螺母預(yù)緊力對(duì)滾珠絲杠振動(dòng)特性的影響

隨著對(duì)高質(zhì)量零件的需求和生產(chǎn)率的提高，發(fā)展高精度高速進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)已成為必然趨勢(shì)。大量的現(xiàn)代進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，其中滾珠絲杠副起著非常重要的作用；與傳統(tǒng)的螺母組件相比，滾珠絲杠副具有高精度、高可靠性、高剛性和低軸向間隙的特點(diǎn)。滾珠絲杠副屬于滾動(dòng)摩擦，具有低摩擦傳動(dòng)特性，在剛度相對(duì)較高的情況下仍能提供平穩(wěn)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

滾珠絲杠副最重要的特點(diǎn)之一是可以通過(guò)設(shè)定不同的預(yù)緊力來(lái)改變其剛度。為了增加滾珠絲杠副的剛度，預(yù)緊力必須足以消除絲杠和螺母之間的軸向間隙，所以可以通過(guò)增加預(yù)緊力來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度定位；此外，可以使用適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力，避免產(chǎn)生過(guò)多的熱量，維持螺釘?shù)念A(yù)期壽命。目前，對(duì)于中低載荷，通過(guò)在單螺母滾珠絲杠副中使用較大尺寸的滾珠來(lái)提供預(yù)緊力；對(duì)于中高載荷，在雙螺母滾珠絲杠副的兩個(gè)螺母之間插入一定厚度的圓盤，以提供適當(dāng)?shù)念A(yù)載荷。

在實(shí)際的磨合過(guò)程中，由于滾珠的運(yùn)動(dòng)和連續(xù)進(jìn)給，滾珠絲杠副的滾珠通常比普通滾珠軸承承受更大的磨損。滾珠絲杠副的滾動(dòng)/滑動(dòng)摩擦?xí)?dǎo)致不同程度的磨損（如磨損、粘著、材料疲勞等）這將反映滾珠絲杠預(yù)緊力的下降。因此，監(jiān)測(cè)滾珠絲杠副預(yù)緊力的變化對(duì)研究人員和工程師來(lái)說(shuō)是非常重要的。滾珠絲杠副的預(yù)緊力主要通過(guò)摩擦力矩來(lái)監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明，隨著預(yù)緊力的增大，滾珠絲杠副摩擦阻力矩的波動(dòng)也隨之增大，推導(dǎo)了預(yù)緊力與空載摩擦力矩對(duì)應(yīng)關(guān)系的計(jì)算公式，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

由于摩擦力矩測(cè)量裝置體積較大，在實(shí)際工況下很難通過(guò)摩擦力矩監(jiān)測(cè)滾珠絲杠副的預(yù)緊力，所以通過(guò)振動(dòng)信號(hào)的頻域特征來(lái)監(jiān)測(cè)滾珠絲杠副的預(yù)緊力。壓電式振動(dòng)傳感器體積小，安裝方便，很好地克服了摩擦式扭矩測(cè)量裝置的缺點(diǎn)。以可調(diào)預(yù)緊力的滾珠絲杠副進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和帶加速度傳感器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為對(duì)象，預(yù)緊力加載裝置設(shè)定不同等級(jí)的預(yù)緊力，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集不同預(yù)緊力等級(jí)下滾珠絲杠螺母表面的振動(dòng)信號(hào)。

通過(guò)比較預(yù)緊力可調(diào)的滾珠絲杠副進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，驗(yàn)證了經(jīng)過(guò)頻域分析和處理后的振動(dòng)信號(hào)能否用于監(jiān)測(cè)不同的預(yù)緊力水平。根據(jù)滾珠絲杠副進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，可以識(shí)別出250~350 Hz頻帶內(nèi)的第二共振頻率，因?yàn)闈L珠螺母的剛度在該頻帶內(nèi)占主導(dǎo)地位。由于螺母剛度的變化，可以監(jiān)測(cè)不同預(yù)緊力水平下振動(dòng)頻域信號(hào)的變化。50~350 Hz頻段內(nèi)不同預(yù)緊力水平下振動(dòng)加速度的頻域信號(hào)。樹(shù)數(shù)值趨勢(shì)表明，預(yù)緊力水平的降低可以通過(guò)峰值頻率和峰值頻率幅值的降低來(lái)檢測(cè)，不同預(yù)緊力水平下的峰值頻率和峰值頻率振幅曲線，隨著預(yù)緊力的增大，測(cè)得的峰值頻率呈增大趨勢(shì)，峰值頻率振幅也不斷增大。

標(biāo)準(zhǔn)化峰值頻率和峰值頻率的振幅，這個(gè)數(shù)據(jù)來(lái)自于不同預(yù)緊力水平下測(cè)得的結(jié)果除以最大預(yù)緊力水平的結(jié)果，即滾珠絲杠副額定動(dòng)載荷的9%。例如，當(dāng)滾珠絲杠副的預(yù)緊力水平從額定動(dòng)載荷的9%降低到3%時(shí)，峰值頻率將降低5%，峰值頻率的振動(dòng)幅度將降低9%。通過(guò)監(jiān)測(cè)振動(dòng)加速度信號(hào)的峰值頻率(或峰值頻率的振幅)降低的百分比來(lái)評(píng)估滾珠絲杠副預(yù)緊力的降低水平是非?？尚械?。

在實(shí)踐中，當(dāng)制造商向客戶銷售滾珠絲杠副時(shí)，滾珠絲杠副的預(yù)緊力是工廠設(shè)定值。當(dāng)客戶將滾珠絲杠副安裝在進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上并工作一段時(shí)間后，由于滾珠和滾道的磨損，滾珠絲杠副的預(yù)緊力會(huì)不斷衰減，機(jī)床的加工質(zhì)量和定位精度會(huì)降低。本文中的預(yù)緊力可調(diào)裝置不是為實(shí)際應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，而是作為研究預(yù)緊力變化的工具。

在現(xiàn)有的許多研究中，加速度傳感器安裝在工作臺(tái)上，用于采集進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)加速度信號(hào)，并進(jìn)行相應(yīng)的處理。說(shuō)明振動(dòng)傳感器安裝在最靠近滾珠的位置，也就是螺母表面，采集到的振動(dòng)信號(hào)更有價(jià)值，將振動(dòng)傳感器嵌入絲杠螺母的可行性對(duì)未來(lái)的智能機(jī)床具有重要價(jià)值。

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