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硕士论文 重载滚珠丝杠的模拟加载试验台设计及其试验分析 摘要 本课题源于国家重大专项项目高速、重载、精密滚珠丝杠及直线导轨基础理论 和测控技术研究。近年来，重载滚珠丝杠副广泛的应用于重型机械中，但是在使用过程 中，重载滚珠丝杠在承载能力、额定载荷、加速能力和使用寿命这些方面存在越来越多 的问题。因此设计重载滚珠丝杠模拟加载试验台来测试重载滚珠丝杠副的寿命、传动精 度、噪声、温升、加载能力、加速能力及摩擦力矩丧失情况。结合其他试验台的联合测 试，得到承载工况后重载滚珠丝杠副的定位精度，丝杠、螺母的齿形变形量、齿面点蚀、 磨损量及钢球的磨损量，为提升重载滚珠丝杠副的性能提供试验数据。 对重载滚珠丝杠模拟加载试验台的研究内容包括： ( 1 ) 设计重载滚珠丝杠模拟加载试验台。该试验台能够对重载滚珠丝杠的实际工 况进行模拟，实现对重载滚珠丝杠的模拟加载，并且能够便于在试验台上安装各种传感 器检测重载滚珠丝杠副的各项指标。使用a n s y s 软件对试验台分别进行应力、应变分析 检验其承载能力和加载后床身的应变量。 ( 2 ) 采用自调节灰度预测f u z 巧p i d 控制算法。在动态加载过程中，会出现一些 干扰来减少控制性能，例如：稳定性、超调量、频率响应和加载敏感度。为了减少或消 除干扰并提高液压加载系统的控制质量，采用带有灰度预测的呦p i d 算法，同时使 用模糊控制器和调整算法来改变灰度预测步数的大小。 ( 3 ) 根据试验方案制定控制策略，使用s u a lb a l s i c 语言在上位工控机编写控制 程序，通过固高运动控制卡、数据采集卡实现对伺服液压缸、伺服电机的控制，同时能 够采集各传感器的数值便于后期分析。建立数据库存储丝杠跑合档案。 ( 4 ) 采用拟蒙特卡洛法对重载滚珠丝杠进行可靠性分析。虽然蒙特卡洛方法具有 程序结构简单，计算效率与问题维数无关的优点。但工程结构的失效概率往往很小，要 获得准确的结果就需要大量的样本，因而计算效率低。针对这一问题，采用h a n o n 序列 代替伪随机数，并结合了重要抽样技术建立了可靠性分析的拟蒙特卡洛方法。 关键词：重载滚珠丝杠，灰度预测，f u z z y p i d ，拟蒙特卡洛法，h a h o n 序列 目录 硕士论文 a b s t r a c t 7 r h j si s s u er o o t si nt h en a n t i o n a lm 勾o rp r 巧e c t s _ t h es t u d yo f 1 l i 曲s p e e d ，h e a 、，) rl o a - d ，p r e c i s eb a l l s c r e w 锄dl i n e a rg u i d eb a s i c 廿l e o r i e sa i l dt 1 1 et e c h n o l o g yo fm e a s u r e 锄dc o i l 仃 0 1 i i lo r d e rt oi m p r o v et h ep r o “c tm a r k e tc o m p e t i t i v e n e s s ，h 趾j i a n gm a c h i n gt 0 0 1c o ，l t d w a mt od e v e i o pm eb “is c r e wh e a v yl o a ds i i i m l a t i o nt e s ti 1 1 蛐e n t t l l i st e s ti n s t r u 吼e n tm a - i i l l yt e s tt h el i f e ，仃a n s m i s s i o na c c u r a c y ，n o i s e ，t e m p e r a n 鹏r i s e ，l o a d i n gc a p a c i 劬a c c e l e r a t i - n ga b