一种滚珠丝杠弯曲挠度检测装置及其检测方法与流程

本发明涉及滚珠丝杠测试装置及方法，具体的说，是涉及一种滚珠丝杠弯曲挠度检测装置及其检测方法。

背景技术：

现在进入21世纪，现代机床日益向着自动化、高速化、精密化、柔性化、智能化的发展(张伯霖.加工中心的高速化及其应用[J].世界制造技术与装备市场,2002,01:35-39+8.)。精密化作为机床的重要发展方向之一，不仅影响机床本身的性能也影响着加工件的质量。滚珠丝杠作为数控机床的主要传动件之一，其传动精度直接影响着机床的精度。如图1所示，丝杠在制造、安装和工作过程中存在误差，致使滚珠丝杠产生弯曲挠度，实际轴线与理想轴线不重合，横截面形心沿与轴线垂直方向产生线位移。由于滚珠丝杠工作方式的的特殊性，难以直接用精密的测量仪器检测其工作过程中的挠度，且目前测量滚珠丝杠弯曲挠度的装置较少。所以，开发一种间接检测丝杠挠度变化的装置是非常有必要的。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种滚珠丝杠弯曲挠度检测装置及其检测方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种滚珠丝杠弯曲挠度检测装置，包括通过螺栓和丝杠螺母相连的第一卡盘和第二卡盘，第一卡盘和第二卡盘中部相对应的设有用于穿设滚珠丝杠的连接孔，所述第一卡盘上设有矩形卡槽，所述第二卡盘上设有与所述矩形卡槽相契合的矩形卡齿，所述连接孔的周围等间距的环绕设置有四个测试孔，所述测试孔内固定有用于检测滚珠丝杠弯曲挠度的应力测试柱。

所述应力测试柱上设有四个用于黏贴应变片的矩形平面，矩形平面边缘设置有用于固定应变片连接线的凸出槽。

所述矩形平面的尺寸为18mm×10mm。

所述第一卡盘和第二卡盘的直径为100mm。

检测装置的厚度为42mm。

所述一种滚珠丝杠弯曲挠度检测装置的检测方法，包括以下步骤：

(1)四个应力测试柱分别为第一应力测试柱、第二应力测试柱、第三应力测试柱和第四应力测试柱，其中第一应力测试柱和第三应力测试柱布置在Y方向上，第二应力测试柱和第四应力测试柱布置在X方向上，应力测试柱上、下表面的应变片的应变反映滚珠丝杠在Y方向上的弯曲挠度，应力测试柱的左、右表面应变片的应变反映滚珠丝杠在X方向上的弯曲挠度；

(2)四个应力测试柱上的应变片布置为全桥形式，当四个应力测试柱全接应变片时称为全桥；此时电桥的输出电压是单桥输出电压的4倍，灵敏度也是单桥的4倍；

(3)Y向的丝杠弯曲挠度通过第一应力测试柱和第三应力测试柱的上下表面应变值计算，X向的丝杠弯曲挠度通过第二应力测试柱和第四应力测试柱的左右表面应变值计算。

步骤(2)应力测试柱中采用电路补偿法来补偿环境温度对应变片阻值变化带来的影响，并在全桥形式下的应变片上贴有温度补偿片，用于消除由于温度变化带来的应变。

步骤(3)中假设丝杠向上发生弯曲，应力测试柱长度为L，应力测试柱之间的距离为L1，丝杠上方应力测试柱的应变为ε₁，丝杠下方应力测试柱的应变为ε₂，温度补偿片的应变为Δε，则丝杠的弯曲挠度计算过程如下：

ΔL1＝L(ε₁-Δε) (3-1)

ΔL2＝L(ε₂-Δε) (3-2)

式中CD即为所求的滚珠丝杠弯曲挠度。

在测得X方向和Y方向的应变之后，可利用勾股定理计算出丝杠发生的综合应变及方向，设丝杠在X方向发生的变形为Δx在Y方向发生的变形为Δy，则丝杠的综合变形为：

与X方向夹角为：

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

本发明中的检测装置利用装卡在卡盘上的四个应力测试柱的变形间接计算出滚珠丝杠的变形，应力测试柱的变形通过柱体上粘贴的全桥应变片来测量出来，检测装置的软件系统通过对应变片的变形数据处理，可实时评价出滚珠丝杠的弯曲挠度值。该发明不仅能够实时反应滚珠丝杠的弯曲挠度，还能节约大量的成本，且测量结果具有高度的真实性。

