一种滚动直线导轨副结合部静刚度测试装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种滚动直线导轨副结合部静刚度测试装置，桥式箱体上设置有A、B、C三个定位孔；将压载荷加载机构固定在定位孔A中，进行法向压刚度测试加载；将拉载荷加载机构固定在定位孔A中，进行法向拉刚度测试加载；将压载荷加载机构固定在定位孔B中，进行侧向刚度测试加载；将扭矩加载机构固定在定位孔A中，进行绕Z轴角刚度测试加载；将扭矩加载机构固定在定位孔B中，进行绕Y轴角刚度测试加载；将扭矩加载机构固定在桥式箱体前面板的定位孔D中，进行绕X轴角刚度测试加载。本发明还公开了一种滚动直线导轨副结合部静刚度测试方法。本发明的装置及方法，采用模块结构设计，能够实现不同规格导轨刚度测试需要。
【专利说明】一种滚动直线导轨副结合部静刚度测试装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于机械设备制造【技术领域】，涉及一种滚动直线导轨副结合部静刚度测试 装置，本发明还涉及一种滚动直线导轨副结合部静刚度测试方法。
【背景技术】
[0002] 滚动直线导轨副广泛应用于数控机床、机器人等数控装备中，是数控装备中运动 部件实现低摩擦进给的主要功能部件。滚动直线导轨副是在导轨块与导轨条（支承导轨） 之间放置滚动体（滚珠、滚柱），从而实现导轨块与导轨条之间极低的滚动摩擦传动，由导 轨块与导轨条之间部分（含滚动体）组成滚动直线导轨副结合部。滚动直线导轨副结合部 刚度（即滚动导轨块与支承导轨条之间所形成的结合部刚度）直接影响着机床结构的整机 静、动态性能。而影响滚动直线导轨副结合部刚度的因素较多，包括滚动体形式（滚珠型、 滚柱型）及尺寸、滚动体数量及排列方式、滚道结构及尺寸、导轨块结构及尺寸、导轨条结 构及尺寸、预紧力大小、润滑条件等，而且生产中由于滚动体、滚道形状及其尺寸误差的存 在，导致滚动直线导轨副结合部刚度值具有一定的分散度，传统方法所给出的刚度值也只 是基于赫兹理论计算出来的理论刚度值。因此只有通过实验方法才能准确测试出某个规格 滚动直线导轨副结合部刚度，才能对提高和控制滚动直线导轨产品质量、开发新型导轨副 产品及为机床结构特性分析提供滚动直线导轨副结合部刚度数据。
[0003] 滚动直线导轨结合部具有六项刚度值，包括法向的拉、压及侧向三个线刚度，绕三 个轴向的角刚度。各刚度的测试加载较为困难，目前还没有公开文献报道。另一方面，滚动 直线导轨副的结构尺寸多种多样，且呈系列化，完成不同规格尺寸导轨副结合部刚度测试 困难更大。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的提供一种滚动直线导轨副结合部静刚度测试装置，解决了现有技术 条件下各刚度的测试加载较为困难，完成不同规格尺寸导轨副结合部刚度测试困难更大的 问题。
[0005] 本发明的另一目的提供一种滚动直线导轨副结合部静刚度测试方法。
[0006] 本发明采用的技术方案是，一种滚动直线导轨副结合部静刚度测试装置，包括桥 式箱体与底板连接形成一个环形封闭结构，桥式箱体上设置有A、B、C三个定位孔；
[0007] 将压载荷加载机构固定在定位孔A中，称为法向压载荷加载机构，用于实现法向 压刚度测试加载；
[0008] 将拉载荷加载机构固定在定位孔A中，用于实现法向拉刚度测试加载；
[0009] 将压载荷加载机构固定在定位孔B中，用于实现侧向刚度测试加载；