i l i t ya 1 1 dl o s so f 衔c t i o nt o r q u e c o m b i n i n gw i mt l l eo t h e rt e s ti 1 1 s t n l m e n tt og e tt 1 1 ep o s i t i o n i n ga c c u r a c y ，t o o t hs h 印ed e f o m 撕o no fs c r e w 锄dn u t ，伽t l le r o s i o np 姗，a b r a s i o nl o s s a 1 1 dt l l ea b r a s i o nl o s so f b a l l p r o v i d i n gt h et e s td a _ t at oo p t i m i z et l l eh e a v yb a l l - s c r e w t h er e s e a r c hc o n t e n t so fm et e s ti n s t n l i i l e n t 孤- ea sf o n o w s ： ( 1 ) t 0d e s i 口t h eb a l ls c r e wh e a v yl o a ds i m u l a t i o nt e s ti i l s t m m e n t n i st e s ti n s t n l r n e n t c a ns i i l l u l a t et l l ea c t u a lw o r k j n gc o n d i t i o no fh e a v ) rl o a db a l l - s c r e w ，r e a l i z el o a d i l l gt h eh e a v y b a l l - s c r e w ，a l l ds e v e a ls e n s o r sc a l lb ei n 5 t a l l e do n 廿l et e s ti 1 1 s t n 】m e n tt ot e s tt l l ev a r i o u se l e m e n t s u s i n gt l l ea n s y ss 0 r 眦眦t 0a 1 1 a l y s i ss 仃e s sa n dc h e c k 廿l ec a n 了i n gc a p a b i l i 够 ( 2 ) a d o p t i l l gm es e l f 二t u i ：i i n gg r e yp r e d i c t o rf h z z yp i d i nt l l ed y n 锄i cl o a d i l l gp r o c e s s ， p e r c i l r b a t i o nd e c r e a s e sc o 咖幻lp e r f o 册a 1 1 c es u c ha ss t 乏l b i l i 吼仔e q u e n c yr e s p o n s e ，a n dl o a d i n g s e i l s “i v i 够i i lo r d e r t oi i n p r o v em ec o 砷o lq u a l 时o ft 1 1 el o a d i n gs y s t e mw l l i l ee l i m i n a t i n go r r e d u c i n gt h ed i m 曲a i l c e ，ag r e yp r e d i c t i o nm o d e lc o m b i n i n g 丽t l la 勉巧p i dc o n 仃0 1 1 e ri s s u g g e s t e d m e a n 、h i l ea d o p t i n gt l l e 如z 巧c o m r 0 1 1 e rt 0c h a n g en l eg r e ys t e ps i