滚珠丝杠副静刚度试验台测控系统设计*

杨 蕾，王禹林，韩 军，冯虎田

（南京理工大学机械工程学院，南京 210094）

滚珠丝杠副静刚度试验台测控系统设计*

杨 蕾，王禹林，韩 军，冯虎田

（南京理工大学机械工程学院，南京 210094）

针对滚珠丝杠副轴向静刚度及静载荷试验台设计了一套专用测控系统，阐述了其硬件环境，包括加载控制系统，数据采集系统，并提出了控制软件的设计方案，并对此测控系统的可行性进行了试验验证。试验结果表明，该测控系统具有测量和控制精度高、运行稳定可靠、操作方便等特点。该设计方案为滚珠丝杠副静刚度的测量提供了软硬件基础。

滚珠丝杠副；静刚度；测控系统；软件设计

0　引言

滚珠丝杠副作为数控机床进给系统的关键部件，其各项性能，尤其是轴向静刚度将直接影响到数控机床的定位精度和重复定位精度［1］。为提高滚珠丝杠副轴向静刚度除了致力于滚珠丝杠的加工工艺外，静刚度测量手段的更新换代也被放在了重要位置。目前国内已有部分学者对滚珠丝杠副轴向静刚度的试验装置进行了研究。然而，采用液压系统进行滚珠丝杠副的轴向加载［2-3］的最大轴向负荷较小，加载系统复杂，成本较高，技术手段不成熟；利用专用夹具进行滚珠丝杠副轴向的拉力测试［4-5］的可测量直径系列少，通用性较低，加载时只能拉伸不能施压，形式单一。针对此状况，笔者实验室开发出了拉压兼顾的高精度、高载荷、高通用性、多测量位置的试验机-滚珠丝杠副轴向静刚度及静载荷试验台［6］。现根据此试验台测量原理设计了一套测控系统，并运用此系统进行了多次试验，效果良好。下面分别从软件和硬件两方面阐述设计思路。

1　测量装置

滚珠丝杠副轴向静刚度及静载荷试验台采用双丝杠立式加载，固定被测螺母，施压被测丝杠，并通过一次调装完成被测滚珠丝杠副拉压方向轴向静刚度测量，最大加载力为600kN［7］。具体结构如图1所示。

图1　滚珠丝杠副轴向静刚度试验台

此测量装置包括加载组件、防转组件、测量组件以及支撑组件等，测量组件包括力传感器和位移传感器。根据滚珠丝杠副轴向静刚度试验规范所述，位移传感器的量程应不小于4mm，分辨率不低于0.2μm，线性不低于0.1%FS；力传感器的量程应大于额定动载荷的30%，精度不低于0.3‰，测量范围应大于2%～100%FS。所以特选用日本MAT轮辐式测力传感器TRLF，其非线性度为0.03%，量程为10t，其可将压力线性转换为微弱的电压信号，后面连接线性度为0.02%的日本MAT高精度放大器MAT-528，最终输出电压为0～10V DC；而微位移传感器采用的是瑞士PRETEC公司的pretec2940N的笔式传感器，其量程为4mm，轴向微位移测量精度是0.2mm。其中，力传感器安装在试验台的移动横梁上，试验台通过横梁带动传感器上下移动实现加载力的测量。位移传感器通过磁性表座安装在台面板上，在被测丝杠轴端光轴部分安装有测量环，在其关于轴线对称的位置布置了2个位移传感器作为位移测量点，最终位移值取两位移值的平均值，以提高测量精度。

2　测控系统硬件的设计

试验台的测控系统的设计要求结构规范，功能完善，抗干扰能力强。为满足设计要求采用工业控制计算机为核心，配以固高运动控制器、加载电机、电机驱动器等构成的控制加载装置；IMBus采集模块、PCI-1716L数据采集卡等数据采集处理装置。

整个系统的测量原理是：由工控机控制软件发送运动控制指令给运动控制卡，运动控制卡接收到运动指令后向驱动器发送方向和脉冲信号，控制电机的转速和正反转。伺服电机的输出轴通过由行星减速机、无间隙圆弧同步带组成的高效减速机构，经过减速后带动加载丝杠转动，实现移动横梁的上下移动，完成力的加载。硬件控制原理图如图2所示。

