本发明公开了一种检测滚珠丝杠滚动副运动状态的装置及其检测方法，以很好的解决滚珠丝杠内滚珠运动形式复杂却难以直接测量或观测的难题，由于滚珠被一定比例的放大，分析结果应用于实际尺寸滚珠时应该做相应的换算，通过不同工况的测试可以解决滚动体运动形式与外载荷、预紧力等级、运行速度、润滑条件、回珠器曲线、滚珠材料及表面涂层工艺的关系，进一步可以解决滚动体的运动形式造成的滚动‑滑移对磨损的作用量，本发明提出的检测方法可以有效的解决滚动状态对滚珠丝杠副性能的影响规律，对研发高性能精密滚珠丝杠副具有重要意义。
1.一种检测滚珠丝杠滚动副运动状态的装置，其特征在于：包括底板基座，所述底板基座沿其长度方向的两侧分别设置有定位导轨滚道，两根所述定位导轨滚道上分别安装有导轨滑块，所述导轨滑块均固定滚珠丝杠的螺母，所述螺母包括上、下两部分，其中上部分为透明材料，下部分由金属材料制成并与上部分刚性相连，所述螺母的下部分与导轨滑块固定相连接，所述螺母中开设有至少一条环形滚珠滚道，每一条环形滚珠滚道是封闭的，在滚道内部滚动的滚珠能够循环运行，所述环形滚珠滚道的弯曲部分为回珠器, 回珠器的作用是保持滚珠在某一滚道中滚动一个导程时再次回到出发点,保持在同一个环形滚珠滚道内循环的滚动，所述环形滚珠滚道内有一定数目相同直径的滚珠，其中每个滚道中各设置至少一个带有发光源的滚珠；
所述螺母在两条所述定位导轨滚道上往复运动，其运动范围由限位开关来限定，在所述滚珠丝杠的两端各安置有滚珠轴承座，用于对滚珠丝杠进行定位，在底板基座的宽度方向的两侧分别设有左挡板和右挡板，所述左挡板和右挡板固定于底板基座，在所述左挡板和右挡板与螺母之间分别安装有一定弹性系数的弹簧；当所述螺母位于底板基座中间位置时，两侧弹簧受力均为零，当螺母位于底板基座中间左侧位置时，螺母受到左侧弹簧的推力和右侧弹簧的拉力，螺母总体受力为向右的恒定弹力；当螺母位于底板基座中间右侧位置时，螺母受到左侧弹簧的拉力和右侧弹簧的推力，螺母总体受力为向左的恒定弹力；
滚珠丝杠由步进电机或者伺服电动机通过减速齿轮和齿轮带动，滚珠丝杠的转速由步进电机或者伺服电动机控制；步进电机或者伺服电动机安装在底座上，底座固定于底板基座上。
2.根据权利要求1所述的检测滚珠丝杠滚动副运动状态的装置，其特征在于：所述螺母的上部分采用的透明材料为人造水晶或者高强度透明树脂。
3.根据权利要求1所述的检测滚珠丝杠滚动副运动状态的装置，其特征在于：所述螺母的下部分通过螺栓与导轨滑块相连接。
4.根据权利要求1所述的检测滚珠丝杠滚动副运动状态的装置，其特征在于：两根所述定位导轨滚道上分别安装有2个导轨滑块，4个所述导轨滑块均固定滚珠丝杠的螺母。
5.根据权利要求1所述的检测滚珠丝杠滚动副运动状态的装置，其特征在于：滚珠为球形，该球形直径的大小是真实滚珠的倍数。
6.根据权利要求5所述的检测滚珠丝杠滚动副运动状态的装置，其特征在于：该球形直径的大小是真实滚珠的5-10倍。
7.根据权利要求1所述的检测滚珠丝杠滚动副运动状态的装置，其特征在于：两条定位导轨滚道均为四列滚珠线性滑轨或者为滚柱线性滑轨。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的检测滚珠丝杠滚动副运动状态的装置的检测方法，其特征在于，包括：
S1，按照装置的结构将装置安装调试完毕后，检查双定位导轨滚道的平行度最终保证滚珠丝杠的螺母能够顺畅的沿着双定位导轨滚道往复移动，设置步进电机或者伺服电动机使螺母按照一定速度跑合运行一段时间，以便进行装置初期的磨损跑合；试验阶段分两个区域进行，第一个区域，为螺母在底板基座中心左侧区域进行试验，此时螺母受到恒定的向右的弹簧力的作用；第二个区域，为螺母在底板基座中心右侧区域进行试验，此时螺母受到恒定的向左的弹簧力的作用；并在以下的试验步骤中同时检测螺母中三条滚道的滚珠运动情况，进行比对分析；