z e ( 3 ) a c c o r d i n gt ot l l et e s t i n gp r o g r a mt of o r m u l a t ec o n t r o l 触g y w 打t ec 0 n t r o lp r o g - r 锄o nt h eu p p e ri n d u s t r i a lp cv i a s u a lb a s i cl a j l g u a g et or e a l i z ec o n 们l i n gt h es e r v oh y 缸 a u l i cc y l i i l d e r ，c o n t r 0 1 i n gt h es e r v 0m o t o r ，a i l dc a i ls e l e c ta i l ds a v ed a t a 舶ms e n s o r s i t ，sc o n - v e n i e n tt 0a n g l y s i st 1 1 ed a t ai i lm el a t e r e s t a b l i s h i n gd a t a b a 轮t os t o r ed a t a st h a tb a i | - s c r e wr u n s ( 4 ) a d o p t i n gt h eq u a s i m o n t ec 砌ot 0a i l a l y s i st h er e l i a b i l 时o f h e a v y1 0 a db a l l - s c r e w a l t l l o u g ht 1 1 em o n t ec 训oh a s 廿l es 油p l ep r o g 瑚1s t m c t u r ea 1 1 dn l ea d v a l l t a g e sm a tc a l c u l a t i o ne m c i e n c yh a sn o l i n gt 0d ow i t ht h ep r o b l e md i m e n s i o n b u tt l l ef 撕1 u r ep r o b a k l i t ) ，o fe n - 百n e e d n gs t n l c t u r ei su s u a l l ys m a l l ，i f w 锄tt 0g e tt h ea c c u r a t er e s u l t s ，n e e d i n gt og e tl o t so f s 锄p l e s ，s ot 1 1 ec a l c u l a t i o ne 伍c i e n c yi sv e d ，l o w i no r d e rt os o l v et h i sp r o b l e m ，a d o p t i n gt h e h a l t o na r r a yt or e p l a c em ep s e u d 0r a l l d o mm l l l l b e rs e q u e n c e ，锄d c o m b i l l i n gt h ei m p o r t a n c e s 锄p i n gt e c h i l i q u et oe s t a b l i s ht 1 1 eq u a l s i m o m ec a r l oo ff a i l s a f ea 1 1 a l y s i s k e yw o r d s ：h e a v yl o a db a l ls c r e w ，g r e yp r e d i c t o r ，f u z z y p i d ，q u a s i m o n t ec a r l o ，h a l t o n a n 研 u 硕士论文 重载滚珠丝杠的模拟加载试验台设计及其试验分析 l 绪论 1 1 引言 近年来，中国装备制造业的重工业化出现了快速发展的态势，越来越多的重载滚珠 丝杠被广泛的使用在重型机械中，特别是在大型龙门铣、锻压机、代替液压缸等领域。 