[0010] 将扭矩加载机构固定在定位孔A中，用于实现绕Z轴角刚度测试加载；
[0011] 将扭矩加载机构固定在定位孔B中，用于实现绕Y轴角刚度测试加载；
[0012] 将扭矩加载机构固定在桥式箱体前面板的定位孔D中，用于实现绕X轴角刚度测 试加载。
[0013] 本发明采用的另一技术方案是，一种滚动直线导轨副结合部静刚度测试方法，利 用权利要求上述的装置，
[0014] 将压载荷加载机构固定在定位孔A中，进行法向压刚度测试加载；
[0015] 将拉载荷加载机构固定在定位孔A中，进行法向拉刚度测试加载；
[0016] 将压载荷加载机构固定在定位孔B中，进行侧向刚度测试加载；
[0017] 将扭矩加载机构固定在定位孔A中，进行绕Z轴角刚度测试加载；
[0018] 将扭矩加载机构固定在定位孔B中，进行绕Y轴角刚度测试加载；
[0019] 将扭矩加载机构固定在桥式箱体前面板的定位孔D中，进行绕X轴角刚度测试加 载，
[0020] 然后测试导轨块及导轨条上位移传感器在多个不同位置上的位移变化，通过换算 得到滚动导轨副结合部的三个线位移和三个角位移；绘制出相应的载荷与相应的线位移或 角位移之间的拟合关系曲线，通过对该拟合曲线求导得到导轨副结合部的六项刚度函数曲 线。
[0021] 本发明的有益效果是，以滚动直线导轨副为试验对象，为了真实反映滚动直线导 轨副在机床结构中的接触状况，本发明的测试装置设置有加载装置、导轨条支承装置等，通 过变换不同加载方式可实现六项静刚度测试。在刚度测试中，采用在不同位置设置位移传 感器，检测不同外载荷作用下的滚动直线导轨副结合部的变形（即导轨块与导轨条之间的 相对位移），通过对试验获取数据进行拟合处理，得到滚动直线导轨副结合部的变形与外载 荷之间的函数关系曲线，通过对该关系函数求导，得到滚动直线导轨副结合部刚度。
[0022] 本发明的方法，通过更换较少部分零件，能够适应不同规格尺寸的滚动直线导轨 副结合部的六项静刚度测试，可测试出不同规格、不同预紧力条件下的滚动直线导轨副结 合部刚度值，本发明方法无需换算直接测试出所加力矩载荷的大小，方便载荷度量和控制； 不仅能够为滚动直线导轨副的性能及质量评价提供实验数据，而且可以为机床整机结构性 能的预测分析及合理选配滚动直线导轨副提供依据，对新型滚动直线导轨副产品的设计开 发具有重要意义。
【专利附图】
【附图说明】
[0023] 图1为导轨副坐标系定义示意图；
[0024] 图2为导轨副坐标系投影视图，a为横向截面结构示意图，b为纵向结构示意图；
[0025] 图3为导轨副法向拉、压刚度测试原理图，a为横向截面示意图，b为纵向结构示意 图；
[0026] 图4为本发明的导轨副侧向刚度测试原理图，a为横向截面示意图，b为纵向结构 俯视图；
[0027] 图5为本发明的导轨副绕X轴角刚度测试原理图，a为横向截面示意图，b为纵向 结构俯视图；
[0028] 图6为本发明的导轨副Y向角刚度测试原理图，a为横向截面示意图，b为纵向结 构示意图；
[0029] 图7为本发明的导轨副Z轴角刚度测试原理图，a为纵向结构俯视图，b为纵向结 构侧视图；
[0030] 图8为本发明采用的法向压刚度测试装置结构示意图；
[0031] 图9为本发明采用的法向拉刚度测试装置结构示意图；
[0032] 图10为本发明采用的侧向刚度测试装置结构示意图；
[0033] 图11为本发明采用的绕Z轴角刚度测试加载装置示意图；
[0034] 图12为本发明采用的绕Z轴角刚度测试加载装置外观示意图；
