一种加工中心床身与立柱螺栓连接状态检测方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及机床制造及装配技术领域，具体涉及工作台竖直移动式双立柱卧式加 工中心床身与立柱螺栓连接状态检测方法和装置。
【背景技术】
[0002] 传统卧式加工中心工作台在水平方向移动，而工作台竖直移动式卧式加工中心双 立柱置于床身前方，工作台沿着双立柱实现竖直移动，该构型卧式加工中心具有上下料方 便、利于排肩等特点。但该构型卧式加工中心，立柱重力、Y轴进给系统重力、工作台重力、工 件重力，以及切削过程中的Y向切削力，X向、Z向切削产生的力矩等主要由床身与立柱间的 螺栓和\或销组合连接方式承担，并且需要保证良好的整机刚度及精度，因此需要严格控制 床身与立柱间的螺栓连接预紧力。
[0003] 床身与立柱螺栓连接状态受螺栓轴向预紧力、连接界面平面度及粗糙度等因素综 合影响，拧紧过程中施加的是拧紧力矩，起预紧作用的是轴向预紧力，轴向力除受拧紧力矩 影响外，也受螺纹牙面摩擦系数、螺栓头平面摩擦系数，以及拧紧速度、拧紧次数等因素影 响，具有很大随机性;床身与立柱的结合面面积较大，相互结合表面的平面度、波纹度及粗 糙度等也对结合面接触状态具有很大影响;此外，目前卧式加工中心装配过程中拧紧力矩 主要依靠人为控制，可能存在漏拧、拧紧力矩不足、拧紧顺序不合理，或拧紧次数不均匀等 问题。因此，实际装配后的床身与立柱螺栓连接状态很可能与设计状态存在较大差异，有必 要进行相应检测与评定。
[0004] 授权公告号为CN 102322983 B、CN 103245452 B、CN 103616118 B、CN 103162877 B、CN 102519652 B等专利分别发明了一种螺栓紧固状态监测装置或方法，但要求在螺栓连 接结构中添加附件，或者在螺栓连接结构中添加传感器。而装配现场检测床身与立柱螺栓 连接状态过程中不允许在螺栓连接中添加附加装置，以免影响连接可靠性及后续的可维护 性，在结合面间添加传感器也将影响结合面的实际接触状态。因此，需研究既不影响床身与 立柱螺栓连接状态，又不影响螺栓连接可靠性及后续维护性的检测方法。
[0005] 在针对工作台竖直移动式双立柱卧式加工中心床身与立柱进行应力场及振动测 试过程中发现：（1)螺栓作用下，床身与立柱结合面压力在以螺栓中心为圆心，直径80mm范 围内集中分布，超出该范围结合面压力分布相对均匀，集中分布面积几乎不随预紧载荷改 变而改变；（2)距离螺栓中心40mm范围内，在床身及立柱上对称布置加速度传感器，法向激 励（即沿螺栓的轴向施加的激励)作用下螺栓连接紧固状态与能量损耗特性之间存在明显 的规律性:法向激励(即激振力垂直于结合面)作用下，在螺栓预紧力矩较小(一般小于螺栓 额定预紧力矩70%时），能量损耗率随预紧力增大而迅速减小，而当螺栓预紧力达到额定预 紧力的70~80%范围后，随着预紧力增大，能量损耗率随预紧力增大保持相对稳定。实际装 配过程中，设计要求床身与立柱各螺栓实际连接状态对应于额定预紧力的80%作用下的预 紧状态，因此结合该规律能够快速、准确判断床身与立柱螺栓连接是否存在漏拧、预紧力不 足以及结合面接触状态不良等问题。
[0006] 通过检索专利及国内外论文发现，一篇文献介绍了螺栓连接结构在切向载荷(平 行于结合面)作用下的能量损耗规律，经测试发现:切向动载荷作用下，预紧力达到额定预 紧力50~60 %后，随着预紧力增大，床身与立柱能量损耗率即随预紧力增大保持相对稳定， 因此基于切向载荷作用下的能量损耗规律，不能准确判断床身与立柱是否实现良好预紧， 同时，装配过程中切向载荷作用也可能影响机床装配精度;另外基于动力学特征检测螺栓 连接状态以及采用压电陶瓷激励检测螺栓连接状态等方法，主要用于检测、分析螺栓连接 结构模态及刚度、阻尼特征，而准确测试、提取床身-立柱各螺栓连接位置的刚度、阻尼特征 困难，仅提取模态难以直接判断各螺栓连接是否存在预紧力大小不足等问题。