S2，将步进电机或伺服电动机的转速分别设定成不同的数值，分别进行不同速度状态的测试工作，分别测试在超低速、爬行速度、额定工作速度、高速状态、反向运行下的滚珠在环形滚珠滚道上的运动状态；
S3，分别测试在超低速、爬行速度、额定工作速度、高速状态、反向运行下的滚珠在回珠器内的运动状态；
S4， 借助光学检测仪器，检测滚珠在从静止到启动状态下的滚珠的滞后量；
S5，借助光学检测仪器，检测滚珠在不同水平载荷情况下的运动情况，水平载荷通过四个弹簧施加,弹簧的弹性系数可以根据要求进行更换，以检测滚珠丝杠在不同水平负载下滚珠的运动状态的改变情况。
9.根据权利要求8所述的检测方法，其特征在于，设置步进电机或者伺服电动机使螺母按照10mm/s的速度跑合运行一段时间。
一种检测滚珠丝杠滚动副运动状态的装置及其检测方法
技术领域
[0001] 本发明涉及精密数控制造技术领域，尤其涉及一种检测滚珠丝杠滚动副运动状态的装置及其检测方法。
背景技术
[0002] 滚珠丝杠副作为精密数控机床的主要移动和定位部件,其精度退化规律和摩擦/磨损的规律决定着精密机床加工性能的优劣。随着我国制造大国和制造强国的逐步实现，迫切要求精密数控机床这种制造设备的加工精度性能有大幅度提高。国内研制并生产的精密机床用滚珠丝杠副在精度性能、动态特性、摩擦、磨损退化方面跟国外同类产品相比处于劣势状况。其上述这些性能除了与制造过程有关外还与对基础理论研究的欠缺有关。精密滚珠丝杠副在精度性能、动态特性、摩擦、磨损退化等问题与滚动运动副在特定工况下的运动形式有着极为密切的关系，滚动体在滚道之间运动并与滚道产生的相对运动关系是比较复杂的。而滚动导轨副内部的滚珠是不能直接被观察到的，这就限制了对滚动体运动形式的直观研究。为了能准确的将理论分析结果和实际情况相对比，本发明提出了一种检测滚珠丝杠滚动副运动状态的装置及分析方法，采用放大的滚珠丝杠副为研究对象，螺母内设置有三列循环的滚珠，并在每一列内个别滚珠上安装有可见光的点光源，用于肉眼直观观察和光学仪器对滚珠运动状态的精确检测。该发明试验装置可以模拟实际滚珠丝杠副定位状态和预加轴向载情况下的滚动体运动情况，并提出了具体的试验分析和测试方法。本发明装置可以检测不同材料的、不同直径大小的滚动体在螺母内和转弯的回珠器内两个位置的运动形式。可以分别在不同线性速度、不同受压状态下的工况下研究滚动体在螺旋形滚道和S形回珠器滚道内滚动的形式，研究滚珠在回珠器内的滚动问题对滚珠丝杠副的噪声控制具有重要作用。
[0003] 本发明提出并设计了一种检测滚珠丝杠滚动副运动状态的装置及分析方法，采用先进的光学检测技术和有效的试验方法，用于研究在不同工况下滚珠丝杠副内滚珠的运动形式。为提高精密滚珠丝杠副的性能进行基础性研究。
发明内容
[0004] 本发明的目的是提供一种检测滚珠丝杠滚动副运动状态的装置，解决的问题。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
[0006] 一种检测滚珠丝杠滚动副运动状态的装置，：包括底板基座，所述底板基座沿其长度方向的两侧分别设置有定位导轨滚道，两根所述导轨滚道上分别安装有导轨滑块，所述导轨滑块均固定滚珠丝杠的螺母，所述螺母包括上、下两部分，其中上部分为透明材料可以使用人造水晶或者高强度透明树脂，下部分由金属材料制成并与上部分刚性相连，所述螺母的下半部分与导轨滑块固定相连接，所述螺母中开设有至少一条环形滚珠滚道，每一条环形滚珠滚道是封闭的，在环内部滚动的滚珠能够循环运行，所述环形滚珠滚道的弯曲部分为回珠器10,回珠器10的作用是保持滚珠在某一轨道中滚动一个导程时再次回到出发点,保持在同一个环形滚珠滚道内循环的滚动，所述环形滚珠滚道内有一定数目相同直径的滚珠，其中在每个滚道中各设置至少一个带有发光源的滚珠9；