[0035] 图13为本发明采用的绕Y轴角刚度测试加载装置示意图；
[0036] 图14为本发明采用的绕Y轴角刚度测试加载装置外观示意图；
[0037] 图15为本发明采用的绕X轴角刚度测试加载装置外观示意图；
[0038] 图16为本发明采用的绕X轴角刚度测试加载装置示意图。
[0039] 图中，1.导轨条，2.导轨块，3.滚动体，4.钢球，5.加力导杆A，6.导向套筒，7.力 传感器A，8.过渡件，9.加力螺栓，10.加载套筒，11.桥式箱体，12.模拟连接件，13.模拟支 承件，14.底板，15.扣板，16.拉力头，17.销，18.接杆，19.螺杆，20.定位压套，21.螺母， 22.垫块，23.推力轴承，24.过渡块，25.力传感器B，26.加力导杆B，27.力臂杆，28.定位 套，29.转轴，30.定位销A，31.扭矩传感器，32.定位销B，33.模拟连接板，34.加载螺栓， 35.施力座，36.施力杆，37.前面板，38.过渡板B，39.过渡板A。
【具体实施方式】
[0040] 下面结合附图及【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明。
[0041] 图1为导轨副坐标系定义示意图，图2为导轨副坐标系投影视图，导轨条1与导轨 块2之间设置有多组滚动体3,其中，坐标原点0定义在上下四排滚动体3的对称位置面内， 即X向、Y向、Z向对称面的相交处，导轨副坐标系ΧΥΖ-0位于导轨块2四排滚动体3的对称 位置，Z轴垂直导轨块2顶面向上称为法向，位于其对称位置；X轴沿导轨块2运动方向，位 于上下两排滚珠体3的对称轴位置及导轨块2沿X向的对称位置；Y轴垂直于导轨块2的 侧面称为侧向，位于两列滚珠体3的对称位置。
[0042] 本发明装置能够测试导轨副结合部的三个线刚度：即沿Z轴、Y轴的线刚度，包括 法向的拉刚度（沿Z轴方向）和压刚度（沿Z轴反方向）和侧向刚度（沿Y轴方向）；本 发明装置还能够测试导轨副结合部的三个角刚度：绕X、Y、Z轴的角刚度，分别用U、V、W表 示，即绕X轴回转为U、绕Y轴回转为V、绕Z轴回转为W。
[0043] 本发明方法采用滚动直线导轨副结合部静刚度测试装置，通过分别给导轨块在六 个不同方向加载，包括法向拉载荷、法向压载荷、侧向力载荷、三个扭矩载荷，然后测试导轨 块2及导轨条1上各个位移传感器在多个不同位置上的位移变化，通过换算得到滚动导轨 副结合部的三个线位移和三个角位移；绘制出相应的力（力矩）载荷与相应的线（角）位 移之间的拟合关系曲线，通过对该拟合曲线求导得到导轨副结合部的六项刚度值。
[0044] 图3是本发明的导轨副结合部法向拉、压刚度测试原理图，参照a、b两向视图，测 试导轨副结合部的法向压刚度时，沿Z轴反方向在导轨顶面D点处向下垂直加载，导轨副结 合部变形通过位于Χ0Ζ平面内的四个微位移传感器进行测试，其位移量分别用Up U2、U3、U4 表示，其中位移量Up U3通过设置在导轨块2上的两个微位移传感器实施，位移量U2、U4通 过设置在导轨条1上的另外两个微位移传感器实施，则导轨副结合部变形量S i = UrU2 = u3-u4;然后，将导轨副结合部在不同法向压载荷作用下的变形值绘制成"法向压载荷-变 形"的关系曲线，再拟合成函数，通过对该函数求导，得到导轨副结合部的法向压刚度变化 曲线。
