一、性能檢測

早在1963 年, 日本瀨善三郎用砝碼和彈簧吊秤來測量滾珠絲杠副起動時(shí)的摩擦力矩,進(jìn)行了載荷、滾珠滾道面、滾珠直徑、潤滑劑及導(dǎo)槽等因素對摩擦力矩影響的研究。20 世紀(jì)70 年代出現(xiàn)了動態(tài)摩擦力矩測量系統(tǒng)。20 世紀(jì)80 年代中期, 美國“WARNER-BEAVER”公司將微機(jī)引入摩擦力矩動態(tài)測量系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理, 摩擦力矩測量系統(tǒng)逐漸成為滾珠絲杠副質(zhì)量控制、監(jiān)測以及性能研究不可或缺的測量儀器。日本長岡技術(shù)大學(xué)學(xué)者五十嵐昭南和德長靖就滾珠絲杠副噪聲問題發(fā)表了5 個(gè)研究報(bào)告, 以外循環(huán)管式滾珠絲杠副為研究對象,試驗(yàn)研究了滾珠絲杠副噪聲特性和幾種典型噪聲產(chǎn)生的原因, 采用局部覆蓋法辨別了鋼球與導(dǎo)珠管的沖擊噪聲, 研究波紋度頻譜與噪聲頻譜對應(yīng)關(guān)系。海德漢公司滾珠絲杠副研究報(bào)告從進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、進(jìn)給系統(tǒng)剛度、滾珠絲杠軸承和滾珠絲杠全長上溫度分布幾個(gè)方面研究了滾珠絲杠系統(tǒng)定位精度。日本長岡技術(shù)大學(xué)Euevarra Domini. s 等研制了滾珠絲杠跑合機(jī), 通過在線監(jiān)測摩擦力矩變化控制跑合過程, 使?jié)L珠絲杠副力矩更平穩(wěn)。英國浦項(xiàng)工學(xué)Kims. K等利用有限元分析方法研究了滾珠絲杠副在不同轉(zhuǎn)速和停止間隔下二維熱場分布, 并利用實(shí)際測量結(jié)果驗(yàn)證分析模型。日本學(xué)者Ka. Jir. 等測量滾珠絲杠副溫升, 利用測量結(jié)果計(jì)算熱傳導(dǎo)并根據(jù)測量結(jié)果和熱傳導(dǎo)理論分析了絲杠副熱分布情況。

國內(nèi)主要滾珠絲杠副生產(chǎn)和研究單位, 如漢江機(jī)床、南京工藝、山東博特、大連高金、南京理工大學(xué)、北京機(jī)床研究所以及北京霹西等不斷研究和開發(fā)新型絲杠測試設(shè)備。針對滾珠絲杠副性能檢測, 目前行業(yè)各廠家主要圍繞摩擦力(矩) 進(jìn)行測量來研究滾珠絲杠副及直線導(dǎo)軌副的相關(guān)性能。為了對滾珠絲杠副進(jìn)行高速性能試驗(yàn), 北京機(jī)床研究所專門研制成功了GSZ2000 高速滾珠絲杠副綜合測試裝置, 用于測量滾珠絲杠副在高速時(shí)的性能(定位精度、噪聲和溫升)。南京理工大學(xué)與漢江機(jī)床聯(lián)合開發(fā)了高速滾珠絲杠測試臺及摩擦力矩試驗(yàn)臺, 能進(jìn)行絲杠副負(fù)載狀態(tài)下的加速度、速度、定位精度以及滾珠絲杠熱伸長的在線實(shí)時(shí)測量。目前國內(nèi)在滾珠絲杠副摩擦力矩影響因素和波動原因、合理潤滑參數(shù)以及高速下噪聲理論方面還需深入研究。高檔數(shù)控機(jī)床主機(jī)廠應(yīng)用國產(chǎn)滾動功能部件遇到的一個(gè)主要問題就是綜合性能的不穩(wěn)定性。因此, 為高檔數(shù)控機(jī)床主機(jī)提供高性能及穩(wěn)定性的滾動功能部件產(chǎn)品是主攻方向之一。為此, 需要從單一性能檢測發(fā)展為綜合性能全方位檢測, 性能指標(biāo)主要包括: 預(yù)緊力、摩擦力矩、靜動載荷、臨界轉(zhuǎn)數(shù)、能運(yùn)行的最大速度和最大加速度, 達(dá)到最大運(yùn)行速度時(shí)的噪聲、振動, 溫升及溫位移等。

