专利名称：加工中心直线导轨结合面动态特性测试设备及分析方法
技术领域：
本发明属于机械领域，特别涉及一种加工中心直线导轨结合面动态特性测试设备及分析方法。
背景技术：
通常我们对新开发的加工中心整机需要做动态的理论分析，主要分析其受力和模态。分析方法主要用ANSYS等有限元分析软件对整机三维模型进行分析。整机三维模型是由众多部件组装而成，各个部件在软件里组装时均有结合面；如果将结合面特性(弹性模量、泊松比等)设置与部件相同，则相当于两个部件固联在一起；然而在加工中心工作时， 滑块中的滚珠和导轨间将产生动压润滑油膜，油膜的特性(弹性模量、泊松比等)明显与部件不同，而且油膜的存在使结合面间存在阻尼。油膜对整机的动态特性(刚度系数、模态等)产生了重大影响，因此在进行动态分析时必须对结合面特性进行设置。结合面的动态特性与结合面两表面表面粗糙度、运动速度、载荷均有较大关系，因此，在实际分析中必须对其进行实验方能确定结合面相关参数。
发明内容
本发明利用油膜的动态特性与结合面两表面表面粗糙度、运动速度、载荷间存在的关系，发明一种加工中心直线导轨结合面动态特性测试设备及分析方法。本发明技术方案是这样实现的一种加工中心直线导轨结合面动态特性测试设备，其特征在于测试设备包括平台、丝杆丝母、滑块、电机、传感器、导轨座和待测导轨；导轨座固定在平台上，其上面设有两条平行和等高的导轨槽，两条待测导轨分别固定在导轨槽上，所述两条待测导轨的两端分别各设一个力传感器；丝杆处于两条导轨槽的中心面上， 其两端通过支撑轴座定位在平台上，其中一端与电机输出轴轴接；待测导轨分别配设有一滑块，两滑块通过一连接板固定成一体，该连接板中央位置朝上凸设有一心轴，在该心轴上能叠加载荷块，所述滑块的三个面上装设有加速度传感器，而在滑块行程的两端也分别设有加速度传感器；旋接在丝杆上的丝母与连接板间设有一连接片。所述平台表面加工有复数道平行的倒T形槽；导轨座通过螺栓锁固在所述平台表面的倒T形槽上。所述导轨座截面成凹形结构，导轨槽设在两侧的凸脊部，待测导轨与导轨槽间设有对应的螺栓孔，通过螺栓将待测导轨锁固在导轨槽中；导轨槽的一侧还设有水平调整块， 该水平调整块通过螺栓锁定在导轨槽底部；丝杆处于导轨座凹部。加工中心直线导轨结合面动态特性的分析方法一、用表面轮廓测量仪测量待测导轨与滑块表面粗糙度，根据测量结果轮廓测量仪测试软件可计算出两表面的最小间距和微观不平度十点高度；二、在测试设备上安装待测导轨和对应的滑块，并在滑块和待测导轨间上有油润滑；
三、开启电机，使丝杆驱动滑块运动；运用油膜厚度测试仪与薄膜测试系统测量滑块中滚珠与待测导轨间的油膜厚度；并对比油膜厚度与步骤一计算出的最小间距，如果油膜厚度比最小间距小则无法形成动压润滑油膜；是否有油膜存在对滑块与导轨结合面的动态特性，也即比例阻尼和刚度系数影响很大；四、PV值测试，通过电机改变丝杆转动速度，以此改变载荷状态滑块的移动速度， 用V表示，单位m/s ；通过改变载荷块的数量来改变滑块及待测导轨承载力，用P表示，单位 N;测试在不同载荷下的油膜厚度，并与步骤一计算出的最小间距对比，看是否存在动压润滑油膜；最终得到不存在动压润滑油膜的PV极限最小值，也即承载力P与速度V的乘积；五、比例阻尼测试，在第四步骤测试的同时，通过待测导轨两端的力传感器，测试待测导轨在不同载荷下，实际承载力大小，计算出载荷损失，并通过有限元分析软件计算出比例阻尼；六、刚度系数测试，在第四步骤测试的同时，利用滑块上的三个加速度传感器和滑块行程两端的加速度传感器，测量出滑块的加速度，并由模态分析软件计算出结合面的刚度系数；七、改变第四步骤中的PV值，得到不同状态下的比例阻尼和刚度系数，对比各不同计算结果，得出存在动压润滑油膜时的结合面特性，以及不存在动压润滑油膜时结合面特性；同时也可得到能否形成动压润滑油膜的边界条件，也即PV值；八、将测试分析结果对比拟分析的加工中心的工作条件，分析其在工作条件下的 PV值，是否能形成动压润滑油膜；不同的工作条件将对应不同的动态特性；九、将步骤七的计算结果代入整机有限元模型中，运用有限元分析软件可得到准确的整机动态特性和受力分析结果。本发明的测试设备，能根据测试需要，模拟出滑块在待测导轨上移动速度和载荷量的变化，通过测试滑块与待测导轨间油膜的变化，分析并计算加工中心导轨结合面的动态特性，包括比例阻尼和刚度系数，并将其带入到整机有限元模型中进行计算，即可得到准确的整机动态特性和受力分析结果。