但同时也暴露出在承载能力、额定载荷、使用寿命、加速能力等方面的不足。而丝杠的 材料、加工工艺、结构设计等方面也降低了重载滚珠丝杠副性能i l 】。 首先，制造滚珠丝杠的过程中，影响滚珠丝杠副性能的主要因素包括对滚珠丝杠滚 道几何精度的控制和丝杠内部金相组织的变化。不过近年来随着控制技术、电子技术、 制造技术的不断发展，促进了数控机床的主要功能部件和控制器的不断提升，如：c n c 系统、伺服电机、光栅尺等。【2 ，4 1 。 其次，早期的大型滚珠丝杠副直径大，承载滚珠数量多( 多列、多圈) ，多采用外 插管循环方式，整体结构大而笨重。制造技术方面受工艺装备限制，长丝杠在螺纹磨床 上多采用工件穿过主轴孔逐段接刀磨削的方式，或者采用分段制造在拼接至所需长度。 螺纹的旋风铣削工艺虽然早已应用，但基本上还属于低精度软铣水平，多用于粗加工和 半精加工。而进入2 1 世纪，国内主要生产滚珠丝杠的企业如：陕西汉江机床有限公司、 南京工艺、山东济宁博特通过自主研发或引进国外先进的加工设备都能够加工出l o m 的 精密滚珠丝杠。 但是要想提高滚珠丝杠副的性能，我们一方面要改进加工工艺和提高加工设备的性 能；另一方面，通过现有的国内外技术和积累的经验开发出高精度的检测设备。目前， 国内有关滚珠丝杠行程误差测量的试验台已经开发出来，并已应用到工业现场中。但是 检测滚珠丝杠副性能( 如：使用寿命、噪声、摩擦力矩等) 的试验台还没有。使的生产 厂家没有充分了解自己厂生产出的产品，从而制约了产品的性能【l 】。为了提高重载滚珠 丝杠副的性能，在基于h e r t z 弹性接触应力理论下，滚动功能部件在高负荷下运行时， 其弹性接触应力非常大。为了减少在重载下弹性变形，增加运行可靠性并延长工作寿命， 应从产品结构、主要参数优化、驱动方式以及制造技术( 含材料) 等方面对相关关键技 术进行剖析。因此，面对市场的需求和抢占国外厂家的市场份额，我们必须加强对滚珠 丝杠副的新产品开展试验研究。从而为陕西汉江机床有限公司产品改良打下基础，提高 产品的市场竞争力。 1 2 重载滚珠丝杠的发展和趋势 随着国内主机企业的发展壮大，重载滚珠丝杠副的设计研发水平也不断的提高， l 绪论硕士论文 在滚珠丝杠的选用上逐渐趋向高精度、重载荷、超长度和大导程。重载滚珠丝杠副的 使用领域也越来越广泛，如： ( 1 ) 锻压机锻压机广泛的使用于冲压、挤压、模锻等加工工程中。若使用重载 滚珠丝杠代替曲柄滑块或液压机，将会使液压机的结构更加紧凑，大大的降低噪音， 而且便于调节行程、锻压速度、锻压力度等。 ( 2 ) 大型龙门铣大型龙门铣的横梁大多数采用液压系统驱动升降运动，由于液 压系统的固有的一些缺陷将会使的横梁升降速度慢，位置精度低，并且液压油泵会产 生噪声。使用重载滚珠丝杠代替液压系统将会使的设计更加简单、重量减轻、通过调 节丝杠的转速可以很容易的调节横梁升降的速度和位置精度。大大提高被加工件的精 度【5 1 。 ( 3 ) 数控机床中的滚珠丝杠常在预计载荷大、转速高一级且散热差的条件下运转， 因此丝杠更容易发热。滚珠丝杠热造成的后果是非常严重的，尤其在开环系统中，这 会使进给系统丧失定位精度。而重载滚珠丝杠与一般的滚珠丝杠相比，其额定负荷将 会提升2 3 倍以上，可承载较大的轴向负荷和高加速度。 因此，重载滚珠丝杠将会朝着快速、大载荷、高刚度、低噪音、自润滑等方向发 展。而为了能够实现上述性能指标，首先，通过研究磨削机理和材料性能改进重载滚 珠丝杠的加工工艺和热处理工艺；其次是引进吸收国外先进铣床和磨床的设计经验和 关键技术并结合国内已有的技术来研制出加工精度高、效率高的机床，提高加工效率 和加工质量；最后，为了能够进一步了解产品的性能，围绕重载滚珠丝杠开发相应的 试验台，如：摩擦力矩试验台，滚道误差试验台，行程误差试验台，性能跑和试验台。 1 3 国内外研究现状 滚珠丝杠副滚珠循环系统和滚动轴承的动力学特性有相似之处，因而对滚珠丝杠的 滚珠、滚道的疲劳研究和结构设计可以借鉴轴承在这方面的研究成果。