本发明公开了一种在线测试滚珠丝杠副摩擦力矩与轴向负载的试验装置，目的是测得滚珠丝杠副摩擦力矩和轴向负载的关系，并研究滚珠丝杠副的摩擦磨损特性、精度保持性和疲劳寿命。该试验装置采用重心驱动对滚珠丝杠副进行轴向加载，模拟滚珠丝杠副实际传动时的轴向载荷，能够消除附加力矩对滚珠丝杠副传动的影响，更加准确地测得滚珠丝杠副摩擦力矩和轴向负载的关系。此试验装置通过在特殊设计的滚珠丝杠副螺母座与工作台间安装二维力传感器实现在线实时测量滚珠丝杠副的摩擦力矩和轴向负载。该实验装置可以用于研究滚珠丝杠副工作状下，轴向负载、预紧力和摩擦力矩三者间的关系，并进一步研究不同载荷下滚珠丝杠副摩擦磨损特性及精度保持性。
1.一种在线测试滚珠丝杠副摩擦力矩与轴向负载的试验装置，其特征在于，该试验装置包括：主工作台(1)、副滚珠丝杠副(2)、二维力传感器(3)、主螺母座(4)、直线滚动导轨副(5)、主滚珠丝杠副(6)、联轴器(7)、副伺服电机(8)、主伺服电机(9)、花岗岩底座(10)、气缸连接装置(11)、加载气缸(12)、副螺母座(13)、副工作台(14)、主滚珠丝杠(15)和主螺母(16)；
其特征在于：试验装置两侧的副滚珠丝杠副(2)共同驱动副工作台(14)运动，由副伺服电机(8)通过第一个联轴器(7)带动副滚珠丝杠副(2)通过副螺母座(13)与副工作台(14)一起往复运动；试验装置中的主滚珠丝杠副(6)驱动主工作台(1)运动，由主伺服电机(9)通过第二个联轴器(7)带动主滚珠丝杠副(6)通过主螺母座(4)与主工作台(1)一起进行往复运动；直线滚动导轨副(5)固定在花岗岩底座(10)上，并控制主工作台(1)和副工作台(14)的运动方向；两根副滚珠丝杠副(2)和一根主滚珠丝杠副(6)并列布置；
二维力传感器(3)安装在主螺母座(4)和主工作台(1)之间，用来测量加载气缸(12)提供的轴向力和主滚珠丝杠副(6)的摩擦力矩，不用拆卸主滚珠丝杠副(6)的螺母座，在线实时测试主滚珠丝杠副(6)的摩擦力矩与轴向负载；
加载气缸(12)安装在副工作台(14)上，加载气缸(12)的活塞杆与副滚珠丝杠副(2)平行，且与气缸连接装置(11)固联，同时气缸连接装置(11)安装在主工作台(1)上，副工作台(14)和主工作台(1)做跟随同步运动，靠副工作台(14)和主工作台(1)间的加载气缸(12)对主滚珠丝杠副(6)进行轴向加载。
2.根据权利要求1所述的一种在线测试滚珠丝杠副摩擦力矩与轴向负载的试验装置，其特征在于，
步骤1：加载气缸(12)安装在副工作台(14)上，加载气缸(12)的活塞杆与副滚珠丝杠副(2)平行，且与气缸连接装置(11)固联，同时气缸连接装置(11)安装在主工作台(1)上，副工作台(14)和主工作台(1)做跟随同步运动，靠副工作台(14)和主工作台(1)间的加载气缸(12)对主滚珠丝杠副(6)进行轴向加载；
步骤2：主滚珠丝杠副(6)的主螺母座(4)与主工作台(1)之间安装二维力传感器(3)，用于测量主滚珠丝杠副(6)的摩擦力矩和轴向负载；所述二维力传感器(3)为滚珠丝杠副测试专用，且维间耦合度小于1％，在此基础上采用神经元网络解耦算法，进一步降低维间耦合度，有效消除轴向大负载0～3000N对摩擦力矩0～2N·m维间耦合的影响，能够提高二维力传感器(3)的测试精度；主滚珠丝杠副(6)切向力和力臂相乘，得到主滚珠丝杠副(6)的摩擦力矩；主滚珠丝杠副的轴向负载与摩擦力矩的计算公式如下：轴向负载：F＝Fx1+Fx2，Fx1、Fx2为二维力传感器所测轴向力；
摩擦力矩：M＝2(Fy1+Fy2)L，Fy1、Fy2为二维力传感器所测切向力，L表示力臂的长度。
一种在线测试滚珠丝杠副摩擦力矩与轴向负载的试验装置
技术领域
[0001] 本发明公开了一种在线测试滚珠丝杠副摩擦力矩与轴向负载的试验装置，属于滚珠丝杠副检测技术领域。