我國精密高速滾珠絲杠起步較晚, 面對國際大市場的競爭, 產(chǎn)品要?jiǎng)?chuàng)新, 工藝水平要提高, 產(chǎn)品質(zhì)量更要過硬。滾珠絲杠副的制造企業(yè)要迅速改變只注意產(chǎn)品產(chǎn)量、產(chǎn)值, 不重視新產(chǎn)品的性能試驗(yàn)研究的局面, 不但要對高速滾珠絲杠副的定位精度、噪聲、溫升、加(減) 速度及動態(tài)剛度等進(jìn)行試驗(yàn)研究, 更要大力開展可靠性的試驗(yàn)研究, 解決占領(lǐng)市場的關(guān)鍵一環(huán)。滾珠絲杠副的功能從最初的“敏捷省能傳動” 到“精密定位”, 再從“大導(dǎo)程高速驅(qū)動” 到“精密高速型”, 是產(chǎn)品升級換代所帶來的質(zhì)的飛躍。在線性伺服高速驅(qū)動領(lǐng)域中, 當(dāng)對性能價(jià)格比、切削加工時(shí)間與空行程時(shí)間的比例、加減速出現(xiàn)的頻率等進(jìn)行綜合分析后, 考慮到節(jié)能和環(huán)保, 人們更加關(guān)注精密高速滾珠絲杠副的發(fā)展。

二、測量拓展

國外Harada Hiroyuki 等對滾珠絲杠滾道型面弧線的成形過程和方法進(jìn)行了分析, 提出了用六球法對滾珠絲杠尺寸參數(shù)和滾道形狀誤差進(jìn)行動態(tài)測量和實(shí)時(shí)分析的方法。IshimatsuJun 等提出了基于非接觸式光學(xué)測量傳感器和三線法的滾珠絲杠有效直徑誤差動態(tài)檢測方法, 并研制成專用儀器進(jìn)行了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。對國外已報(bào)道的這些相關(guān)研究成果進(jìn)行分析可知:在滾珠絲杠副滾道型面檢測方面, 國外學(xué)者所提出的方法大多能針對滾道型面誤差中的多項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行檢測, 具有一定綜合性。

CastoreGlen M 等提出了一個(gè)精密機(jī)械系統(tǒng)帶動激光傳感器檢測螺紋型面的方法, 分析數(shù)字圖像推導(dǎo)螺紋幾何參數(shù), 這個(gè)螺紋測量系統(tǒng)可以安裝在螺紋加工設(shè)備上, 用于螺紋成形過程的在線檢測和控制。Hsueh-Liang Huang 等提出了一種新穎的基于激光的滾珠絲杠螺紋輪廓測量系統(tǒng)。采用激光測量單元檢測螺紋輪廓的縱向截面, 雙軸旋轉(zhuǎn)臺則移動未檢測的物體, 并通過和坐標(biāo)測量儀器(CMM) 的比較得出測量誤差, 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明測量參數(shù)在公差范圍之內(nèi), 證實(shí)該系統(tǒng)具有高性能, 是提高精密絲杠制造的在線質(zhì)量控制的有效方法。另外, 根據(jù)滾珠絲杠螺紋法向截面圓弧半徑和接觸角對預(yù)緊轉(zhuǎn)角影響, 日本NSK 公司開發(fā)出圓弧半徑和接觸角誤差測量儀, 以提高滾珠絲杠副傳動平穩(wěn)性。