图2　硬件系统控制原理图

2.1控制加载装置的设计

考虑到滚珠丝杠副轴向静刚度试验台的技术要求，并考虑各种型号的丝杠的预紧力情况，通过电机选型的理论计算，选用三菱交流伺服电机（MDME202GCG）和伺服驱动器（MEDHT7364E）。

固高运动控制器采用高速DSP指令连续取数，而DSP指令的执行时间是纳秒级，因而可以认为试验台的响应性能、运动速度、加速度具有实时性［8］。高频率，大量的数据采集，采样时间短，这样能保证实时采集到大量样本进行运算分析。

运动控制器与电机工作于脉冲/方向信号模式，控制器通过对电机驱动器的控制实现对电机的控制（连接图见图3），控制器的管脚9和22与驱动器的管脚5和6连接，输入的是差动的运动方向控制信号，其中高电平是控制电机正转，低电平是反转；控制器的管脚23和11与驱动器的管脚3和4连接，输入的是差动脉冲控制信号，脉冲的频率决定电机转动速度的大小。

图3　运动控制器与驱动器连接图

2.2采集处理模块的设计

微位移的采集是使用的是瑞士PRETEC公司的IMBus采集模块，它有多个数据通道可以将两个位移传感器的数值分别采集出来，然后通过USB接口与工控机连接。

对样件进行轴向应力加载时，加载力要求按一定的比例连续或断续加载，位移传感器能实时测量位移的变化。所以数据采集系统应满足两个要求：一是高速型，用来保证采样和数据传输的实时性；二是大容量，高速数据采集必然带来巨大的数据流量，大容量是为解决采样数据的存储问题。试验台采用的研华公司推出的PCI-1716L数据采集卡具有16位的A/D转换器，1K的FIFO缓冲器，能够达到250ks/s的采样速率［9］。它可以提供16路单端模拟量输入或8路差分模拟量输入，可以单一使用也可以组合输入。它带有2个16位D/A输出通道、16路数字量输入/输出通道和一个10MHz的16位计数器通道，可以满足高速和大容量的要求。以PCI-1716L为硬件平台，通过32位33MHz的PCI总线与工控机相连，利用工控机的大内存作为采样数据的海量缓冲存储器，借助研华32位DLL驱动程序提供的接口。采用VB 6.0高级语言编程，实现对PCI-1716L和IMBus的硬件控制，完成数据高速采集传输及存储，构建高速数据采集系统。

3　控制系统软件设计

本测控系统的软件主要实现机械传动试验台的测试和试验台的控制工作，要求功能完善、操作简单、适应试验现场、人机接口良好和运行稳定可靠；包括测控软件的交互界面和功能布局、实现作用力和接触变形采样数据的实时显示和保存、历史数据的调用、自动生成检测报告以及打印功能等。软件的主控程序要统一协调、控制和调用各个窗体、模块和函数等，完成测控系统中I/O设备的管理与控制。它要求能反映现场的真实情况，所以在主界面我们利用Lable、TextBox等控件实时显示文本数据，利用aplot控件来显示现场实时数据的动画。操作界面如图4所示。

图4　操作界面

主程序的表单中添加了Timer控件，以20ms为一个采样周期对数据进行采集，将采集到的信号首先剔去较大毛刺，然后每25个电压信号取均值，将得到的电压通过公式计算转换成力值。为获取准确的位移值，将此载荷保持5s，然后读取位移值，最后将位移与力的值显示在aplot控件上，以最小二乘法获取拟合直线，y=ax+b，其中

由此得出刚度，最后将实验数据在数据库中储存起来，用data report控件做成报表，以备之后查找或分析使用.整个程序分为七大块（流程图见图5），各模块的主要功能如下：