[0007] 所述螺母可以在两条所述定位导轨滚道上往复运动，其运动范围由限位开关来限定，在所述滚珠丝杠的两端各安置有滚珠轴承座，用于对滚珠丝杠进行定位，在底板基座的宽度方向的两侧分别设有左挡板和右挡板，所述左挡板和右挡板固定于底板基座2，在所述左挡板和右挡板与螺母之间分别安装有一定弹性系数的弹簧；当所述螺母位于底板基座中间位置时，两侧弹簧受力均为零，当螺母位于底板基座中间左侧位置时，螺母受到左侧弹簧的推力和右侧弹簧的拉力，螺母总体受力为向右的恒定弹力；当螺母位于底板基座中间右侧位置时，螺母受到左侧弹簧的拉力和右侧弹簧的推力，螺母总体受力为向左的恒定弹力；
[0008] 滚珠丝杠由步进电机或者伺服电动机通过减速齿轮和齿轮带动，滚珠丝杠的转速由步进电机或者伺服电动机控制；步进电机或者伺服电动机安装在底座上，底座固定于底板基座上。
[0009] 进一步的，所述螺母的上部分采用的透明材料为用人造水晶或者高强度透明树脂。
[0010] 进一步的，所述螺母的下半部分通过螺栓与导轨滑块相连接。
[0011] 进一步的，两根所述导轨滚道上分别安装有2个导轨滑块，4个所述导轨滑块均固定滚珠丝杠的螺母。
[0012] 进一步的，被检测滚动体为球形，该球形直径的大小是真实滚珠的倍数。
[0013] 进一步的，该球形直径的大小是真实滚珠的5-10倍。
[0014] 进一步的，两条定位导轨滚道均为四列滚珠线性滑轨或者为滚柱线性滑轨。
[0015] 一种检测滚珠丝杠滚动副运动状态的装置的检测方法，包括：
[0016] S1，按照装置的结构将实验装置安装调试完毕后，检查双导轨的平行度最终保证滚珠丝杠的螺母能够顺畅的沿着双轨道往复移动，设置步进电机或者伺服电动机使螺母按照一定速度跑合运行一段时间，以便进行试验台初期的磨损跑合；试验阶段分两个区域进行，第一个区域，为螺母在底板基座中心左侧区域进行试验，此时螺母受到恒定的向右的弹簧力的作用；第二个区域，为螺母在底板基座中心右侧区域进行试验，此时螺母受到恒定的向左的弹簧力的作用；并在以下的试验步骤中同时检测螺母中三条滚道的滚珠运动情况，进行比对分析；
[0017] S2，将步进电机的转速分别设定成不同的数值，分别进行不同速度状态的测试工作，分别测试在超低速、爬行速度、额定工作速度、高速状态、反向运行下的滚珠在螺旋滚道上的运动状态；
[0018] 测试滚珠在丝杠超低速转动运行状态的意义在于，考虑微动摩擦或者蠕滑摩擦状态的滚珠的自旋运动的大小和方向，研究低速状态下的滚珠运动状态对螺旋滚动运动副的界面摩擦特性有着基础性的意义；
[0019] 测试滚珠在额定工作速度运行状态的意义在于，在额定状态下滚珠沿螺旋轨道的运动状态是滚动运动副磨损的基础，在额定速度运行阶段是滚动副产生磨损的主要形成阶段，而滚珠运动形式的多变性和复杂性对磨损的形成具有很大的影响，通过该装置可以检测到滚珠额定工作速度下的滑移量和滚动量的大小；
[0020] 测试滚珠在高速运行状态的意义在于，工作台高速运行条件下滚珠的运动速度远大于额定运行情况,由于实际滚珠的直径比较小，滚珠的运行转速会达到相当高的数值，滚珠的滑移量会显著增加,为了更清楚的定量计算滚珠的滑移量必须明确滚珠的高速运动状态；通过透明螺母进行观察可以清楚的看到滑块高速运行时，被放大的滚珠的滚动和滑移情况和滚珠自旋方向；
[0021] 测试滑块突然反向运行时，对滚珠运动状态的检测的意义在于，测试滑块突然反向运行时的滚珠运动状态的变化和自旋量的大小；
[0022] S3，分别测试在超低速、爬行速度、额定工作速度、高速状态、反向运行下的滚珠在回珠器内的运动状态；滚珠在回珠器内的运动是滚珠丝杠副噪声的主要来源，可以利用S2的方法分别测试在超低速、爬行速度、额定工作速度高速状态、反向运行下的滚珠在回珠器内的运动状态；
[0023] S4，借助光学检测仪器，检测滚珠在从静止到启动状态下的滚珠的滞后量，滚珠的启动滞后量对研究滚动运动副的摩擦、磨损特性具有基础作用；