[0045] 测试导轨副结合部的法向拉刚度时，沿Z轴方向在导轨顶面D点处垂直向上加载， 导轨副结合部变形通过位于X0Z平面内的四个微位移传感器测量，其位移量分别用Up u2、 U3、U4表示，其中位移量Ui、U3通过设置在导轨块2上的两个微位移传感器测试，位移量U 2、U4 通过设置在导轨条1上的另外两个微位移传感器测试，则导轨副结合部变形量= Ui-U2 = u3-u4;然后，将导轨副结合部在不同法向拉载荷作用下的变形值绘制成"法向拉载荷-变 形"的关系曲线，再拟合成函数，通过对该函数求导，得到导轨副结合部的法向拉刚度变化 曲线。
[0046] 图4是本发明的导轨副侧向刚度测试原理图，参照a、b两向视图。测试导轨副结 合部的侧向刚度时，沿Y方向垂直导轨块2的侧面在E点处加载F Y，导轨副结合部变形通过 位于Υ0Χ平面内的四个微位移传感器测量，其位移量分别用U5、U 6、U7、U8表示，其中位移量 U6、U 8通过设置在导轨块2上的两个微位移传感器实施，位移量U5、U7通过设置在导轨条1 上的另外两个微位移传感器实施，则导轨副结合部侧向变形量S 2 = U6-U5 = U8-U7 ;然后， 将不同侧向载荷FY下的结合部侧向变形δ 2绘制成"侧向载荷-变形"的关系曲线，再拟合 成函数，通过对该函数求导，得到导轨副结合部的侧向静刚度变化曲线。
[0047] 图5是本发明的导轨副结合部绕X轴角刚度测试原理图，参照a、b两向视图，测试 导轨副结合部绕X轴角刚度时，直接在导轨块2端面（即与Υ0Ζ平面平行）施加力矩M x，再 通过三个微位移传感器测量导轨结合部变形，其中在Υ0Ζ平面内导轨块2的顶面G点设置 有一个微位移传感器，测点G与Z轴距离为t，测量沿Z轴向的位移U 9 ;在垂直导轨条1顶 面的氏、H2点处分别设置有一个微位移传感器，测量点氏、H2与Χ0Ζ平面的距离均为Y 2，测 量沿Ζ轴向的位移U1(l、Un，
[0048] 则导轨块2绕X轴的绝对摆角为
【权利要求】
1. 一种滚动直线导轨副结合部静刚度测试装置，其特征在于，包括桥式箱体（11)与底 板（14)连接形成一个环形封闭结构，桥式箱体（11)上设置有A、B、C三个定位孔； 将压载荷加载机构固定在定位孔A中，称为法向压载荷加载机构，用于实现法向压刚 度测试加载； 将拉载荷加载机构固定在定位孔A中，用于实现法向拉刚度测试加载； 将压载荷加载机构固定在定位孔B中，用于实现侧向刚度测试加载； 将扭矩加载机构固定在定位孔A中，用于实现绕Z轴角刚度测试加载； 将扭矩加载机构固定在定位孔B中，用于实现绕Y轴角刚度测试加载； 将扭矩加载机构固定在桥式箱体（11)前面板（37)的定位孔D中，用于实现绕X轴角 刚度测试加载。
2. 根据权利要求1所述的滚动直线导轨副结合部静刚度测试装置，其特征在于，所述 的法向压载荷加载机构是，包括在桥式箱体（11)上部的定位孔A中套装有导向套筒￠)，导 向套筒（6)中穿有加力导杆A(5)，导向套筒（6)上端固定安装有加载套筒（10)，加载套筒 (10)上盖中套装有加力螺栓（9)，加力螺栓（9)向下通过过渡件（8)、力传感器A(7)与加 力导杆A(5)连接，加力导杆A(5)下端面通过钢球（4)与模拟连接件（12)接触，模拟连接 件（12)压接在导轨块（2)上，导轨条（1)固定在模拟支承件（13)上，模拟支承件（13)固 定在底板（14)上。
