滚珠丝杠副测试技术及装备研究如何了？

一、性能检测

早在1963 年, 日本濑善三郎用砝码和弹簧吊秤来测量滚珠丝杠副起动时的摩擦力矩,进行了载荷、滚珠滚道面、滚珠直径、润滑剂及导槽等因素对摩擦力矩影响的研究。20 世纪70 年代出现了动态摩擦力矩测量系统。20 世纪80 年代中期, 美国“WARNER-BEAVER”公司将微机引入摩擦力矩动态测量系统进行数据处理, 摩擦力矩测量系统逐渐成为滚珠丝杠副质量控制、监测以及性能研究不可或缺的测量仪器。日本长冈技术大学学者五十岚昭南和德长靖就滚珠丝杠副噪声问题发表了5 个研究报告, 以外循环管式滚珠丝杠副为研究对象,试验研究了滚珠丝杠副噪声特性和几种典型噪声产生的原因, 采用局部覆盖法辨别了钢球与导珠管的冲击噪声, 研究波纹度频谱与噪声频谱对应关系。海德汉公司滚珠丝杠副研究报告从进给系统结构、进给系统刚度、滚珠丝杠轴承和滚珠丝杠全长上温度分布几个方面研究了滚珠丝杠系统定位精度。日本长冈技术大学Euevarra Domini. s 等研制了滚珠丝杠跑合机, 通过在线监测摩擦力矩变化控制跑合过程, 使滚珠丝杠副力矩更平稳。英国浦项工学Kims. K等利用有限元分析方法研究了滚珠丝杠副在不同转速和停止间隔下二维热场分布, 并利用实际测量结果验证分析模型。日本学者Ka. Jir. 等测量滚珠丝杠副温升, 利用测量结果计算热传导并根据测量结果和热传导理论分析了丝杠副热分布情况。

国内主要滚珠丝杠副生产和研究单位, 如汉江机床、南京工艺、山东博特、大连高金、南京理工大学、北京机床研究所以及北京霹西等不断研究和开发新型丝杠测试设备。针对滚珠丝杠副性能检测, 目前行业各厂家主要围绕摩擦力(矩) 进行测量来研究滚珠丝杠副及直线导轨副的相关性能。为了对滚珠丝杠副进行高速性能试验, 北京机床研究所专门研制成功了GSZ2000 高速滚珠丝杠副综合测试装置, 用于测量滚珠丝杠副在高速时的性能(定位精度、噪声和温升)。南京理工大学与汉江机床联合开发了高速滚珠丝杠测试台及摩擦力矩试验台, 能进行丝杠副负载状态下的加速度、速度、定位精度以及滚珠丝杠热伸长的在线实时测量。目前国内在滚珠丝杠副摩擦力矩影响因素和波动原因、合理润滑参数以及高速下噪声理论方面还需深入研究。高档数控机床主机厂应用国产滚动功能部件遇到的一个主要问题就是综合性能的不稳定性。因此, 为高档数控机床主机提供高性能及稳定性的滚动功能部件产品是主攻方向之一。为此, 需要从单一性能检测发展为综合性能全方位检测, 性能指标主要包括: 预紧力、摩擦力矩、静动载荷、临界转数、能运行的最大速度和最大加速度, 达到最大运行速度时的噪声、振动, 温升及温位移等。

我国精密高速滚珠丝杠起步较晚, 面对国际大市场的竞争, 产品要创新, 工艺水平要提高, 产品质量更要过硬。滚珠丝杠副的制造企业要迅速改变只注意产品产量、产值, 不重视新产品的性能试验研究的局面, 不但要对高速滚珠丝杠副的定位精度、噪声、温升、加(减) 速度及动态刚度等进行试验研究, 更要大力开展可靠性的试验研究, 解决占领市场的关键一环。滚珠丝杠副的功能从最初的“敏捷省能传动” 到“精密定位”, 再从“大导程高速驱动” 到“精密高速型”, 是产品升级换代所带来的质的飞跃。在线性伺服高速驱动领域中, 当对性能价格比、切削加工时间与空行程时间的比例、加减速出现的频率等进行综合分析后, 考虑到节能和环保, 人们更加关注精密高速滚珠丝杠副的发展。

二、测量拓展

国外Harada Hiroyuki 等对滚珠丝杠滚道型面弧线的成形过程和方法进行了分析, 提出了用六球法对滚珠丝杠尺寸参数和滚道形状误差进行动态测量和实时分析的方法。IshimatsuJun 等提出了基于非接触式光学测量传感器和三线法的滚珠丝杠有效直径误差动态检测方法, 并研制成专用仪器进行了基础实验。对国外已报道的这些相关研究成果进行分析可知:在滚珠丝杠副滚道型面检测方面, 国外学者所提出的方法大多能针对滚道型面误差中的多项指标进行检测, 具有一定综合性。