下面结合具体图例对本发明做进一步说明图1测试设备局部剖面示意2测试设备导轨座与待测导轨间关系剖面示意3测试设备俯视示意图其中ι-平台11-倒T形槽2-导轨座21-导轨槽
22-水平调整块3-待测导轨4-滑块41-连接板
42-心轴5-丝杆51-丝母52-支撑轴座
53-连接片6-电机7-载荷块8-加速度传感器
81-力传感器9-螺栓
具体实施例方式
参照图1、图2和图3，加工中心直线导轨结合面动态特性测试设备，包括平台1、 导轨座2、待测导轨3、滑块4、传感器、丝杆5、丝母51和电机6 ；平台1使用厚钢板，其表面加工有复数道平行的倒T形槽11 ；导轨座2通过螺栓9锁固在所述平台表面的倒T形槽11 上，可保证其稳定。导轨座2截面成凹形结构，导轨槽21设在两侧的凸脊部，并保持加工出的两条导轨槽21的平行和等高；待测导轨3与导轨槽21间设有对应的螺栓孔，通过螺栓9 将待测导轨3锁固在导轨槽21中；导轨槽21的一侧还设有水平调整块22，该水平调整块 22通过螺栓9锁定在导轨槽21的底部，利用水平调整块22能将待测导轨3挤到导轨机理 21的一侧。两条待测导轨3分别配设有一滑块4，两滑块4通过一连接板41固定成一体，该连接板41中央位置朝上凸设有一心轴42，在该心轴42上能叠加载荷块7，所述滑块4的三个面上装设有加速度传感器8，而在滑块4行程的两端也分别设有加速度传感器8，可安装固定在滑块4行程两端的任一固定物上；所述两条待测导轨3的两端分别各设一个力传感器 81。所述丝杆5处于两条导轨槽21的中心面上，准确地说是处于导轨座2的中央凹部，其两端通过支撑轴座52定位在平台1上，其中一端与电机6输出轴轴接；丝杆5上旋接有一丝母51，该丝母51与连接板41间设有一连接片53，借助该连接片53，使得滑块4与丝母51同步，由丝杆5驱动。本测试设备根据需要，既可改变载荷块的重量，也能通过调节电机6的转速，改变滑块4滑动的速度。具体的分析方法如图所示，加工中心直线导轨结合面动态特性测试平台，主要测试并计算出滑块4 和导轨3结合面之间的动态特性，也即比例阻尼和刚度系数。本实例中，待测导轨3采用台湾PMI直线导轨，型号MSB-TE-25-E ；初始载荷20KN，每次以IOKN递增载荷块7 ；电机6转速为3000r/m，可实现无级变速；滑块4最大直线移动速度为20M/m，可实现无级变速。测试和分析的步骤如下第一步安装前，用哈量集团2302A型表面轮廓测量仪分别测量滑块4和导轨3的表面粗糙度，根据测量结果轮廓测量仪测试软件可计算出两表面的最小间距和微观不平度十点高度；第二步在测试设备上安装待测导轨3和对应的滑块4，并在滑块4和待测导轨3 间上有油润滑；第三步开启电机6，使丝杆5驱动滑块4运动；运用PCS EHD2油膜厚度测试仪与 EHL Ultra薄膜测试系统(生产厂商上海邦安检测工程有限公司)测量滑块4中滚珠与待测导轨3间的油膜厚度；并对比油膜厚度与步骤一计算出的最小间距，如果油膜厚度比最小间距小则无法形成动压润滑油膜；是否有油膜存在对滑块4与待测导轨3结合面的动态特性，也即比例阻尼和刚度系数影响很大；第四步通过心轴42施加载荷块7，记录下载荷P，单位N;通过电机6驱动丝杆5， 使滑块4相对于待测导轨3移动，记录下速度V，单位m/s ；运动过程中记录下加速度传感器 8和力传感器81的数值；根据测量出的油膜厚度与最小间距对比可判断是否存在润滑油膜；实验记录的滑块4的载荷P和速度V的乘积，也即PV值，可作为是否存在润滑油膜的判断依据；根据测出的加速度值，用上海宏勤科技公司的Modalview模态分析软件计算出滑块4和待测导轨3结合面之间的刚度系数，根据施加载荷P和力传感器测出载荷值，计算出载荷损失，并通过美国ANSYS公司的ANSYS有限元分析软件计算出比例阻尼；第五步第四步骤的每改变一次PV值测试，对应计算出不同速度和载荷下的比例阻尼和刚度系数，可作为该PV值状态下结合面的动态特性系数。第六比较上述计算结果，得出存在动压润滑油膜时的结合面特性，以及不存在动压润滑油膜时结合面特性；同时也可得到能否形成动压润滑油膜的边界条件，也即PV值；第七步将测试分析结果对比拟分析的加工中心的工作条件，分析其在工作条件下的PV值，是否能形成动压润滑油膜；不同的工作条件将对应不同的动态特性；第八步将步骤五的计算结果代入整机有限元模型中，运用ANSYS有限元分析软件可得到准确的整机动态特性和受力分析结果。加工中心在进行动态分析时，先根据工作情况得出PV值，然后判断是否存在动压润滑油膜，并分别代入通过实验得到的结合面动态特性(是否存在动态润滑油膜动态特性是不同的)，以得到较为精确的求解。