3. 根据权利要求1所述的滚动直线导轨副结合部静刚度测试装置，其特征在于，所述 的拉载荷加载机构结构是，在桥式箱体（11)的定位孔A上端沿固定有定位压套（20)，定位 压套（20)向上依次设置有力传感器B (25)、过渡块（24)、推力轴承（23)、垫块（22)及螺母 (21)，螺母（21)中螺纹套装有螺杆（19)，螺杆（19)下端与接杆（18)固定连接，接杆（18) 下端通过销（17)与拉力头（16)铰接，拉力头（16)与扣板（15)活动连接，扣板（15)与导 轨块（2)固定连接，导轨条（1)通过模拟支承件（13)固定在底板（14)上。
4. 根据权利要求1所述的滚动直线导轨副结合部静刚度测试装置，其特征在于，所述 的扭矩加载机构的结构是，桥式箱体（11)的定位孔A中安装有定位套（28)，定位套（28) 套装有转轴（29)，转轴（29)上端与力臂杆（27)传动连接，转轴（29)下端通过扭矩传感器 (31)与模拟连接板（33)固连，扭矩传感器（31)的上下端分别设置有定位销A (30)和定位 销B (32)，模拟连接板（33)向下与导轨块（2)固连，导轨条（1)通过模拟支承件（13)固定 在底板（14)上。
5. 根据权利要求4所述的滚动直线导轨副结合部静刚度测试装置，其特征在于，所述 的在桥式箱体（11)上表面固定安装有施力座（35)，施力座（35)中设置有加载螺栓（34)， 加载螺栓（34)通过施力杆（36)推动力臂杆（27)，力臂杆（27)与转轴（29)传动连接。
6. -种滚动直线导轨副结合部静刚度测试方法，其特征在于，利用权利要求1-5所述 的装置， 将压载荷加载机构固定在定位孔A中，进行法向压刚度测试加载； 将拉载荷加载机构固定在定位孔A中，进行法向拉刚度测试加载； 将压载荷加载机构固定在定位孔B中，进行侧向刚度测试加载； 将扭矩加载机构固定在定位孔A中，进行绕Z轴角刚度测试加载； 将扭矩加载机构固定在定位孔B中，进行绕Y轴角刚度测试加载； 将扭矩加载机构固定在桥式箱体（11)前面板（37)的定位孔D中，进行绕X轴角刚度 测试加载， 然后测试导轨块（2)及导轨条（1)上位移传感器在多个不同位置上的位移变化，通过 换算得到滚动导轨副结合部的三个线位移和三个角位移；绘制出相应的载荷与相应的线位 移或角位移之间的拟合关系曲线，通过对该拟合曲线求导得到导轨副结合部的六项刚度函 数曲线。
7. 根据权利要求6所述的滚动直线导轨副结合部静刚度测试方法，其特征在于，测试 导轨副结合部的法向压刚度时，沿Z轴反方向在导轨顶面D点处向下垂直加载，导轨副结合 部变形通过位于XOZ平面内的四个微位移传感器进行测试，其位移量分别用UpU 2、U3、U4表 示，其中位移量A、U3通过设置在导轨块（2)上的两个微位移传感器实施，位移量％、^通 过设置在导轨条（1)上的另外两个微位移传感器实施，则导轨副结合部变形量\ =Ui-U2 = U3-U4;然后，将导轨副结合部在不同法向压载荷作用下的变形值绘制成"法向压载荷-变 形"的关系曲线，再拟合成函数，通过对该函数求导，得到导轨副结合部的法向压刚度变化 曲线； 测试导轨副结合部的法向拉刚度时，沿Z轴方向在导轨顶面D点处垂直向上加载，导轨 副结合部变形通过位于XOZ平面内的四个微位移传感器测量，其位移量分别用Up U2、U3、U4 表示，其中位移量UpU3通过设置在导轨块（2)上的两个微位移传感器测试，位移量％、仏通 过设置在导轨条（1)上的另外两个微位移传感器测试，则导轨副结合部变形量= Ui-U2 = U3-U4;然后，将导轨副结合部在不同法向拉载荷作用下的变形值绘制成"法向拉载荷-变 形"的关系曲线，再拟合成函数，通过对该函数求导，得到导轨副结合部的法向拉刚度变化 曲线。
