务。
摩擦力矩是滚珠丝杠重要的使用性能之一。它直接影响到能量的损耗、温度的变化(过分的温升将导致润滑剂恶化、磨损加剧，甚至导致工作表面烧伤)以及吸声、振动的变化，所以有些厂家提出测量滚珠丝杠的摩擦力矩，以确定机床相关部件的性能。本论文就是围绕陕西汉江机床有限公司开发研制的滚珠丝杠副摩擦力矩测量仪展开的。
2 摩擦力矩产生的原因
滚珠丝杠副的摩擦主要来自以下几个方面：
(1)材料弹性滞后引起的纯滚动摩擦
根据赫兹弹性接触理论，在载荷作用下滚珠丝杠副的中间元件滚珠与螺母和滚珠丝杠在接触点会发生椭圆形状的弹性变形，由于丝杠副材料存在弹性滞后的性质，所以滚珠在滚道上滚动时会产生纯滚动摩擦。
(2)椭圆接触面上差动滑动引起的摩擦
由于外加载荷及预紧力的作用，滚珠在滚道中接触点处为一椭圆，滚珠滚动是时接触椭圆面上各点的线速度不同，所以在丝杠副转动的时候滚珠与螺母间、滚珠与丝杠间必然会产生微观滑动，从而产生滑动摩擦。
(3)自旋差动滑动摩擦
同样在接触面内，滚珠以角速度ωs自转时，在接触椭圆的范围内，滚珠相对于接触面也产生滑动，也同样产生滑动，这是滚珠自转的差动滑动摩擦。
(4)滚珠与滚珠间的滑动摩擦
滚珠在滚道槽中滚动时，接触点处相邻滚珠间的相对滑动速度为滚珠滚动线速度的两倍。当相对滑动速度达到某一定值后，滑动摩擦系数明显地增加，从而使得摩擦力矩也明显地增大。
(5)滚珠在循环返回装置中的摩擦
滚珠丝杠副中除了承受轴向工作载荷得的工作滚珠外，还有在循环返回装置中作循环返回运动的滚珠。在运动过程中这些滚珠与循环返回装置间也存在摩擦力矩，其大小与循环返回装置的结构形式关系很大。
(6)油膜粘度引起的摩擦
润滑剂的粘度阻力使滚珠丝杠副在运转时产生磨擦阻力。通常，润滑剂在低温时的粘度较大，故低温期的起动摩擦力矩要大一些。
3 测量原理
3.1 扭矩测量原理
JN338-F型扭矩传感器可测量正、反向静态扭矩和动态扭矩，旋转角度小于360度。测量正、反向扭矩时，不需调整零点。信号检测采用数字化处理技术，精度高、稳定性好、抗干扰强，信号输出类型为频率、电压、电流。具有可靠性高、寿命长，体积小、重量轻、安装方便等特点。
JN338-F型扭矩传感器检测的敏感元件是电阻应变桥。将电阻应变片组成的电桥粘贴在传感器弹性轴上，向应变桥提供直流电源即可检测出该弹性轴受扭时毫伏级轴应变电信号，将该应变信号滤波放大后，输出与扭应变成正比的频率信号。
3.2 测量方法
扭矩传感器安装在可以沿机床主轴方向来回移动的'滑座上，测量摩擦力矩时，通过连杆部件将其与滚珠丝杠螺母径向连接固定，如图3.1所示。因丝杠螺母与传感器之间径向连接，测量时在机床的主轴带动下滚珠丝杠副作等速旋转，螺母只能沿丝杠轴线方向移动，而不能转动，于是滚珠丝杠副的摩擦力矩就以力的形式通过定位连接销2（图3.1）作用于扭矩传感器上。这样在连接销2的中心线上就产生一对作用力于反作用力，传感器测到的摩擦力矩就是：
（3-1）
其中 ——传感器的测量值
——连杆在与连接销接触点处受到的力
滚珠丝杠副的实际摩擦力矩是：
（3-2）
其中 ——滚珠丝杠副实际摩擦力矩
——丝杠螺母在与连接销接触点处受到的力
由力的平衡原理和作用力与反作用力原理知，与大小相等，由公式4-3-1-1得：
（3-3）
则由测量到的摩擦力矩值就可以得到滚珠丝杠副的实际摩擦力矩值：
（3-4）
1为扭矩传感器，2为定位连接销，3为连接杆，4为滑动安装底座
图3.1 扭矩传感器安装机械图
4 系统硬件组成
本系统的硬件总体构成原理图如图4.1所示：
图4.1 系统硬件总体构成原理图
该系统从应用上可分为两个独立的摩擦力矩测控系统，我们将其分别定义为1＃和2＃测控系统。两个独立的分系统拥有几乎相同的硬件组成，其中计算机、打印机、多功能IO卡、数据采集卡和端子板是两个系统共用的，而其它的硬件如控制面板、变频器、传感器和电机等都分别属于各个独立的分系统，只是1＃传感器最大测量值为10N*m,而2＃传感器的最大得了值为5N*m。两个分系统的测量原理和操作方法是相同的。
5 软件设计
操作系统软件采用VB语言编写，软件设计中大量采用模块设计思想，将各个功能程序尽量的封装在功能模块中，使程序条理清晰，语言简化，集成率高。本系统主要包括以下模块：参数输入与测量判断、动态测量与显示、数据分析、数据存储、历史查询、打印报表、丝杠跑合、电机测试、状态监测。操作软件测量主程序流程图如图5.1所示：
图5.1 操作系统测量主程序流程图
汉江机床有限公司“2510-01 06-05-120”滚珠丝杠副的正向测量曲线如图5.2所示：
图5.2 正向数据曲线
分