权利要求
1.一种加工中心直线导轨结合面动态特性测试设备及分析方法，其特征在于测试设备包括平台、丝杆丝母、滑块、电机、传感器、导轨座和待测导轨；导轨座固定在平台上，其上面设有两条平行和等高的导轨槽，两条待测导轨分别固定在导轨槽上，所述两条待测导轨的两端分别各设一个力传感器；丝杆处于两条导轨槽的中心面上，其两端通过支撑轴座定位在平台上，其中一端与电机输出轴轴接；待测导轨分别配设有一滑块，两滑块通过一连接板固定成一体，该连接板中央位置朝上凸设有一心轴，在该心轴上能叠加载荷块，所述滑块的三个面上装设有加速度传感器，而在滑块行程的两端也分别设有加速度传感器；旋接在丝杆上的丝母与连接板间设有一连接片。分析方法一、表面轮廓测量仪测量待测导轨与滑块表面粗糙度，根据测量结果轮廓测量仪测试软件计算出两表面的最小间距和微观不平度十点高度；二、在测试设备上安装待测导轨和对应的滑块，并在滑块和待测导轨间上加润滑油进行润滑；三、开启电机，使丝杆驱动滑块运动；运用油膜厚度测试仪与薄膜测试系统测量滑块中滚珠与待测导轨间的油膜厚度；并对比油膜厚度与步骤一计算出的最小间距，如果油膜厚度比最小间距小则无法形成动压润滑油膜；四、PV值测试，通过电机改变丝杆转动速度，以此改变载荷状态滑块的移动速度，用V 表示，单位m/s ；通过改变载荷块的数量来改变滑块及待测导轨承载力，用P表示，单位N ； 测试在不同载荷下的油膜厚度，并与步骤一计算出的最小间距对比，看是否存在动压润滑油膜；最终得到不存在动压润滑油膜的PV极限最小值，也即承载力P与速度V的乘积；五、比例阻尼测试，在第四步骤测试的同时，通过待测导轨两端的力传感器，测试待测导轨在不同载荷下，实际承载力大小，计算出载荷损失，并通过有限元分析软件计算出比例阻尼；六、刚度系数测试，在第四步骤测试的同时，利用滑块上的三个加速度传感器和滑块行程两端的加速度传感器，测量出滑块的加速度，并由模态分析软件计算出结合面的刚度系数；七、改变第四步骤中的PV值，得到不同状态下的比例阻尼和刚度系数，对比各不同计算结果，得出存在动压润滑油膜时的结合面特性，以及不存在动压润滑油膜时结合面特性； 同时也可得到能否形成动压润滑油膜的边界条件，也即PV值；八、将测试分析结果对比拟分析的加工中心的工作条件，分析其在工作条件下的PV 值，是否能形成动压润滑油膜；不同的工作条件将对应不同的动态特性；九、将步骤七的计算结果代入整机有限元模型中，运用有限元分析可得到准确的整机动态特性和受力分析结果。
2.根据权利要求1所述的加工中心直线导轨结合面动态特性测试设备，其特征在于 平台表面加工有复数道平行的倒T形槽；导轨座通过螺栓锁固在所述平台表面的倒T形槽上。
3.根据权利要求1或2所述的加工中心直线导轨结合面动态特性测试设备，其特征在于导轨座截面成凹形结构，导轨槽设在两侧的凸脊部，待测导轨与导轨槽间设有对应的螺栓孔，通过螺栓将待测导轨锁固在导轨槽中；导轨槽的一侧还设有水平调整块，该水平调整块通过螺栓锁定在导轨槽底部；丝杆处于导轨座凹部。
全文摘要
本发明涉及一种加工中心直线导轨结合面动态特性测试设备及分析方法，其测试设备包括平台、丝杆丝母、滑块、电机、传感器、导轨座和待测导轨等；通过测试分析滑块在不同载荷和移动速度下，滑块与待测导轨间油膜的状况，利用公知计算手段和分析软件计算出加工中心导轨结合面的动态特性，包括比例阻尼和刚度系数，并将其带入到整机有限元模型中进行计算，即可得到准确的整机动态特性和受力分析结果。
文档编号G01N3/40GK102313643SQ201110258129
公开日2012年1月11日 申请日期2011年9月1日 优先权日2011年9月1日
发明者周景亮, 彭晋民, 李强, 李济泽, 郑伟, 陈世辉 申请人:福建工程学院