近十年來, 國內(nèi)研究成果大多集中在滾珠絲杠副行程誤差的檢測方法和設(shè)備, 南京理工大學(xué)研究了滾珠絲杠滾道幾何參數(shù)的測量和計(jì)算方法, 提出一種滾珠絲杠螺旋滾道綜合誤差自動檢測系統(tǒng)并開發(fā)了測試儀器。該系統(tǒng)采用非接觸式測量方法, 通過安裝在測量架上的高精度光幕式傳感器沿絲杠方向的移動, 實(shí)現(xiàn)對絲杠各個(gè)滾道參數(shù)的測量, 效率高、精度高,能很好地反映絲杠各滾道型面誤差。國內(nèi)在滾道型面誤差檢測方面研究成果很少。趙訓(xùn)貴等人從理論上對滾珠絲杠副螺紋滾道參數(shù)誤差對彈性接觸變形接觸角、行程誤差以及摩擦力矩的影響進(jìn)行了分析, 為滾珠絲杠螺紋滾道各參數(shù)的公差標(biāo)準(zhǔn)和檢測精度的制定提供了依據(jù)。國內(nèi)除了在滾珠絲杠行程誤差的測量方面采用動態(tài)檢測方法之外, 主要滾珠絲杠廠家在滾珠絲杠的其他滾道型面誤差的檢測方面, 基本上都是采用手動靜態(tài)檢測方式或者根本不加以檢測, 測量數(shù)據(jù)不夠全面并且測量精度和效率不高。過于追求對檢測滾珠絲杠副螺距精度的研究, 而在其他主要幾何參數(shù)的研究上相對滯后, 致使產(chǎn)品在綜合性能上與國際先進(jìn)水平存在較大差距, 成為制約我國數(shù)控機(jī)床向更高檔次發(fā)展主要原因之一。因此, 在幾何量精度動態(tài)檢測基礎(chǔ)上應(yīng)更多的向滾道型面誤差測量拓展, 為高檔數(shù)控機(jī)床主機(jī)提供高精度、高壽命的滾動功能部件產(chǎn)品。

三、測試標(biāo)準(zhǔn)

我國的滾珠絲杠副行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)走出了一條與國際接軌并有所創(chuàng)新的道路。從最初的不斷碰壁到1982 年行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB3162 -1982 《滾珠絲杠副》的誕生, 到1991 年標(biāo)準(zhǔn)JB3162 -1991《滾珠絲杠副》的修訂, 到1998 年國家標(biāo)準(zhǔn)GB/ T 17587—1998 《滾珠絲杠副》的頒布, 再到2018 年國家標(biāo)準(zhǔn)GB/ T 17587—2017 《滾珠絲杠副》的實(shí)施; 從單件生產(chǎn)到批量生產(chǎn)到多樣化生產(chǎn), 國內(nèi)學(xué)者經(jīng)過不斷的努力探索、研究和突破, 逐步與國際標(biāo)準(zhǔn)接軌。

2009 年國家科技重大專項(xiàng)開展以來, 基于數(shù)控機(jī)床對滾珠絲杠副精度保持性、可靠性及壽命的要求, 分析國際標(biāo)準(zhǔn)的局限性, 重點(diǎn)制定新的可靠性系列標(biāo)準(zhǔn)并修訂已有的性能檢測標(biāo)準(zhǔn), 見表1-1。南京理工大學(xué)聯(lián)合南京工藝、漢江機(jī)床、大連高金、山東博特、廣東凱特、秦川機(jī)床、大連機(jī)床、沈陽機(jī)床、北京機(jī)電院及國檢中心等制定了32 項(xiàng)滾動功能部件相關(guān)國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。在滾動功能部件可靠性、精度保持性、性能等標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)規(guī)范方面,首次大膽嘗試統(tǒng)一考核指標(biāo), 統(tǒng)一試驗(yàn)裝置關(guān)鍵技術(shù)等, 這在國際上也屬于前所未有的。制定標(biāo)準(zhǔn)帶動產(chǎn)品研發(fā), 確立先發(fā)優(yōu)勢。通過試驗(yàn)驗(yàn)證比較出了國內(nèi)外滾動功能部件產(chǎn)品的差異, 并通過制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)規(guī)范的方式, 實(shí)現(xiàn)了不同產(chǎn)品在同一平臺考核的目的, 推動了行業(yè)技術(shù)進(jìn)步。

