螺母预紧力对滚珠丝杠振动特性的影响

 随着对高质量零件的需求和生产率的提高，发展高精度高速进给传动系统已成为必然趋势。大量的现代进给驱动系统需要将旋转运动转化为直线运动，其中滚珠丝杠副起着非常重要的作用；与传统的螺母组件相比，滚珠丝杠副具有高精度、高可靠性、高刚性和低轴向间隙的特点。滚珠丝杠副属于滚动摩擦，具有低摩擦传动特性，在刚度相对较高的情况下仍能提供平稳的进给运动。

 滚珠丝杠副最重要的特点之一是可以通过设定不同的预紧力来改变其刚度。为了增加滚珠丝杠副的刚度，预紧力必须足以消除丝杠和螺母之间的轴向间隙，所以可以通过增加预紧力来实现高精度定位；此外，可以使用适当的预紧力，避免产生过多的热量，维持螺钉的预期寿命。目前，对于中低载荷，通过在单螺母滚珠丝杠副中使用较大尺寸的滚珠来提供预紧力；对于中高载荷，在双螺母滚珠丝杠副的两个螺母之间插入一定厚度的圆盘，以提供适当的预载荷。

 在实际的磨合过程中，由于滚珠的运动和连续进给，滚珠丝杠副的滚珠通常比普通滚珠轴承承受更大的磨损。滚珠丝杠副的滚动/滑动摩擦会导致不同程度的磨损（如磨损、粘着、材料疲劳等）这将反映滚珠丝杠预紧力的下降。因此，监测滚珠丝杠副预紧力的变化对研究人员和工程师来说是非常重要的。滚珠丝杠副的预紧力主要通过摩擦力矩来监测，结果表明，随着预紧力的增大，滚珠丝杠副摩擦阻力矩的波动也随之增大，推导了预紧力与空载摩擦力矩对应关系的计算公式，并通过实验进行了验证。

 由于摩擦力矩测量装置体积较大，在实际工况下很难通过摩擦力矩监测滚珠丝杠副的预紧力，所以通过振动信号的频域特征来监测滚珠丝杠副的预紧力。压电式振动传感器体积小，安装方便，很好地克服了摩擦式扭矩测量装置的缺点。以可调预紧力的滚珠丝杠副进给驱动系统和带加速度传感器的数据采集系统为对象，预紧力加载装置设定不同等级的预紧力，数据采集系统采集不同预紧力等级下滚珠丝杠螺母表面的振动信号。

通过比较预紧力可调的滚珠丝杠副进给驱动系统的动力学模型，验证了经过频域分析和处理后的振动信号能否用于监测不同的预紧力水平。根据滚珠丝杠副进给驱动系统的动力学模型，可以识别出250~350 Hz频带内的第二共振频率，因为滚珠螺母的刚度在该频带内占主导地位。由于螺母刚度的变化，可以监测不同预紧力水平下振动频域信号的变化。50~350 Hz频段内不同预紧力水平下振动加速度的频域信号。树数值趋势表明，预紧力水平的降低可以通过峰值频率和峰值频率幅值的降低来检测，不同预紧力水平下的峰值频率和峰值频率振幅曲线，随着预紧力的增大，测得的峰值频率呈增大趋势，峰值频率振幅也不断增大。

标准化峰值频率和峰值频率的振幅，这个数据来自于不同预紧力水平下测得的结果除以最大预紧力水平的结果，即滚珠丝杠副额定动载荷的9%。例如，当滚珠丝杠副的预紧力水平从额定动载荷的9%降低到3%时，峰值频率将降低5%，峰值频率的振动幅度将降低9%。通过监测振动加速度信号的峰值频率(或峰值频率的振幅)降低的百分比来评估滚珠丝杠副预紧力的降低水平是非常可行的。

 在实践中，当制造商向客户销售滚珠丝杠副时，滚珠丝杠副的预紧力是工厂设定值。当客户将滚珠丝杠副安装在进给驱动系统上并工作一段时间后，由于滚珠和滚道的磨损，滚珠丝杠副的预紧力会不断衰减，机床的加工质量和定位精度会降低。本文中的预紧力可调装置不是为实际应用而设计的，而是作为研究预紧力变化的工具。

在现有的许多研究中，加速度传感器安装在工作台上，用于采集进给驱动系统的振动加速度信号，并进行相应的处理。说明振动传感器安装在最靠近滚珠的位置，也就是螺母表面，采集到的振动信号更有价值，将振动传感器嵌入丝杠螺母的可行性对未来的智能机床具有重要价值。