[0024] S5，借助光学检测仪器，检测滚珠在不同水平载荷情况下的运动情况，水平载荷通过四个弹簧施加,弹簧的弹性系数可以根据要求进行更换，以检测滚珠丝杠在不同水平负载下滚珠的运动状态的改变情况，尤其是加载下对滚珠自旋量的检测对研究滚动运动副的摩擦、磨损特性具有重要作用。
[0025] 进一步的，设置步进电机或者伺服电动机使螺母按照10mm/s的速度跑合运行一段时间。
[0026] 与现有技术相比，本发明的有益技术效果：
[0027] 本发明试验装置采用双导轨副直线运动构架，两条导轨副利用能承受较大预加载荷和较大水平刚性的四列滚柱导轨副。被测滚珠丝杠和螺母被放大了一定的倍数。被放大的滚珠在被放大的滚道内滚动，可以更加清楚的观察其运动方式，同时某些滚珠上还安设有发光源，以便利用光学仪器对光源进行精确地检测。螺母分上下两部分，包含滚珠环形滚珠滚道的上层采用透明材料制作，与直线导轨副连接的下层采用金属制作。透明的环形滚到有利于观察者和光学仪器对滚动体进行运动检测。滚珠丝杠由步进电动机或者伺服电动机通过减速齿轮带动丝杠进行旋转运动，且丝杠旋转运动的速度和启动、停止的时间可以通过控制板进行设置和改变。以便考察螺母运行在不用的速度下，滚珠的运动状态。螺母的两侧对称设置有一定弹性系数的弹簧，所配弹簧可根据实验条件和被测滚珠的型号进行调换，从而模拟实际工况下位于螺母承受的轴向负载。
[0028] 本发明装置可以很好的解决滚珠丝杠内滚珠运动形式复杂却难以直接测量或观测的难题，由于滚珠被一定比例的放大，分析结果应用于实际尺寸滚珠时应该做相应的换算。通过上述不同工况的测试可以解决滚动体运动形式与外载荷、预紧力等级、运行速度、润滑条件、回珠器曲线、滚珠材料及表面涂层工艺的关系，进一步可以解决滚动体的运动形式造成的滚动-滑移对磨损的作用量，本发明提出的试验方法可以有效的解决滚动状态对滚珠丝杠副性能的影响规律，对研发高性能精密滚珠丝杠副具有重要意义。
附图说明
[0029] 下面结合附图说明对本发明作进一步说明。
[0030] 图1为本发明主视图；
[0031] 图2为图1的俯视图；
[0032] 图3为图1的后视图；
[0033] 图4为图1的无弹簧视图；
[0034] 图5为图1的左视图；
[0035] 图6为图1的右视图；
[0036] 图7为螺母内部滚道结构图；
[0037] 附图标记说明：1-底座；2-底板基座；3-螺栓；4-第一滚珠轴承座；5-限位开关；6-定位导轨滚道；7-滚珠丝杠；8-步进电机或者伺服电动机；9-滚珠；10-回珠器；11-螺母；12-减速齿轮；13-齿轮；14-导轨滑块；15-第二滚珠轴承座；16-弹簧；17-左挡板；18-右挡板。
具体实施方式
[0038] 如图1至7所示，一种检测滚珠丝杠滚动副运动状态的装置，包括钢制的底板基座2，其它装置均安装在底板基座2上。两根定位导轨滚道6分别位于底板基座2的两个长边的边缘，即沿其长度方向的两侧。每根导轨滚道6上安装有两个导轨滑块14，共四个导轨滑块
14。导轨滑块14采用四列滚柱导轨配合形式，在滑块6上固定有被测滚珠丝杠7的螺母11。螺母11分为上下两部分，上部分为透明材料，采用人造水晶或者高强度透明树脂，下部分由金属材料制成并与上部分刚性相连。螺母11的下半部分通过螺栓3与导轨滑块14相连接。螺母