不过，滚珠丝杠 副的结构和受力情况比轴承复杂，在很多方面研究的都不够深入，因此有必要结合有限 元法、赫兹理论等加强对滚珠丝杠副的研究。 国外方面：日本n s k 公司开发了多种新型滚珠丝杠副，对反向回珠器的结构、滚道 型线等进行了优化设计，并且将“空心强冷”技术用于精密高速滚珠丝杠副，发明了在 中空丝杠孔内配置“内藏减震阻尼器”的专利技术，使得d n 值达到1 5 0 0 0 0 ，而且把行 程范围扩大到4 m 以上，可实现长行程高速驱动；改变滚珠丝杠的驱动方式，采用丝杠 固定不转，螺母旋转并且沿着直线导轨平移，这样可以避免由于丝杠跨距太长带来的转 动惯量大、振动大等问题。 国内方面：浙江大学的李凌丰副教授对重载滚珠丝杠的滚珠接触应力进行了研究， 基于滚道坐标系与丝杠坐标系间的变换，提出了滚珠载荷的计算方法，建立了滚珠有限 2 硕士论文 重载滚珠丝杠的模拟加载试验台设计及其试验分析 元模型，并用有限元方法对其进行应力分析，针对不同的接触角、滚珠圈数、滚珠直径 进行计算，获得了滚珠接触应力的分布情况。陕西汉江机床有限公司对加工重载滚珠丝 杠的螺纹磨削技术和热处理技术进行了研究，并成功的为武汉重型机床厂研制出h j g s 5 6 7 2 0 1 滚珠丝杠。浙江得利亚自动化制造有限公司采用冷轧制技术成功的研制出咖8 0 1 0 1 0 m 大型重载冷轧丝杠，经检验整体精度达到滚珠丝杠副国家标准t 7 级，洛氏硬 度h r c 6 1 5 ，硬化层厚度4 i i l m ，滚到表面粗糙度肋为0 0 7 u m 。 在试验方面，浙江大学的李凌丰教授设计出能够提供重载试验条件的滚珠丝杠副试 验台，结合传感器可以测量滚珠丝杠副传动精度、温度、热位移、噪声等参数【3 1 。济宁 博特，针对滚珠丝杠副的定位精度、速度、加速度、温升、热位移等性能参数研制开发 了滚珠丝杠综合性能试验台1 6 ”。 综上述可以看出国外对滚珠丝杠的研究都以迸给系统的整体为对象研究滚珠丝杠 的综合性能，研究方法较为完善和可靠。而国内多以单一滚珠丝杠副为对象研究其个体 性能，难以获取其实际工作特性，而且试验手段和研究方法与国外相比较还有一定差距。 1 4 课题的科学意义及应用前景 上世纪中叶西方国家重工业迅速发展，钢铁冶金工业、航空航天、大中型军事装备、 大飞机大轮船、大型发电设备、第一代核电站等，催生了一批大( 重) 型数控机床及大j 型、重载滚珠丝杠副产品。 例如：早期英国c o v e n 衄公司研制的直径2 0 3 舳长1 8 3 m ( 内装5 0 0 个1 5 0 7 5 姗 钢球) 的重载滚珠丝杠副，能承受2 0 0 吨载荷，用于炼钢设备；直径1 0 2 姗长约1 1 m 用 于核电站的耐热大型滚珠丝杠副。美国b e a v e r 公司研制的直径1 2 7 衄长1 2 5 m 的产品， 则在大型雷达自动跟踪定位系统中大显身手。 早期的大型滚珠丝杠副直径大，承载滚珠数量多( 多列、多圈) ，多采用外插管循 环方式，整体结构大而笨重。制造技术方面受工艺装备限制，长丝杠在螺纹磨床上多采 用工件穿过主轴孔逐段接刀磨削的方式，或者采用分段制造在拼接至所需长度。螺纹的 旋风铣削工艺虽然早已应用，但基本上还属于低精度软铣水平，多用于粗加工和半精加 工。 进入2 1 世纪，中国装备制造业的重工业化出现了快速发展的态势，国内各大滚珠 丝杠生产厂商( 如：汉江机床有限公司、南京工艺、济宁博特) 通过自主研制或引进国 外先进的铣床都各自生产处8 m 以上的高精度大型滚珠丝杠副，具有国内领先水平。 目前，我国所使用的重载滚珠丝杆副主要是国外生产的，国外厂家掌握核心技术， 并拿走绝大部分的产品附加值，此外还带来售后服务难的问题。所以开发重载滚珠丝杠 副对于我国重工业发展有重要意义。 为了提高重载滚珠丝杠副的性能，在基于h e r t z 弹性接触应力理论下，滚动功能部 l 绪论 硕士论文 件在高负荷下运行时，其弹性接触应力非常大。为了减少在重载下弹性变形，增加运行 可靠性并延长工作寿命，应从产品结构、主要参数优化、驱动方式以及制造技术( 含材 料) 等方面对相关关键技术进行剖析。