【发明内容】
[0007] 本发明针对以上问题的提出，而研究设计一种不影响螺栓的连接状态、操作方便 且检测速度快的加工中心床身与立柱螺栓连接状态检测方法及装置。
[0008] 本发明的技术手段如下：
[0009] -种加工中心床身与立柱螺栓连接状态检测方法，包括以下步骤：
[0010] S1、力锤在立柱侧给螺栓施加轴向激励，数据采集系统分别采集床身和立柱在不 同时刻的加速度信号，并通过数据分析系统分别计算出立柱的加速度信号的有效值<?和 床身的加速度信号的有效值a:;
[0011] 其中加速度信号的有效值的计算方法为：:，式中，ai为不同时刻
的加速度值，η为一段时间内加速度值的采样长度；
[0012] 数据分析系统计算出能量损耗率Α，具体计算公式为：
[0013] S2、将能量损耗率Α与能量损临界阈值Αο相比较，其中，能量损耗临界阈值Αο为螺 栓在拧紧状态下力锤给螺栓施加轴向激励后能量损耗率;若Α>Αο,表明连接床身与立柱的 螺栓出现漏拧、松动或者预紧力不足;若Α〈Αο，表明螺栓连接状态满足要求。
[0014] 进一步地，所述能量损耗临界阈值Αο的确定方法为：
[0015] 给螺栓施加不同预紧力，然后力锤在立柱侧给螺栓施加轴向激励，分别计算出螺 栓在不同预紧状态下的能量损耗率，随着预紧力的增加，能量损耗率趋于一个稳定值，这个 稳定值即为能量损耗临界阈值Αο。
[0016] 进一步地，所述能量损耗临界阈值Αο的确定方法为：
[0017] (1)构造床身和立柱的相似试件
[0018] 加工与床身和立柱相同材料、相同粗糙度、相同螺栓类型和分布方式以及相似结 构外形的试件，并构造与床身和立柱相同的约束条件；
[0019] (2)计算螺栓不同预紧状态下能量损耗率
[0020] 分别调节螺栓预紧力至螺栓额定预紧力的10 %、20 %、30 %、40%、50%、60 %、 70%、80%、90%、100%;用力锤在立柱相似试件一侧给螺栓施加轴向激励，分别采集立柱 相似试件和床身相似试件的加速度信号，并通过数据分析系统分别计算出立柱相似试件和 床身相似试件的加速度信号的有效值，计算出能量损耗率;随着预紧力的增加能量损耗率 趋于一个稳定值，取这个稳定值为能量损耗临界阈值Ao。
[0021] -种加工中心床身与立柱螺栓连接状态检测装置，所述床身与立柱通过螺栓把 合，所述检测装置包括：
[0022] 分别设置在立柱和床身的把合面的邻侧面上，且与所述螺栓位于同一水平面上的 第一加速度传感器和第二加速度传感器；
[0023] 用于采集所述第一加速度传感器和所述第二加速度传感器的加速度信号的数据 米集系统；
[0024]在立柱侧给螺栓施加轴向激励的力锤；
[0025]以及用于计算第一加速度传感器的加速度信号的有效值与第二加速度传感器 的加速度信号的有效值并根据?和计算出能量损耗率A的数据分析系统。
[0026]若能量损耗率A>能量损耗临界阈值Ao，表明连接床身与立柱的螺栓出现漏拧、松 动或者预紧力不足;若能量损耗率A〈能量损耗临界阈值Ao,表明螺栓连接状态满足要求。 [0027]进一步地，所述第一加速度传感器和第二加速度传感器均为三向加速度传感器。
[0028] 更进一步地，所述第一加速度传感器和第二加速度传感器的中心连线与螺栓轴线 平行。
[0029] 与现有技术比较，本发明所述的加工中心床身与立柱螺栓连接状态检测方法及装 置就有以下有益效果：<