图5　软件控制流程图

（1）控制功能：可实现连续加载、阶梯加载控制；可在未做试验时进行多种速度切换，以准确合理的调节试验前或更换工装时的衡量位置同时节约时间。

（2）监控报警功能：对加载力进行实时监测，预防超过预设最大载荷损坏工装，造成危险。

（3）参数设置功能：根据丝杠型号的不同，对丝杠的导程、螺旋角、公称直径、有效螺纹圈数等各个参数实现手动，半自动或全自动的更改。

（4）显示功能：根据测量要求以趋势曲线、数据等多种形式显示示值。

（5）绘图功能：可绘制载荷与时间曲线、两位移传感器变形与时间曲线、载荷与变形曲线。

（6）打印功能：根据要求可进行历史数据打印、实时数据打印、曲线打印。

（7）数据库管理功能：包括试验基本信息数据库、参数设置数据库、试验信息数据库、综合数据库。

4　试验验证

为验证本实验台测控系统的可行性，现通过试验台对型号为FYND-4010-6的内循环双螺母滚珠丝杠副进行刚度试验，其具体参数公称直径为40mm，导程是10mm，有效滚珠圈数为6圈，螺旋升角为4.33。，试验的试验力范围是滚珠丝杠副额定动载荷的1%～30%。

在本次试验中，滚珠丝杠副轴向静刚度试验台测控系统正常工作，成功的对压力和位移采样，且示值稳定。测控系统记录的加载和卸载两个过程的载荷与变形信息如图6所示，其中卸载时轴向静刚度为3.4 kN/μm，加载时轴向静刚度为3.2 kN/μm。由于变形恢复有些延迟，所以卸载时比加载时刚度略高，但总体可以看出加载和卸载时静刚度的重复度很高。因刚度测量在弹性变形阶段，所以力与变形是线性，图示所示直线即为刚度拟合直线。

图6　载荷与变形曲线图

5　结束语

基于滚珠丝杠副轴向静刚度及额定静载荷试验台开发出的测控系统，从硬件选型和软件控制两方面着手，考虑各方面影响因素，结合适当地数据处理算法，以提高刚度的准确性和精度。最终的试验结果表明，该测控系统能很好的对数据进行采集以及将准确刚度值反映给操作者，证明了该测控方法设计的可行性。

［1］许向荣，宋现春，姜洪奎，等.提高数控机床滚珠丝杠进给系统机械刚度的措施［J］.组合机床与自动化加工技术，2008（8）：1-4.

［2］张玉清.滚珠丝杠副刚度及其对定位精度的影响［D］.济南：山东建筑大学，2009.

［3］张玉清，李玉凤，宋现春，等.基于sTc89c52单片机的滚珠丝杠副刚度检测系统［J］.山东建筑大学学报，2009，24（2）：1ll-114.

［4］陈晶晶.滚珠丝杠副性能测试平台及轴向静刚度的研究［D］.南京：东南大学，2010.

［5］李东君.滚珠丝杠副轴向静刚度测试方案研究［J］.机床与液压，2011，39（10）：112-114.

［6］徐凤翔，王禹林，冯虎田.滚珠丝杠副轴向静刚度立卧监测方案对比分析［J］.制造技术与机床，2013.

［7］徐凤翔.滚珠丝杠副轴向静刚度理论分析及试验平台开发研究［D］.南京：南京理工大学，2014.

［8］蒋仕龙，张清平.高速滚珠丝杠副试验台控制系统的研制［J］.伺服控制，2005（11）：66-69.

［9］叶果，李威，王禹桥，等.基于PCL-1716高速数据采集系统设计［J］.微计算机信息，2009，25（2-1）：86-87.

（编辑 赵蓉）

Design of Control System of Ball Screw

YANG Lei，WANG Yu-lin，HAN Jun，FENG Hu-tian
（School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China）

This paper introduces a dedicated control system to the static rigidity and the dynamic load rating of ball screwwhich includes the load control system and data acquisition system（DAS）， exponents its hardware environment.The testing programwas also proposed，in addition，a test was conducted to verify the feasibility of the testing program.Results indicated that the control system has high measurement and control accuracy，steady and reliable operation，and easy operation.This testing programprovides a good software and hardware base for the measurement of the static rigidityof ball screw.

ball screw；static rigidity；control system；software design

TH166；TG659

A

1001-2265（2015）02-0128-03 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.02.036

2014-05-05；

2014-05-31

国家科技重大专项（2012ZX04002021）

杨蕾（1989—），女，山东德州人，南京理工大学硕士研究生，主要从事滚珠丝杠副轴向静刚度及静载荷的研究，（E-mail）yanglei1413@ 126.com；通讯作者：王禹林（1981—），男，南京人，南京理工大学教师，研究方向为螺纹加工，精密测控技术，（E-mail）wyl-sjtu@126. com。