因此设计了重载滚珠丝杠性能试验台，从而为陕 西汉江机床有限公司产品改良打下基础，提高产品的市场竞争力。 1 5 本课题的主要研究内容 本课题主要是为重载滚珠丝杠副设计的性能跑合试验仪。由于在重载滚珠丝杠副在 使用过程中发现其使用寿命短、定位精度低、载荷大了之后钢球和滚道不耐磨损、反向 间隙过大。因此重载滚珠丝杠副模拟加载试验仪针对上述重载滚珠丝杠的缺陷对其进行 跑合测试。通过测量出的试验数据进一步分析性能，然后反馈给设计和加工部门进行优 化设计。本论文针对以上问题，所做工作的主要研究内容包括以下几方面： ( 1 ) 提出试验台的总体设计方案。包括：试验台功能分析、试验方案、控制方案、 测控系统设计方案。 ( 2 ) 对试验台进行结构设计，从便于重载滚珠丝杠安装和加载的角度出发，设计了 传动机构和加载装置；并针对关键受力部分使用有限元法分析床身应力和应变是否满足 床身的设计要求。 ( 3 ) 设计试验台电气设计，包括电机控制电路、伺服液压缸控制电路、信号采集电 路、紧急停止电路。 ( 4 ) 利用了v b 强大的开放性、支持对多种数据库系统的访问、动态链接库等优点开 发系统软件的存储模块、采集模块和控制模块。使用a c c e s s 数据库建立了试验数据存 储结构供v b 调用。 ( 5 ) 研究了自调节灰度预测f u z z y p i d 控制算法，同时还对伺服液压系统进行了数 学建模。结合s i m u l i i l k 中模糊工具箱模块对加载系统进行加载仿真。 ( 6 ) 采用了拟蒙特卡洛法对重载滚珠丝杠的疲劳寿命进行了可靠性分析。针对伪随 机序列点集不够均匀，采用伪随机序列来实现蒙特卡洛法。 1 6 本章小结 本章首先介绍重载滚珠丝杠副的用途及其国内和国外对其研究的现状，然后针对重 载滚珠丝杠副的缺陷阐述了研究的意义和应用前景，最后重载滚珠丝杠性能试验台提出 了本文的研究内容。 4 硕士论文 重载滚珠丝杠的模拟加载试验台设计及其试验分析 2 试验台总体方案设计 2 1 试验方案 重载滚珠丝杠在实际使用过程中，换向频繁、跑合时间长、承载轴向载荷大。因此 根据实际工况制定了试验方案。首先记录被测重载滚珠丝杠副的原始性能指标：摩擦力 矩、丝杠中径、钢球直径、反向间隙、螺母中径、是否点蚀。其次在试验仪上，通过设 置不同加载力，达到最大转速的时间、跑合次数、跑合组数后进行加载跑和。分别跑合 2 0 万次循环、4 0 万次循环、6 0 万次循环、8 0 万次循环和持续跑合到发生点蚀破坏为止。 记录每次跑合后的试验数据并且与原始数据对比。由工控机绘制相应的曲线，进行分析。 重载滚珠丝杠模拟加载试验台是以3 1 吨注塑机为参考的，满足试验测试所用滚珠 丝杠副的规格、尺寸结构、承载载荷能力、运动速度等要求。具体的技术参数如下： ( 1 ) 最大测量距离：4 5 0 姗； ( 2 ) 测量中径范围：由6 3 由1 0 0 i i u i l ； ( 3 ) 转速范围：0 1 5 0 转分； ( 4 ) 加载力：0 3 5 吨； 2 2 试验台测控系统分析 2 2 1 试验台功能分析 重载滚珠丝杠模拟加载试验台需要实现的功能有：( 1 ) 测试重载滚珠丝杠副的寿命、 传动精度、噪声、温升、加载能力，加速能力及摩擦力矩的丧失情况；( 2 ) 开发控制系 统软件，实现对实际工况的自动加载、自动调速、自动换向和自动采集并保存数据；( 3 ) 系统软件的操作界面能够实时的显示各参数的曲线，并且能够生成重载滚珠丝杠副跑合 的报表，可操作性强。 2 2 2 控制方案与加载方式 根据上述试验方案制定控制方案和加载方式，重载滚珠丝杠模拟加载试验台整体布 局图如图2 1 所示。其中，工控机通过控制系统和d a 输出卡分别驱动交流伺服电机和 液压加载系统。在试验台相应的位置上安装了直线光栅尺、温度传感器、噪声传感器， 通过数据采集卡把测得的数据送入工控机后并对其进行分析。 