CastoreGlen M 等提出了一个精密机械系统带动激光传感器检测螺纹型面的方法, 分析数字图像推导螺纹几何参数, 这个螺纹测量系统可以安装在螺纹加工设备上, 用于螺纹成形过程的在线检测和控制。Hsueh-Liang Huang 等提出了一种新颖的基于激光的滚珠丝杠螺纹轮廓测量系统。采用激光测量单元检测螺纹轮廓的纵向截面, 双轴旋转台则移动未检测的物体, 并通过和坐标测量仪器(CMM) 的比较得出测量误差, 实验结果表明测量参数在公差范围之内, 证实该系统具有高性能, 是提高精密丝杠制造的在线质量控制的有效方法。另外, 根据滚珠丝杠螺纹法向截面圆弧半径和接触角对预紧转角影响, 日本NSK 公司开发出圆弧半径和接触角误差测量仪, 以提高滚珠丝杠副传动平稳性。

近十年来, 国内研究成果大多集中在滚珠丝杠副行程误差的检测方法和设备, 南京理工大学研究了滚珠丝杠滚道几何参数的测量和计算方法, 提出一种滚珠丝杠螺旋滚道综合误差自动检测系统并开发了测试仪器。该系统采用非接触式测量方法, 通过安装在测量架上的高精度光幕式传感器沿丝杠方向的移动, 实现对丝杠各个滚道参数的测量, 效率高、精度高,能很好地反映丝杠各滚道型面误差。国内在滚道型面误差检测方面研究成果很少。赵训贵等人从理论上对滚珠丝杠副螺纹滚道参数误差对弹性接触变形接触角、行程误差以及摩擦力矩的影响进行了分析, 为滚珠丝杠螺纹滚道各参数的公差标准和检测精度的制定提供了依据。国内除了在滚珠丝杠行程误差的测量方面采用动态检测方法之外, 主要滚珠丝杠厂家在滚珠丝杠的其他滚道型面误差的检测方面, 基本上都是采用手动静态检测方式或者根本不加以检测, 测量数据不够全面并且测量精度和效率不高。过于追求对检测滚珠丝杠副螺距精度的研究, 而在其他主要几何参数的研究上相对滞后, 致使产品在综合性能上与国际先进水平存在较大差距, 成为制约我国数控机床向更高档次发展主要原因之一。因此, 在几何量精度动态检测基础上应更多的向滚道型面误差测量拓展, 为高档数控机床主机提供高精度、高寿命的滚动功能部件产品。

三、测试标准

我国的滚珠丝杠副行业标准走出了一条与国际接轨并有所创新的道路。从最初的不断碰壁到1982 年行业标准JB3162 -1982 《滚珠丝杠副》的诞生, 到1991 年标准JB3162 -1991《滚珠丝杠副》的修订, 到1998 年国家标准GB/ T 17587—1998 《滚珠丝杠副》的颁布, 再到2018 年国家标准GB/ T 17587—2017 《滚珠丝杠副》的实施; 从单件生产到批量生产到多样化生产, 国内学者经过不断的努力探索、研究和突破, 逐步与国际标准接轨。

2009 年国家科技重大专项开展以来, 基于数控机床对滚珠丝杠副精度保持性、可靠性及寿命的要求, 分析国际标准的局限性, 重点制定新的可靠性系列标准并修订已有的性能检测标准, 见表1-1。南京理工大学联合南京工艺、汉江机床、大连高金、山东博特、广东凯特、秦川机床、大连机床、沈阳机床、北京机电院及国检中心等制定了32 项滚动功能部件相关国家及行业标准。在滚动功能部件可靠性、精度保持性、性能等标准或技术规范方面,首次大胆尝试统一考核指标, 统一试验装置关键技术等, 这在国际上也属于前所未有的。制定标准带动产品研发, 确立先发优势。通过试验验证比较出了国内外滚动功能部件产品的差异, 并通过制定统一的标准或技术规范的方式, 实现了不同产品在同一平台考核的目的, 推动了行业技术进步。

表1-1　典型的滚珠丝杠副可靠性系列标准

四、测试装备

2009 年前, 国内外针对滚动功能部件可靠性、精度保持性、性能等指标尚缺乏统一的评价体系。国内滚动功能部件厂家针对本厂的滚动功能部件产品, 基于研究和技术提升的考虑开发专用的试验装置。各个厂家自己开发的试验装置从实验原理到检验项目等诸多方面差异性很大, 各厂家所取得的试验数据没有可比性。国外滚动功能部件厂家未专门对相关产品进行可靠性、精度保持性测评。基于国外厂商技术垄断和行业竞争等诸多方面的考虑, 国内研究者很难了解其实验手段和实验内容, 想了解国外产品的实际水平只能间接采购成品, 自主进行试验, 但是由于国内各个厂家的测量手段不一, 其结果也各不相同。