11内共开设有三条环形滚珠滚道，每一条环形滚珠滚道都是封闭的，在环内部滚动的滚珠是循环运行的，环形滚珠滚道的弯曲部分为回珠器10,回珠器10的作用是保持滚珠在某一轨道中滚动一个导程时再次回到出发点,保持在同一个环形滚珠滚道内循环的滚动。环形滚珠滚道内有一定数目相同直径的滚珠，其中包括带有发光源的被测的滚珠9，在三条滚道中各设置一个或多个(如2、3、4、5等)滚珠9。滚珠丝杠7的导程可以根据实际需要进行调整，导程调整后，螺母11的导槽和滚珠9的直径也进行相应的变化。螺母11可以在两条滚柱导轨上往复运动，运动范围由限位开关5来限定。在滚珠丝杠7的两端分别安置有第一滚珠轴承座4和第二滚珠轴承座15，用于对滚珠丝杠7进行定位，并保证其只保留绕轴线旋转的自由度。在试验台的短边两侧分别设有左挡板17和右挡板18，左挡板17和右挡板18被固定在底板基座2上。在左挡板17和右挡板18和螺母11中间安设有一定弹性系数的弹簧16(可根据需要更换不同弹性系数的弹簧)。弹簧16共有四个根，对称的放置在图2所示的位置。当螺母11位于底板基座2中间位置时，两侧弹簧16受力均为零。当螺母11位于底板基座2中间左侧位置时，螺母11受到左侧弹簧的推力和右侧弹簧的拉力，其螺母11总体受力为向右的恒定弹力。当螺母11位于底板基座2中间右侧位置时，螺母11受到左侧弹簧的拉力和右侧弹簧的推力，其螺母11总体受力为向左的恒定弹力。滚珠丝杠7由步进电机或者伺服电动机8通过减速齿轮12和齿轮13带动。滚珠丝杠7的转速由步进电机或者伺服电动机8控制。通过电动机的控制，被测滚珠丝杠7可以在纯拉力和纯推力下进行测试滚珠的运动状态。步进电机8安装在底座1上。底座1被固定在底板基座2上。
[0039] 本发明装置的具体具体检测方法和过程如下：
[0040] S1，按照所描述的结构将实验装置安装调试完毕后，检查双导轨的平行度最终保证被测滚珠丝杠的螺母能够顺畅的沿着双轨道往复移动。按照滑块每秒速度10mm/s的速度设置步进电机或者伺服电动机，运行一段时间，以便进行试验台初期的磨损跑合。
[0041] S2，在完成S1以后，将步进电机的转速分别设定成不同的数值，分别进行不同状态的测试。分别测试在超低速、爬行速度、额定工作速度、高速状态、反向运行下的滚珠在螺旋滚道上的运动状态。
[0042] 测试滚珠在丝杠超低速转动运行状态的意义在于，考虑微动摩擦或者蠕滑摩擦状态的滚珠的自旋运动的大小和方向。研究低速状态下的滚珠运动状态对螺旋滚动运动副的界面摩擦特性有着基础性的意义。
[0043] 测试滚珠在额定工作速度运行状态的意义在于，在额定状态下滚珠沿螺旋轨道的运动状态是滚动运动副磨损的基础。在额定速度运行阶段是滚动副产生磨损的主要形成阶段。而滚珠运动形式的多变性和复杂性对磨损的形成具有很大的影响。通过本发明装置可以检测到滚珠一般工作速度下的滑移量和滚动量的大小。
[0044] 测试滚珠在高速运行状态的意义在于，工作台高速运行条件下滚珠的运动速度远大于额定运行情况,由于实际滚珠的直径比较小，滚珠的运行转速会达到相当高的数值。滚珠的滑移量会显著增加,为了更清楚的定量计算滚珠的滑移量必须明确滚珠的高速运动状态。本发明试验台通过观察口可以清楚的看到滑块高速运行时，被放大的滚珠的滚动和滑移情况和滚珠自旋方向。
[0045] 测试滑块突然反向运行时，对滚珠运动状态的检测的意义在于，测试滑块突然反向运行时的滚珠运动状态的变化和自旋量的大小。
[0046] S3，分别测试在超低速、爬行速度、额定工作速度、高速状态、反向运行下的滚珠在回珠器内的运动状态。滚珠在回珠器内的运动是导轨副噪声的主要来源，可以利用第二步的方法分别测试在超低速、爬行速度、额定工作速度高速状态、反向运行下的滚珠在回珠器内的运动状态。
[0047] S4，借助光学检测仪器，检测滚珠在从静止到启动状态下的滚珠的滞后量，滚珠的启动滞后量对研究滚动运动副的摩擦、磨损特性具有基础作用。
[0048] S5，借助光学检测仪器，检测滚珠在不同水平载荷情况下的运动情况.水平载荷通过四个弹簧施加,弹簧的弹性系数可以根据要求进行更换，以检测滚珠丝杠在不同水平负载下滚珠的运动状态的改变情况，尤其是对滚珠自旋量的检测对研究滚动运动副的摩擦、磨损特性具有重要作用。
[0049] 以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