附图说明

图1是滚珠丝杠弯曲的二维示意图。

图2是本发明装置的三维结构示意图。

图3a和图3b分别是本发明装置具体实施例的二维及其剖视结构示意图。

图4a、4b和4c分别是具体实施例中第一卡盘的三维、二维及其剖视结构示意图。

图5a、5b和5c分别是具体实施例中第二卡盘的三维、二维及其剖视结构示意图。

图6a、6b和6c分别是具体实施例中应力测试柱的三维、二维及其剖视结构示意图。

图7是应力测试柱的安装位置示意图。

图8是应力片的全桥贴片示意图。

图9a和图9b均是丝杠弯曲挠度计算示意图。

图10滚珠丝杠弯曲挠度检测流程图。

图11滚珠丝杠弯曲挠度检测装置软件系统界面图。

附图标记：1-第一卡盘，2-第二卡盘，3-紧固螺栓，4-应力测试柱，5-连接孔，6-矩形卡槽，7-测试孔，8-紧固螺栓，9-矩形卡齿

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述：

如图2所示，一种滚珠丝杠弯曲挠度检测装置，包括第一卡盘1和第二卡盘2，第一卡盘1和第二卡盘2通过紧固螺栓3与丝杠螺母副相连，第一卡盘1和第二卡盘2中部相对应的设有用于穿设滚珠丝杠的连接孔5，第一卡盘1上设有矩形卡槽6，第二卡盘上设有与矩形卡槽6相契合的矩形卡齿9，连接孔5的周围等间距的环绕设置有四个测试孔7，测试孔7内固定有用于检测滚珠丝杠弯曲挠度的应力测试柱4。应力测试柱上设有四个用于黏贴应变片的矩形平面，四个矩形平面中两个平面平行于XZ平面，同时另外两个平面平行于YZ平面。

如图3a和图3b所示，本实施例中滚珠丝杠弯曲挠度检测装置外形尺寸为φ100mm×42mm，将应力测试柱4固定在测试孔7上，矩形卡槽6和矩形卡齿9想接合形成矩形爪盘，防止应力测试柱在丝杠进给过程中产生扭转变形。应力测试柱4中间铣出四个18mm×10mm的矩形平面用于粘贴应变片，矩形平面边缘设置四个固定应变片连接线的凸出槽，以至于在丝杠运动过程中应变片的连接线不受到影响。

图4a是本实施例中第一卡盘的三维结构示意图，图4b和4c分别是其二维结构示意图和剖视结构示意图，并附有具体尺寸。

图5a是本实施例中第二卡盘的三维结构示意图，图5b和5c分别是其二维结构示意图和剖视结构示意图，并附有具体尺寸。

图6a是本实施例中应力测试柱的三维结构示意图，图6b和6c分别是其二维结构示意图和剖视结构示意图，并附有具体尺寸。

如图7所示，滚珠丝杠弯曲挠度检测装置在卡盘位置处布置四个应力测试柱，其中第一、第三应力测试柱布置在Y向上，第二、第四应力测试柱布置在X向。应力测试柱的上、下表面的应变片的应变主要反映滚珠丝杠在Y方向上的弯曲挠度，测试柱的左、右表面的应变片的应变主要反映滚珠丝杠在X方向上的弯曲挠度。

本发明检测装置四个应力测试柱应变片的粘贴方式布置为全桥形式，其布局如图8所示。当四个桥臂全接应变片时称为全桥，其中R₁＝R₂＝R₃＝R₄＝R，都是工作臂ΔR₁＝ΔR₃＝ΔR,ΔR₂＝ΔR₄＝-ΔR,ΔU＝4[0.25U₀(ΔR/R)]

此时电桥的输出电压是单桥输出电压的4倍，灵敏度也是单桥的4倍。采用全桥的应变片粘贴方式可以测量应力测试柱的微小变形，使测量结果更精确。该装置中所选用的应变片型号为BX120-3AA，其性能参数如表1所示：

表1 BX120-3AA应变片性能参数

该装置的应变采集系统选用通过东华DH3817F-NET动静态应变测试仪。测试仪分辨率为0.1个应变。测试仪使用时可根据需求选择采样速率为1、2、5、10(次/秒)，且零漂为3με/2h。

Y向的丝杠弯曲挠度通过第一、第三应力测试柱的上下表面应变值来计算，X向的丝杠弯曲挠度通过第二、第四测试柱的左右表面应变值来计算。假设丝杠向上发生弯曲，其计算方式为：如图9a和图9b所示，已知：丝杠应力测试柱长度为L，两应力测试柱之间的距离为L1，丝杠上方应力测试柱的应变为ε₁，丝杠下方应力测试柱的应变为ε₂，温度补偿片的应变为Δε，则丝杠的弯曲挠度计算过程如下：

ΔL1＝Lε₁ (3-1)

ΔL2＝Lε₂ (3-2)

式中CD即为所求的丝杠弯曲挠度。Y向向下弯曲变形以及X向的弯曲变形计算方式和上述计算方式相同。

在测得X方向和Y方向的应变之后，可利用勾股定理计算出丝杠发生的综合应变及方向。设丝杠在X方向发生的变形为Δx在Y方向发生的变形为Δy，则丝杠的综合变形为：

与X方向夹角为：

滚珠丝杠弯曲挠度检测装置软件系统开发：

根据图10滚珠丝杠弯曲挠度测试流程所示，需要开发一套完整的滚珠丝杠弯曲挠度检测装置软件系统必须能实现数据读入功能、方向选择功能、测试点筛选功能、弯曲变形量计算功能、弯曲图形绘制功能、弯曲量最大、最小值及弯曲度显示功能并且拥有良好的用户操作界面。

所以具体实施过程中开发出了一款符合上述要求的滚珠丝杠弯曲挠度测试系统软件，用户界面如图11所示。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。