[发明专利]一种具有自感知功能的滚珠丝杠副预紧力测控系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于滚珠丝杠副预紧力自动测控的技术领域，尤其涉及一种具有自感知功能的滚珠丝杠副预紧力测控系统及方法。

背景技术

装备制造业水平主要看机床，高性能的数控机床需要与之相匹配的高性能进给系统。滚珠丝杠副是数控机床进给系统的关键结合部，滚珠丝杠副间隙直接影响到数控机床实际运行精度与加工质量，然而，由于制造和装配的误差，滚珠丝杠副总存在间隙，同时滚珠丝杠在轴向载荷的作用下，滚珠和螺纹滚道接触部位会产生弹性变形，滚珠丝杠与螺母间隙的大小会直接影响到数控机床实际加工的精度，为此，应尽量设法予以消除或减小。

在数控机床装配中，广泛采用预紧力消除滚珠丝杠传动的间隙。预紧力的施加可以减少螺母组件内滚动体与滚道的轴向间隙、增加进给系统轴向刚度，减少使用中的振动及增加滚珠丝杠副的机械效率，十分重要。现在使用的预紧方法分为传统的预紧方法和现代的预紧方法。

传统的预紧方法常采用双螺母预紧，把弹性变形量控制在最小限度内，常用的双螺母消除轴向间隙的预紧结构型式主要有：双螺母垫片调隙式、双螺母螺纹调隙式和双螺母齿差调隙式三种；双螺母垫片调隙式通常采用在滚珠丝杠副的两个螺母之间加垫片，调整垫片的厚度使螺母产生轴向位移，以达到消除间隙和产生预紧力的目的，改变垫片的厚度可使双螺母获得不同的预紧力，其特点是结构简单，刚性高，预紧可靠及不易松弛，但是使用中不便随时调整预紧力；双螺母螺纹调隙式利用一个螺母上的外螺纹，通过圆螺母调整两个螺母的相对轴向位置实现预紧，调整好后用另一个圆螺母锁紧，其特点是预紧力调整方便，使用中可随时调整，但是不能定量微调螺母，轴向尺寸长；双螺母齿差调隙式在两个螺母的凸缘上各制有圆柱齿轮，两者齿数相差一个齿，并装入内齿圈中，内齿圈用螺钉或定位销固定在套筒上，调整时，先取下两端的内齿圈，当两个滚珠螺母相对于套筒同方向转动相同齿数时，一个滚珠螺母对另一个滚珠螺母产生相对位移，从而使滚珠螺母相对于滚珠丝杠的螺旋滚道相对移动，达到消除间隙并施加预紧力的目的，其特点是可实现精密微调，预紧可靠不会松弛，调整预紧力方便，但加工和装配工艺复杂。

现代的预紧方法主要有电磁铁动态控制预紧和压电陶瓷致动器预紧；电磁铁动态控制滚珠丝杠预紧力的机构，通过控制输入电磁铁线圈中的电流来控制电磁铁和磁介质之间的磁力，实现对滚珠丝杠上的预紧力的控制，但是常因为缺乏足够大磁力的小尺寸磁铁，从而造成周围组件易被磁化，易产生涡流；压电陶瓷致动器调整滚珠丝杠预紧力的机构，输出力和位移相对较小，且层叠结构使其在受外力影响时产生漂移。

针对上述分析，传统的滚珠丝杠预紧方式无法实现预紧力的动态测量和控制，预紧力的大小在产品装配时调整到一固定值，在工作过程中不能随外部负载的变化而实时调整，也不能精确地补偿因磨损和发热变形引起的传动副间隙变化，不能满足高精度、稳定的机械传动要求；现代的预紧方式虽然实现了预紧力的动态调整，但是使用过程中受到各种条件限制，不能被广泛推广应用。随着数控机床、加工中心向高速、高精、高效方向不断发展，对滚珠丝杠副预紧技术提出了越来越高的要求。

中国专利文献CN204512340U公开了一种预紧力可控的双螺母滚珠丝杠副，包括丝杠和两个丝杠螺母，两个丝杠螺母均连接在丝杠上，其中一个丝杠螺母上设置有预紧螺母，另一个丝杠螺母与预紧螺母之间连接有沿周向均匀分布的超磁致伸缩致动器，每一个超磁致伸缩致动器的一端设置一个力传感器。预紧螺母用于设置双螺母滚珠丝杠副的初始预紧力，该预紧力的大小限定在负载的三分之一。该双螺母滚珠丝杠副采用超磁致伸缩棒的伸缩来增大或减小丝杠和两个螺母之间的预紧力，实现了滚珠丝杠自动预紧，安全可靠，提高了滚珠丝杠副传动的精度保持性和可靠性。该预紧力可控的双螺母滚珠丝杠副虽然能实现滚珠丝杠副预紧力的自动调整，但是并不能实现预紧力的自感知，超磁致伸缩致动器与螺母之间设置的力传感器增加了安装与设计的复杂性。