确定加载力的来源：根据生产全球第一台全电动注塑机的企业米拉科龙产品使 用重载滚珠丝杠的工况分析： a 型号：注塑压力2 4 9 4 p a ，螺杆直径4 0 m m 5 2 试验台总体设计方案 硕士论文 中 b 型号：注塑压力1 9 7 0 p a ，螺杆直径4 5 n m c 型号：注塑压力1 5 9 6 p a ，螺杆直径5 0 姗 得出相应的螺杆在注塑过程所需的轴向压力为：f = p a - p r 2 ，单位：n ( 式 图2 1 重载滚珠丝杠模拟加载试验台 f ：轴向压力，单位：n ；p ：轴向压强，单位：帕；a ：螺杆截面积，单位：i n 2 ；： 圆周率；r ：螺杆半径，单位：m ) 。 a 型号：3 1 3 4 吨 b 型号：3 1 3 3 吨 c 型号：3 1 3 3 吨 滚珠丝杠的传动效率按9 0 计算，则预期加载力为3 5 吨。 加载方案：在测试过程中，由交流伺服电机带动丝杠旋转螺母移动，同时液压系统 开始工作，将载荷加于丝杠螺母上。在螺母移动过程中，液压系统施加在螺母座上的压 力保持恒定。 2 2 3 测试系统设计 本试验台需要测试丝杠的跑合后的温升、摩擦力矩、反向间隙、加载力、转速。图 2 2 为测试系统原理图。 ( 1 ) 温升的测量：系统选用接触式温度传感器p t l 0 0 。温度传感器的输出电压经温度 变送器处理后由数据采集卡采集并送入工控机。 6 硕士论文 重载滚珠丝杠的模拟加载试验台设计及其试验分析 ( 2 ) 摩擦力矩的测量：系统采用的是西门子驱动器，控制模块的7 5 a 端子上可以输 出与电机扭矩对应的模拟量。电机扭矩包括减速机的摩擦力矩、直线导轨的摩擦力矩、 丝杠的摩擦力矩，即t 电机= t 糕机+ t 戡导机+ t 丝杠。经过大量跑合后发现减速机的摩擦力 矩和直线导轨的摩擦力矩趋于一个定值。因此丝杠的摩擦力矩t 丝杠= t 电机t 直线导轨t 糍机。 而电机扭矩的值可以直接在西门子的调试助手s i m o c o mu 读出来。多采集几组数据， 再用最小二乘法拟合出电流值与摩擦力矩之间的函数关系。 图2 2 测试系统原理图 ( 3 ) 反向间隙的测量：先记录下圆光栅的起点位置pl ，接着螺母座移动1 0 m m 距离 再返回起点，记录下此时圆光栅的位置口2 。则反向间隙公式为： s 一3 6 0 。2 0 x l 幺1 9 1 l u 2 0 4 8 5 0 式中艿为反向间隙，单位：n 1 1 1 1 ；5 0 为减速器的减速比；2 0 为丝杠导程，单位：m m ； 2 0 4 8 为编码器的刻线。 ( 4 ) 加载力的测量：系统采用的是力达测控有限公司m c c f ( 5 0 t ) 轮辐式承重传感器。 由于压力变送器的输出为l 5 v 的电压信号( 即1 v 1 2 5 t ) 。把采集到的电压信号乘 以1 2 5 便得到加载力。 ( 5 ) 转速的测量：用i l q 2 0 计数卡采集电机编码器输出的脉冲。则丝杠转速= 丝杠角 速度( 2 万) ，单位：平m 。丝杠角速度公式为： ：垒q 兰! q q q 兰：1 2 0 0 兰 = 一一= i z u u 一 5 0 ? 2 式中：】，为电机编码器输出的脉冲个数；r 为采集周期，单位：m s ；6 0 ：秒转换分的量 度；1 0 0 0 ：毫秒转换为秒的量度；5 0 ：减速比；：丝杠角速度，单位：r a d m i i l 。则丝 杠转速为： 国 刀= 一 2 x7 r 刀为转速，单位：r p m 。 7 2 试验台总体设计方案 硕士论文 ( 6 ) 噪声测量：系统选用台湾泰仕t e s 1 3 5 3 型精密噪声器，使用数据采集卡采集其 输出电压。 2 3 本章小结 本章主要介绍了试验台的功能、控制方案和加载方式。制定了试验方案，讨论了如 何测试丝杠跑合后的温升、摩擦力矩、反向间隙、加载力、转速。 8 硕士论文 重载滚珠丝杠的模拟加载试验台设计及其试验分析 3 试验台结构设计与分析 3 1 试验台床身设计 试验台床身部分主要用于承载伺服液压缸、伺服电机、直线导轨和丝杠和布置传感 器，其作用是保证测量过程中工作台的移动和加载压力。