8. 根据权利要求6所述的滚动直线导轨副结合部静刚度测试方法，其特征在于，测试 导轨副结合部的侧向刚度时，沿Y方向垂直导轨块（2)的侧面在E点处加载F Y，导轨副结合 部变形通过位于YOX平面内的四个微位移传感器测量，其位移量分别用U5、U 6、U7、U8表示， 其中位移量U6、U 8通过设置在导轨块（2)上的两个微位移传感器实施，位移量％、叫通过设 置在导轨条（1)上的另外两个微位移传感器实施，则导轨副结合部侧向变形量= U6-U5 =U8-U7 ;然后，将不同侧向载荷FY下的结合部侧向变形δ 2绘制成"侧向载荷-变形"的关 系曲线，再拟合成函数，通过对该函数求导，得到导轨副结合部的侧向静刚度变化曲线。
9. 根据权利要求6所述的滚动直线导轨副结合部静刚度测试方法，其特征在于， 1)测试导轨副结合部绕X轴角刚度时，直接在导轨块⑵端面施加力矩Μχ，再通过三个 微位移传感器测量导轨结合部变形，其中在ΥΟΖ平面内导轨块（2)的顶面G点设置有一个 微位移传感器，测点G与Ζ轴距离为t，测量沿Ζ轴向的位移U 9 ;在垂直导轨条（1)顶面的 Hi、H2点处分别设置有一个微位移传感器，测量点Hi、H2与XOZ平面的距离均为Y 2，测量沿Z 轴向的位移U1(l、Un， 则导轨块（2)绕X轴的绝对摆角为
（1) 导轨条（1)绕X轴的绝对摆角为
（2) 导轨副结合部绕X轴的摆角为
通过上述力矩载荷Mx和绕X轴角位移θ χ，绘制出导轨副结合部的"力矩载荷Μχ-角位 移θχ"的关系曲线，再拟合成函数，通过对该函数求导，得到导轨副结合部的绕X轴角刚度 的变化曲线； 2) 测试导轨副结合部绕Υ轴角刚度时，直接在导轨块（2)的侧面平行ΧΟΖ面施加力矩 Μγ ;导轨副结合部绕Υ轴的角位移通过位于ΧΟΖ平面内的四个微位移传感器测量后换算得 至1』，位移量分别用仏、％、4、^表示，其中位移量仏、％通过设置在导轨块（2)上的两个微位 移传感器测量；U 2、U4通过设置在导轨条（1)上的另外两个微位移传感器测量； 规定位移量A、U2、U3、U4沿Z轴方向为正，导轨块沿X方向的长度为L，则力矩Μ γ所产 生的导轨结合部绕Υ轴的角位移为：
(4) 根据上述力矩载荷Μγ与绕Υ轴角位移θ γ对应数据，绘制导轨副结合部绕γ轴"力矩 载荷Μγ-角位移θ/'的关系曲线，再拟合成函数，通过对该函数求导，得到导轨副结合部的 绕Υ轴角刚度的变化曲线； 3) 测试导轨副结合部绕Ζ轴角刚度时，直接在导轨块⑵的顶面平行ΧΟΖ面施加力矩 Μζ，导轨副结合部绕Ζ轴角位移通过位于ΧΟΥ平面内的四个微位移传感器测量后换算得到， 其位移量分别用U 5、U6、U7、U8表示；其中，位移量U6、U 8通过设置在导轨块（2)上的两个微 位移传感器测量；位移量U5、U7通过设置在导轨条（1)上的另外两个微位移传感器测量； 规定位移量U5、U6、U7、U8沿Y轴+方向为正，导轨块沿X方向的长度为L，则力矩M z所 产生的导轨结合部绕Z轴的角位移为：
(5) 通过上述力矩载荷Mz与绕Z轴角位移θ z，绘制导轨副结合部的"力矩载荷Mz-角位移 θζ"的关系曲线，再拟合成函数，通过对该函数求导，得到导轨副结合部的绕Z轴角刚度的 变化曲线。
【文档编号】G01N3/00GK104062114SQ201410288802
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年6月24日 优先权日:2014年6月24日
【发明者】张广鹏, 王佳丽, 袁冲, 冯驰, 黄玉美 申请人:西安理工大学