背景技术
[0002] 滚珠丝杠副可以实现旋转运动和直线运动之间的相互转换，是一种广泛应用于数控机床、机器人等自动化产品中的重要运动功能部件，其精度性能决定了自动化产品进给系统精度。在滚珠丝杠副运动过程中，滚珠与滚道的摩擦磨损会导致摩擦力矩的变化，因此滚珠丝杠副的传动精度与摩擦力矩息息相关。目前对于滚珠丝杠副摩擦力矩的产生机理、存在较大波动的原因，国内外还没有建立一套公认的完整理论，主要原因在于没有一套可在线实时测量摩擦力矩的试验装置。本专利提出一种在线测试滚珠丝杠副摩擦力矩与轴向负载的试验装置。该试验装置通过在特殊设计的滚珠丝杠副螺母座与工作台间安装二维力传感器实现在线实时测量滚珠丝杠副的摩擦力矩和轴向负载。该实验装置可以用于研究滚珠丝杠副工作状态下，轴向负载、预紧力和摩擦力矩三者间的关系，并进一步研究不同载荷下滚珠丝杠副摩擦磨损特性及精度保持性。
发明内容
[0003] 为了克服上述现有技术的缺点，本发明涉及一种在线测试滚珠丝杠副摩擦力矩与轴向负载的试验装置，用来研究滚珠丝杠副工作状态下，轴向负载、预紧力和摩擦力矩三者间的关系，并进一步研究不同载荷下滚珠丝杠副摩擦磨损特性及精度保持性。
[0004] 为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是一种在线测试滚珠丝杠副摩擦力矩与轴向负载的试验装置，该试验装置包括：主工作台(1)、副滚珠丝杠副(2)、二维力传感器(3)、主螺母座(4)、直线滚动导轨副(5)、主滚珠丝杠副(6)、联轴器(7)、副伺服电机(8)、主伺服电机(9)、花岗岩底座(10)、气缸连接装置(11)、加载气缸(12)、副螺母座(13)、副工作台(14)、主滚珠丝杠(15)和主螺母(16)。
[0005] 其特征在于：试验装置两侧的副滚珠丝杠副(2)共同驱动副工作台(14)运动，由副伺服电机(8)通过第一个联轴器(7)带动副滚珠丝杠副(2)通过副螺母座(13)与副工作台(14)一起往复运动；试验装置中的主滚珠丝杠副(6)驱动主工作台(1)运动，由主伺服电机(9)通过第二个联轴器(7)带动主滚珠丝杠副(6)通过主螺母座(4)与主工作台(1)一起进行往复运动。直线滚动导轨副(5)固定在花岗岩底座(10)上，并控制主工作台(1)和副工作台(14)的运动方向。两根副滚珠丝杠副(2)和一根主滚珠丝杠副(6)并列布置。
[0006] 二维力传感器(3)安装在主螺母座(4)和主工作台(1)之间，用来测量加载气缸(12)提供的轴向力和主滚珠丝杠副(6)的摩擦力矩，不用拆卸主滚珠丝杠副(6)的螺母座，在线实时测试主滚珠丝杠副(6)的摩擦力矩与轴向负载。
[0007] 加载气缸(12)安装在副工作台(14)上，加载气缸(12)的活塞杆与副滚珠丝杠副(2)平行，且与气缸连接装置(11)固联，同时气缸连接装置(11)安装在主工作台(1)上，副工作台(14)和主工作台(1)做跟随同步运动，靠副工作台(14)和主工作台(1)间的加载气缸(12)对主滚珠丝杠副(6)进行轴向加载。
[0008] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0009] 1)本发明试验装置，通过二维力传感器可以在线实时测量滚珠丝杠副的摩擦力矩与轴向负载，无需停机、节省时间、操作方便。无需拆装滚珠丝杠副的主螺母座，避免了由于多次拆装带来的装配误差，提高滚珠丝杠副的摩擦力矩与轴向负载的测试精度。
[0010] 2)本发明试验装置相比原有摩擦力矩测试装置更加简便，采用重心驱动对滚珠丝杠副进行轴向加载，模拟滚珠丝杠副实际传动时的轴向载荷，能够消除附加力矩对滚珠丝杠副传动的影响，更加符合实际工况，可以更加准确地测得滚珠丝杠副摩擦力矩与轴向负载的关系。
