螺母預(yù)緊力對滾珠絲杠振動特性的影響

 隨著對高質(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)給傳動系統(tǒng)已成為必然趨勢。大量的現(xiàn)代進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)需要將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動，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摩擦，具有低摩擦傳動特性，在剛度相對較高的情況下仍能提供平穩(wěn)的進(jìn)給運(yùn)動。

 滾珠絲杠副最重要的特點(diǎn)之一是可以通過設(shè)定不同的預(yù)緊力來改變其剛度。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，所以可以通過增加預(yù)緊力來實(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)生過多的熱量，維持螺釘?shù)念A(yù)期壽命。目前，對于中低載荷，通過在單螺母滾珠絲杠副中使用較大尺寸的滾珠來提供預(yù)緊力；對于中高載荷，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)際的磨合過程中，由于滾珠的運(yùn)動和連續(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/滑動摩擦?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)測滾珠絲杠副預(yù)緊力的變化對研究人員和工程師來說是非常重要的。滾珠絲杠副的預(yù)緊力主要通過摩擦力矩來監(jiān)測，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也隨之增大，推導(dǎo)了預(yù)緊力與空載摩擦力矩對應(yīng)關(guān)系的計(jì)算公式，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

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

通過比較預(yù)緊力可調(diào)的滾珠絲杠副進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)的動力學(xué)模型，驗(yàn)證了經(jīng)過頻域分析和處理后的振動信號能否用于監(jiān)測不同的預(yù)緊力水平。根據(jù)滾珠絲杠副進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)的動力學(xué)模型，可以識別出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)測不同預(yù)緊力水平下振動頻域信號的變化。50~350 Hz頻段內(nèi)不同預(yù)緊力水平下振動加速度的頻域信號。樹數(shù)值趨勢表明，預(yù)緊力水平的降低可以通過峰值頻率和峰值頻率幅值的降低來檢測，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，測得的峰值頻率呈增大趨勢，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)來自于不同預(yù)緊力水平下測得的結(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載荷的9%。例如，當(dāng)滾珠絲杠副的預(yù)緊力水平從額定動載荷的9%降低到3%時(shí)，峰值頻率將降低5%，峰值頻率的振動幅度將降低9%。通過監(jiān)測振動加速度信號的峰值頻率(或峰值頻率的振幅)降低的百分比來評估滾珠絲杠副預(yù)緊力的降低水平是非常可行的。

 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)緊力會不斷衰減，機(jī)床的加工質(zhì)量和定位精度會降低。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上，用于采集進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)的振動加速度信號，并進(jìn)行相應(yīng)的處理。說明振動傳感器安裝在最靠近滾珠的位置，也就是螺母表面，采集到的振動信號更有價(jià)值，將振動傳感器嵌入絲杠螺母的可行性對未來的智能機(jī)床具有重要價(jià)值。