螺母預緊力對滾珠絲杠振動特性的影響

隨著對高質量零件的需求和生產率的提高，發展高精度高速進給傳動系統已成為必然趨勢。大量的現代進給驅動系統需要將旋轉運動轉化為直線運動，其中滾珠絲杠副起著非常重要的作用；與傳統的螺母組件相比，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。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的進給運動。

滾珠絲杠副最重要的特點之一是可以通過設定不同的預緊力來改變其剛度。為了增加滾珠絲杠副的剛度，預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緊力來實現高精度定位；此外，可以使用適當的預緊力，避免產生過多的熱量，維持螺釘的預期壽命。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緊力；對于中高載荷，在雙螺母滾珠絲杠副的兩個螺母之間插入一定厚度的圓盤，以提供適當的預載荷。

在實際的磨合過程中，由于滾珠的運動和連續進給，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/滑動摩擦會導致不同程度的磨損（如磨損、粘著、材料疲勞等）這將反映滾珠絲杠預緊力的下降。因此，監測滾珠絲杠副預緊力的變化對研究人員和工程師來說是非常重要的。滾珠絲杠副的預緊力主要通過摩擦力矩來監測，結果表明，隨著預緊力的增大，滾珠絲杠副摩擦阻力矩的波動也隨之增大，推導了預緊力與空載摩擦力矩對應關系的計算公式，并通過實驗進行了驗證。

由于摩擦力矩測量裝置體積較大，在實際工況下很難通過摩擦力矩監測滾珠絲杠副的預緊力，所以通過振動信號的頻域特征來監測滾珠絲杠副的預緊力。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。以可調預緊力的滾珠絲杠副進給驅動系統和帶加速度傳感器的數據采集系統為對象，預緊力加載裝置設定不同等級的預緊力，數據采集系統采集不同預緊力等級下滾珠絲杠螺母表面的振動信號。

通過比較預緊力可調的滾珠絲杠副進給驅動系統的動力學模型，驗證了經過頻域分析和處理后的振動信號能否用于監測不同的預緊力水平。根據滾珠絲杠副進給驅動系統的動力學模型，可以識別出250~350 Hz頻帶內的第二共振頻率，因為滾珠螺母的剛度在該頻帶內占主導地位。由于螺母剛度的變化，可以監測不同預緊力水平下振動頻域信號的變化。50~350 Hz頻段內不同預緊力水平下振動加速度的頻域信號。樹數值趨勢表明，預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，不同預緊力水平下的峰值頻率和峰值頻率振幅曲線，隨著預緊力的增大，測得的峰值頻率呈增大趨勢，峰值頻率振幅也不斷增大。

標準化峰值頻率和峰值頻率的振幅，這個數據來自于不同預緊力水平下測得的結果除以最大預緊力水平的結果，即滾珠絲杠副額定動載荷的9%。例如，當滾珠絲杠副的預緊力水平從額定動載荷的9%降低到3%時，峰值頻率將降低5%，峰值頻率的振動幅度將降低9%。通過監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緊力的降低水平是非常可行的。

在實踐中，當制造商向客戶銷售滾珠絲杠副時，滾珠絲杠副的預緊力是工廠設定值。當客戶將滾珠絲杠副安裝在進給驅動系統上并工作一段時間后，由于滾珠和滾道的磨損，滾珠絲杠副的預緊力會不斷衰減，機床的加工質量和定位精度會降低。本文中的預緊力可調裝置不是為實際應用而設計的，而是作為研究預緊力變化的工具。

在現有的許多研究中，加速度傳感器安裝在工作臺上，用于采集進給驅動系統的振動加速度信號，并進行相應的處理。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值，將振動傳感器嵌入絲杠螺母的可行性對未來的智能機床具有重要價值。