南京理工大学在张家港建成了国内专业的精密滚动功能部件检测基地。中国机械工业联合会批准建设“机械工业数控机床功能部件性能测试与可靠性技术重点实验室” 及工信部批准认证“数控机床功能部件共性技术重点实验室”, 试验区面积4800m2。近五年来, 南京理工大学重点实验室在国家科技重大专项的支持下, 自主研制了滚动功能部件精度及性能测试试验系列装置(如图1~ 图8 所示), 构建了滚珠丝杠副刚度、精度、服役性能高效高精测量试验技术体系与系列装置, 解决了目前国内大多数滚动功能部件企业在产品研发过程中检测试验条件很不完善, 甚至缺乏相配套的系列关键检测实验装备的瓶颈问题。试验区域分为1 -材料磨损及疲劳试验区、2 -精度保持性试验区、3 -综合性能与精度检测区、4 - 可靠性与寿命试验区、5 -动静刚度试验区、6 -型面误差检测区。检测基地可对精密滚动功能部件进行型面误差与动态行程误差检测、综合性能检测、材料磨损及疲劳基础试验、动静刚度及额定静载荷试验与检测、精度保持性试验与检测、可靠性试验及检测、寿命及额定动载荷试验及检测、冷却润滑试验、摩擦力(矩) 检测等, 体系完善、配套齐全, 是国内精密滚动功能部件试验、检测基地与公共服务平台。在检测技术多个方面取得共性技术成果, 服务全行业, 提升行业自主创新能力和体系建设, 建立人才培养机制, 实现共性技术辐射。

图1　滚珠丝杠副刚度试验台

图2　滚珠丝杠副综合性能试验台

图3　滚珠丝杠副动态行程误差测量系统

图4　滚珠丝杠副摩擦力矩试验台

图5　滚珠丝杠副精度保持性试验台

图6　滚珠丝杠副可靠性试验台

图7　内外滚道检测仪器

图8　滚珠丝杠副额定动载荷及寿命试验台

通过国家科技重大专项实施以及对滚动功能部件行业和加工主机的支持和投入, 我国各滚动功能部件企业的设计水平、试验条件、制造水平及能力有了较大提高。南京工艺、汉江机床、山东博特及大连高金4 个领军企业, 重视基础应用理论、基础制造技术、试验台的研制及产业化关键技术研究, 重视产品的三维动态设计、优化设计、可靠性设计, 设计水平和硬件条件均有大幅度改善; 相继建立产品研发的试验室或试验中心, 试验硬件条件明显提升, 每家均增加10 台以上的产品研发试验仪器及试验设备。如: 汉江机床在建成汉江滚动功能部件性能实验室基础上, 建设科研车间及试验中心。南京工艺建设成功2 000m2 的试验中心, 在原有试验与检测设备基础上, 新增配套多台试验设备与检测仪器, 全面具备滚珠丝杠副及滚动导轨副功能可靠性、精度保持性、额定动载荷及疲劳寿命等各方面试验能力。山东博特在原有3 000m2 试验中心的试验设备基础上, 新增多台试验与检测设备, 建立了完善的测试试验体系, 可以进行滚珠丝杠副、直线导轨副的全部性能指标试验, 不断探索滚动功能部件性能改进的方法, 有效地推动了企业产品设计改进, 使产品质量得到了稳步的提升。大连高金与大连理工大学共同研发了集定位精度、反向间隙、振动、噪声、温度、温位移、摩擦力矩以及速度与加速度测试为一体的综合性能试验台, 新增了4m 激光螺纹精度测量仪、英国Taylor-hobson 公司的轮廓测量仪、英国BATY 公司的投影仪等设备, 同时还与大连机床合作开发了3m 深孔钻床和滚珠丝杠螺纹硬车机床, 在此基础上购置了多台日本三井公司的高精度螺纹磨床。另外, 南京工艺、汉江机床、山东博特利用专项资金, 每家均新增几十台的数控加工设备, 生产能力大幅度提升, 如南京工艺将新增38 台居国际或国内先进水平的滚动功能部件研发制造、检测与试验装备, 建成具有先进水平的高速、重载、精密滚珠丝杠高效生产线和滚动导轨高效专业化生产线, 形成年产滚珠丝杠副15 万套, 滚动导轨副10 万米的生产能力, 促进高档滚动功能部件产业化。在上述硬件条件建设的基础上, 4 个领军企业重视产品研发的关键技术攻关, 产学研用相结合, 建立稳定的研发队伍, 在知识产权、规范与标准、专有技术等多方面取得了阶段性成果。