表1-1　典型的滾珠絲杠副可靠性系列標(biāo)準(zhǔn)

四、測試裝備

2009 年前, 國內(nèi)外針對滾動功能部件可靠性、精度保持性、性能等指標(biāo)尚缺乏統(tǒng)一的評價(jià)體系。國內(nèi)滾動功能部件廠家針對本廠的滾動功能部件產(chǎn)品, 基于研究和技術(shù)提升的考慮開發(fā)專用的試驗(yàn)裝置。各個(gè)廠家自己開發(fā)的試驗(yàn)裝置從實(shí)驗(yàn)原理到檢驗(yàn)項(xiàng)目等諸多方面差異性很大, 各廠家所取得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)沒有可比性。國外滾動功能部件廠家未專門對相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行可靠性、精度保持性測評。基于國外廠商技術(shù)壟斷和行業(yè)競爭等諸多方面的考慮, 國內(nèi)研究者很難了解其實(shí)驗(yàn)手段和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容, 想了解國外產(chǎn)品的實(shí)際水平只能間接采購成品, 自主進(jìn)行試驗(yàn), 但是由于國內(nèi)各個(gè)廠家的測量手段不一, 其結(jié)果也各不相同。

南京理工大學(xué)在張家港建成了國內(nèi)專業(yè)的精密滾動功能部件檢測基地。中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會批準(zhǔn)建設(shè)“機(jī)械工業(yè)數(shù)控機(jī)床功能部件性能測試與可靠性技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室” 及工信部批準(zhǔn)認(rèn)證“數(shù)控機(jī)床功能部件共性技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”, 試驗(yàn)區(qū)面積4800m2。近五年來, 南京理工大學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在國家科技重大專項(xiàng)的支持下, 自主研制了滾動功能部件精度及性能測試試驗(yàn)系列裝置(如圖1~ 圖8 所示), 構(gòu)建了滾珠絲杠副剛度、精度、服役性能高效高精測量試驗(yàn)技術(shù)體系與系列裝置, 解決了目前國內(nèi)大多數(shù)滾動功能部件企業(yè)在產(chǎn)品研發(fā)過程中檢測試驗(yàn)條件很不完善, 甚至缺乏相配套的系列關(guān)鍵檢測實(shí)驗(yàn)裝備的瓶頸問題。試驗(yàn)區(qū)域分為1 -材料磨損及疲勞試驗(yàn)區(qū)、2 -精度保持性試驗(yàn)區(qū)、3 -綜合性能與精度檢測區(qū)、4 - 可靠性與壽命試驗(yàn)區(qū)、5 -動靜剛度試驗(yàn)區(qū)、6 -型面誤差檢測區(qū)。檢測基地可對精密滾動功能部件進(jìn)行型面誤差與動態(tài)行程誤差檢測、綜合性能檢測、材料磨損及疲勞基礎(chǔ)試驗(yàn)、動靜剛度及額定靜載荷試驗(yàn)與檢測、精度保持性試驗(yàn)與檢測、可靠性試驗(yàn)及檢測、壽命及額定動載荷試驗(yàn)及檢測、冷卻潤滑試驗(yàn)、摩擦力(矩) 檢測等, 體系完善、配套齊全, 是國內(nèi)精密滾動功能部件試驗(yàn)、檢測基地與公共服務(wù)平臺。在檢測技術(shù)多個(gè)方面取得共性技術(shù)成果, 服務(wù)全行業(yè), 提升行業(yè)自主創(chuàng)新能力和體系建設(shè), 建立人才培養(yǎng)機(jī)制, 實(shí)現(xiàn)共性技術(shù)輻射。

圖1　滾珠絲杠副剛度試驗(yàn)臺

圖2　滾珠絲杠副綜合性能試驗(yàn)臺

圖3　滾珠絲杠副動態(tài)行程誤差測量系統(tǒng)