附图说明
[0011] 图1为本发明试验装置的总体结构示意图；
[0012] 图2为本发明试验装置俯视图；
[0013] 图3为本发明试验装置中二维力传感器的详细布置图；
具体实施方式
[0014] 以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
[0015] 本发明涉及一种在线测试滚珠丝杠副摩擦力矩与轴向负载的试验装置，用来研究滚珠丝杠副工作状态下，轴向负载、预紧力和摩擦力矩三者间的关系，并进一步研究不同载荷下滚珠丝杠副摩擦磨损特性及精度保持性。
[0016] 为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是一种在线测试滚珠丝杠副摩擦力矩与轴向负载的试验装置，该试验装置包括：主工作台(1)、副滚珠丝杠副(2)、二维力传感器(3)、主螺母座(4)、直线滚动导轨副(5)、主滚珠丝杠副(6)、联轴器(7)、副伺服电机(8)、主伺服电机(9)、花岗岩底座(10)、气缸连接装置(11)、加载气缸(12)、副螺母座(13)、副工作台(14)、主滚珠丝杠(15)、主螺母(16)。
[0017] 其特征在于：试验装置两侧的副滚珠丝杠副(2)共同驱动副工作台(14)运动，由副伺服电机(8)通过联轴器(7)带动副滚珠丝杠副(2)通过副螺母座(13)与副工作台(14)一起往复运动；试验装置中主滚珠丝杠副(6)驱动主工作台(1)运动，由主伺服电机(9)通过联轴器(7)带动主滚珠丝杠副(6)通过主螺母座(4)与主工作台(1)一起进行往复运动。直线滚动导轨副(5)固定在花岗岩底座(10)上，并控制主工作台(1)和副工作台(14)的运动方向。
[0018] 二维力传感器(3)安装在主螺母座(4)和主工作台(1)之间，用来测量加载气缸(12)提供的轴向力和主滚珠丝杠副(6)的摩擦力矩，不用拆卸主滚珠丝杠副(6)的螺母座，在线实时测试主滚珠丝杠副(6)的摩擦力矩与轴向负载。
[0019] 加载气缸(12)安装在副工作台(14)上，加载气缸(12)的活塞杆与副滚珠丝杠副(2)平行，且与气缸连接装置(11)固联，同时气缸连接装置(11)安装在主工作台(1)上，副工作台(14)和主工作台(1)做跟随同步运动，靠副工作台(14)和主工作台(1)间的加载气缸(12)对主滚珠丝杠副(6)进行轴向加载，该试验装置可以实现在线测试滚珠丝杠副摩擦力矩与轴向负载的关系。
[0020] 具体实施过程如下：
[0021] 步骤1：加载气缸(12)安装在副工作台(14)上，加载气缸(12)的活塞杆与副滚珠丝杠副(2)平行，且与气缸连接装置(11)固联，同时气缸连接装置(11)安装在主工作台(1)上，副工作台(14)和主工作台(1)做跟随同步运动，靠副工作台(14)和主工作台(1)间的加载气缸(12)对主滚珠丝杠副(6)进行轴向加载。
[0022] 步骤2：主滚珠丝杠副(6)的主螺母座(4)与主工作台(1)之间安装二维力传感器(3)，用于测量主滚珠丝杠副(6)的摩擦力矩和轴向负载。所述二维力传感器(3)为滚珠丝杠副测试专用，且维间耦合度小于1％，在此基础上采用神经元网络解耦算法，进一步降低维间耦合度，有效消除轴向大负载(0～3000N)对摩擦力矩(0～2N·m)维间耦合的影响，能够提高二维力传感器(3)的测试精度。主滚珠丝杠副(6)切向力和力臂相乘，得到主滚珠丝杠副(6)的摩擦力矩。主滚珠丝杠副的轴向负载与摩擦力矩的计算公式如下：
[0023] 轴向负载：F＝Fx1+Fx2，Fx1、Fx2为二维力传感器所测轴向力。
[0024] 摩擦力矩：M＝2(Fy1+Fy2)L，Fy1、Fy2为二维力传感器所测切向力，L如图3所示表示力臂的长度。