主要由床身、液压缸支座、压 力计支座、螺母支座、联轴器和电机支座等部分组成。试验仪床身部分示意图如图2 3 所示。 床身是试验仪的重要组成部分，要保证在测量过程中能够承载3 5 t 的加载力并且加 载压力后床身的变形小。液压缸支座、轴承支座和电机支座通过螺栓联接在床身上，这 三个支座的轴心要保证同心。以防液压杆作用在螺母支座上会产生弯矩。螺母支座安装 在直线导轨上，保证能够流畅的滑动无卡滞现象。 床身采用铸铁铸造而成，其内部采用网格结构既减轻了床身的重量有增加床身的结 构的强度【9 j ( 如图2 4 所示) 。使用s o l i d w b r k s 软件对试验仪床身进行三维建模，将关键 受力部分的模型导入a n s y sw | o r k b e l l c h 分析软件【1 9 】( 如图2 5 所示) ，分别在轴承支座 和液压缸支座添加载荷f l ，f 2 。应力分析结果如图2 6 所示。 图2 3 试验仪床身部分示意图 3 试验台结构设计与分析 硕士论文 图2 4 床身网格结构图 1 0 0 加0a 鲫 图2 5a n s y sw b r k b e n c h 界面 o 嘲os l 0h ) 图2 6a n s y sw b r k b e n c h 界面 通过a n s y sw 6 r k b e n c h 分析得出最大应力出现在a 处、b 处( 如图2 6 所示) ，灰 铸铁的许用应力 - 【 - 1 0 0 m p a ，而最大应力- 【m a x = 4 5 m p a ，- 【m a x 0 ) ，其模 糊论域栌 - 吩，吩】( 吩 o ) 。则乃到m 得变换系数磅为量化因子：铲吩而1 ，编程时， 而l 为设定的加载力。本试验台的模拟加载力的范围为 0 ，2 0 】( 吨) ，所以加载力的输出误 差的物理论域e ： - 2 0 ，2 0 ( 吨) ，设定其模糊论域栌 一1 ，1 】，则量化因子匆= 【l 2 0 ，1 】。 ( 2 ) 比例因子的选取 经过近似推理得出的是p i d 三个参数的模糊量，这三个模糊量不能直接作为p i d 的 比例、微分、积分系数参与运算。因此需要把模糊论域的比例、微分、积分三个参数变 换到p i d 三个参数的实际论域上。 然而工控机不能通过d a 转换板卡把p i d 输出的控制量直接输入到伺服液压系统， 需要经过清晰化模块的处理变成清晰的电流控制量之后才能驱动液压伺服系统。因此需 要找出压力与电流之间的函数关系。 在实际编程时，a d 采集的是压力传感器的电压信号，其电压与压力的对应关系如 6 自调节灰度预测f u z 巧- p i d 控制 硕士论文 表6 2 所示。采用最小二乘法拟合把下表数据拟合成2 次得出其方程： 尸0 1 1 9 + 1 2 1 7 0 3 驴1 0 2 7 8 4 ( 6 2 3 ) 式中y 为压力值，单位：吨；x 为采集电压值，单位：v 。拟合的曲线与原曲线的对比 如图6 1 3 所示。 表6 2 采集电压与压力值对应表 么 吼合户线 7 石 必 矿矿? 原曲线 r 使用自调节灰度预测f u z 妒p i d 算法时，其被调量和输出量都是针对具体的压力值， 而控制量为电流值( 采用p c i 1 7 2 0 的输出电流控制伺服液压阀) 。电流与压力值的对应 关系如表6 3 所示。采用最小二乘法把表6 2 的数据拟合成2 次得出其方程： 户0 1 1 9 f 2 + 1 2 1 7 0 3 f 1 0 2 7 8 4 ( 6 2 4 ) 式中，厂为压力值，单位：吨；f 为电流值，单位：i n a 。 硕士论文重载滚珠丝杠的模拟加载试验台设计及其试验分析 表6 3 输出电流与压力值对应表 ( 3 ) 模糊化 压力模糊控制器采用压力单变量调节方法。设偏差p 的语言变量为e ，其相应模糊 子集为彳f ( f - 1 ，2 ，7 ) ，论域为卫划分为7 个等级，即弘 1 ，0 6 6 ，0 3 3 ，0 ，0 3 3 ，o 6 6 ，l ， 模糊子集彳，的7 个语言取值为 胎，肼，粥，z d ，胳，m m ，凇 ，给出的相应的