圖4　滾珠絲杠副摩擦力矩試驗(yàn)臺

圖5　滾珠絲杠副精度保持性試驗(yàn)臺

圖6　滾珠絲杠副可靠性試驗(yàn)臺

圖7　內(nèi)外滾道檢測儀器

圖8　滾珠絲杠副額定動載荷及壽命試驗(yàn)臺

通過國家科技重大專項(xiàng)實(shí)施以及對滾動功能部件行業(yè)和加工主機(jī)的支持和投入, 我國各滾動功能部件企業(yè)的設(shè)計(jì)水平、試驗(yàn)條件、制造水平及能力有了較大提高。南京工藝、漢江機(jī)床、山東博特及大連高金4 個(gè)領(lǐng)軍企業(yè), 重視基礎(chǔ)應(yīng)用理論、基礎(chǔ)制造技術(shù)、試驗(yàn)臺的研制及產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)研究, 重視產(chǎn)品的三維動態(tài)設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì), 設(shè)計(jì)水平和硬件條件均有大幅度改善; 相繼建立產(chǎn)品研發(fā)的試驗(yàn)室或試驗(yàn)中心, 試驗(yàn)硬件條件明顯提升, 每家均增加10 臺以上的產(chǎn)品研發(fā)試驗(yàn)儀器及試驗(yàn)設(shè)備。如: 漢江機(jī)床在建成漢江滾動功能部件性能實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)上, 建設(shè)科研車間及試驗(yàn)中心。南京工藝建設(shè)成功2 000m2 的試驗(yàn)中心, 在原有試驗(yàn)與檢測設(shè)備基礎(chǔ)上, 新增配套多臺試驗(yàn)設(shè)備與檢測儀器, 全面具備滾珠絲杠副及滾動導(dǎo)軌副功能可靠性、精度保持性、額定動載荷及疲勞壽命等各方面試驗(yàn)?zāi)芰ΑＩ綎|博特在原有3 000m2 試驗(yàn)中心的試驗(yàn)設(shè)備基礎(chǔ)上, 新增多臺試驗(yàn)與檢測設(shè)備, 建立了完善的測試試驗(yàn)體系, 可以進(jìn)行滾珠絲杠副、直線導(dǎo)軌副的全部性能指標(biāo)試驗(yàn), 不斷探索滾動功能部件性能改進(jìn)的方法, 有效地推動了企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)改進(jìn), 使產(chǎn)品質(zhì)量得到了穩(wěn)步的提升。大連高金與大連理工大學(xué)共同研發(fā)了集定位精度、反向間隙、振動、噪聲、溫度、溫位移、摩擦力矩以及速度與加速度測試為一體的綜合性能試驗(yàn)臺, 新增了4m 激光螺紋精度測量儀、英國Taylor-hobson 公司的輪廓測量儀、英國BATY 公司的投影儀等設(shè)備, 同時(shí)還與大連機(jī)床合作開發(fā)了3m 深孔鉆床和滾珠絲杠螺紋硬車機(jī)床, 在此基礎(chǔ)上購置了多臺日本三井公司的高精度螺紋磨床。另外, 南京工藝、漢江機(jī)床、山東博特利用專項(xiàng)資金, 每家均新增幾十臺的數(shù)控加工設(shè)備, 生產(chǎn)能力大幅度提升, 如南京工藝將新增38 臺居國際或國內(nèi)先進(jìn)水平的滾動功能部件研發(fā)制造、檢測與試驗(yàn)裝備, 建成具有先進(jìn)水平的高速、重載、精密滾珠絲杠高效生產(chǎn)線和滾動導(dǎo)軌高效專業(yè)化生產(chǎn)線, 形成年產(chǎn)滾珠絲杠副15 萬套, 滾動導(dǎo)軌副10 萬米的生產(chǎn)能力, 促進(jìn)高檔滾動功能部件產(chǎn)業(yè)化。在上述硬件條件建設(shè)的基礎(chǔ)上, 4 個(gè)領(lǐng)軍企業(yè)重視產(chǎn)品研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān), 產(chǎn)學(xué)研用相結(jié)合, 建立穩(wěn)定的研發(fā)隊(duì)伍, 在知識產(chǎn)權(quán)、規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)、專有技術(shù)等多方面取得了階段性成果。