数控机床进给系统扭转刚度试验台设计
- 前言
滚珠丝杠副为数控机床关键滚动功能部件，广泛应用于数控机床进给系统[1-3]。滚珠丝杠副刚性是数控机床进给系统动态稳定、振动幅度的重要影响因素[4]。随着滚珠丝杠副速度和载荷的不断提高，其振动问题愈加突出，严重影响数控机床的定位精度，滚珠丝杠副刚度不足严重阻碍数控机床向高速化、高精度方向发展[5]。
目前国内针对滚珠丝杠副刚性的研究大多集中在理论和仿真方面，一般是先建立滚珠丝杠副的轴向变形公式，再通过建立有限元模型的方法来验证公式的正确性，之后再讨论一些因素如滚珠直径等对滚珠丝杠副的刚性的影响[6]。现在国内外已有许多关于轴向静刚度的研究，关于滚珠丝杆的扭转刚度还进行的较少，因此进行数控机床扭转刚度试验台的设计是有必要的。
二、相关研究现状
2004年吴南星等人基于进给系统质量和弹簧力学模型,给出了进给系统轴向刚度和扭转刚度对失动量的影响与定位误差的解析表达式,为进给系统结构设计、降
低系统的失动量和提高系统的定位精度提供了理论依据;结合实例进行了应用分析计算,取得了明显效果[10]。安徽工业大学江守生等人通过理论计算和大型ANSYS分析软件两种方法分析了滚珠丝杠扭转刚度和轴向刚度对失动量的影响，为进给系统的机构设计和定位精度提高提供了可靠的理论依据[11]。
在滚珠丝杆试验台设计方面南京理工大学2013年徐凤翔等人采用固定丝杠加载螺母的方案，设计出一套滚珠丝杠副轴向静刚度卧式测量装置，解决了丝杠防转、拉压力施加及微位移测量等难题，在此基础上，对滚珠丝杠副轴向静刚度的试验方法进行了研究。该试验方法能够较好地完成轴向静刚度的测量，对同类产品试验方法的研究也具有指导意义[8]。2016年周福兴等人讨论了位移传感器个数以及布置方式对测量位移值的影响，设计出定位精度高使用方便的位移传感器工装，提出偏离度概念来评价位移测量系统和加载系统的合理性。提出了点到面、点到点、点到线再到面的三种力加载方案，通过对丝杠变形的测量结果表明点到线再到面的设计有很好的调心功能和较低偏离度[6]。合肥工业大学王文辉等人通过有限元分析优化了试验台的底座，获得更好的静动态特性[17]。
北京信息科技大学勾芳芳等人针对实际应用过程中, 精密谐波齿轮在小力矩加载时存在整体输出扭转刚度不足的问题 ,设计了一套谐波齿轮输出轴端扭转刚度测试系统[9]。如图所示，通过机械式加载扭矩，并用光学仪器进行测量。
在扭矩加载方面有机械，电液，电动式三种，目前国内外已有不少关于这方面的研究设计和成品。南京理工大学研制的电动扭矩加载系统用交流伺服电机经由减速箱后对被测对象进行加载测试[18]，由于被测对象负载惯量对加载系统的干扰力矩有着显著影响，因此引入了可调惯性负载盘，通过调节其大小，使加载系统处于一个最佳工作状态。但是该加载系统为了提高加载扭矩的范围，使用了伺服电机加减速箱的方式，齿轮减速箱中运动部件间的间隙和摩擦使得传动机构存在了复杂的非线性环节，严重影响了加载的精度[15]。华中科技大学顾张祺从扭转动刚度测试的原理与方法入手，根据加载台的要求设计了总体方案，分别对加载台的机械系统与加载系统进行了设计与分析。针对加载台的机械系统，设计了机架结构与三自由度重复定位机构，解决了系统通用性的问题，并利用有限元验证了其结构性能[15]。
