模块化滚动直线导轨副结合部静刚度测试方法与装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种模块化滚动直线导轨副静刚度测试装置，使被测试导轨副与桥式箱体上A、B、C三个定位孔之间具有确定的定位关系；将拉力加载机构固定在定位孔A中，实现法向拉刚度测试加载；将压力加载机构固定在定位孔A中，实现法向压刚度测试加载；移动导轨块使法向压载荷偏置，实现绕Y轴的角刚度测试加载，将压力加载机构固定在定位孔B中，实现侧向刚度测试加载；移动导轨块使侧向压载荷偏置，实现绕Z轴的角刚度测试加载，将压力加载机构固定在定位孔C中，实现绕X轴的角刚度测试加载。本发明还公开了一种模块化滚动直线导轨副静刚度测试装置。本发明的装置及方法简单易行，适应性强。
【专利说明】模块化滚动直线导轨副结合部静刚度测试方法与装置
【技术领域】
[0001]本发明属于检测设备【技术领域】，涉及一种模块化滚动直线导轨副静刚度测试方法，本发明还涉及一种模块化滚动直线导轨副静刚度测试装置。
【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。
[0003]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、滚道结构型式及尺寸、导轨块结构型式及尺寸、导轨条结构型式及尺寸、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，采用理论计算方法难以准确定出导轨副结合部的六项刚度值。因此只有通过实验方法才能准确测试出某规格滚动直线导轨副结合部刚度。
[0004]滚动导轨副结合部可以承受除其运动方向以外的载荷，具有法向拉、压、侧向三个线刚度及绕三个坐标轴的三向角刚度，目前还没有关于六个刚度的测试方法及装置的报道，许多滚动导轨样本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。另一方面，滚动直线导轨副具有一个方向的运动自由度，由于其结构的特殊性，导致进行六项刚度测试较为困难，同时由于滚动导轨的规格尺寸多种多样，采用一套装置完成多种不同规格尺寸导轨副刚度测试困难更大。
[0005]因此研制适合于多种不同规格滚动导轨副刚度的测试方法及装置，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等具有重要意义。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种模块化滚动直线导轨副静刚度测试装置，解决了现有技术条件下由于滚动导轨的规格尺寸多种多样，滚动导轨副结合部六项刚度难以测试的问题。
[0007]本发明的另一目的是提供一种模块化滚动直线导轨副静刚度测试方法。
[0008]本发明采用的技术方案是，一种模块化滚动直线导轨副静刚度测试装置，包括桥式箱体与底板连接而成，桥式箱体上设置有A、B、C三个定位孔，被测试导轨副通过模拟支承件固定在底板上；
[0009]将压力加载机构固定在定位孔A中，称为法向压刚度加载机构，用于实现法向压刚度测试加载；
[0010]将拉力加载机构固定在定位孔A中，称为法向拉刚度加载机构，用于实现法向拉刚度测试加载；
[0011]将压力加载机构固定在定位孔B中，称为侧向刚度加载机构，用于实现侧向刚度测试加载；
[0012]将压力加载机构固定在定位孔A中，导轨块偏移安装，使法向压载荷偏置，称为绕Y轴角刚度加载机构，用于实现导轨副结合部的绕Y轴的角刚度测试加载，
[0013]将压力加载机构固定在定位孔B中，导轨块偏移安装，使侧向压载荷偏置，称为绕Z轴角刚度加载机构，用于实现导轨副结合部的绕Z轴的角刚度测试加载，
[0014]将压力加载机构固定在定位孔C中，称为绕X轴角刚度加载机构，用于实现导轨副结合部的绕X轴的角刚度测试加载。
[0015]本发明采用的另一技术方案是，一种模块化滚动直线导轨副静刚度测试方法，利用上述的结构，将被测试导轨副通过模拟支承件固定在底板上，使被测试导轨副与桥式箱体上A、B、C三个定位孔之间具有确定的定位关系；
[0016]将压力加载机构固定在定位孔A中，进行法向压刚度测试加载；
[0017]将拉力加载机构固定在定位孔A中，进行法向拉刚度测试加载；
[0018]将压力加载机构固定在定位孔B中，进行侧向刚度测试加载；
[0019]将压力加载机构固定在定位孔A中，导轨块偏移安装，使法向压载荷偏置，进行导轨副结合部的绕Y轴的角刚度测试加载，
[0020]将压力加载机构固定在定位孔B中，导轨块偏移安装，使侧向压载荷偏置，进行导轨副结合部的绕Z轴的角刚度测试加载，
[0021]将压力加载机构固定在定位孔C中，进行导轨副结合部的绕X轴的角刚度测试加载，
[0022]将导轨副结合部在不同载荷作用下的变形值绘制成相应的“载荷-变形”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各个测试刚度变化规律。
[0023]本发明有益效果是，
[0024]I)为了真实反映滚动直线导轨副在机床结构中的接触状况，采用模块化结构，本测试装置设置有两种加载装置、导轨条支承装置，通过变换不同加载方式能够实现六项静刚度测试，不仅可以在被测对象一次装夹下实现六项静刚度测试，即法向(拉、压)、侧向三个线刚度及三个角刚度，通过更换较少部分零件，可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。2)在刚度测试中，以滚动直线导轨副为试验对象，采用在不同位置设置位移传感器，可以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。
[0025]通过本发明装置可测试出不同规格、不同预紧力条件下的滚动直线导轨副结合部刚度值，不仅可以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】
[0026]图1为本发明的导轨副坐标系定义示意图；
[0027]图2为本发明的导轨副坐标系投影视图，a为横向截面示意图，b为纵向结构示意图；
[0028]图3为本发明的导轨副法向拉、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；
[0029]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为俯视结构示意图；
[0030]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为俯视结构示意图；
[0031]图6为本发明的导轨副Y轴角刚度测试原理图，a为横向截面示意图，b为纵向结构示意图；
[0032]图7为本发明的导轨副Z轴角刚度测试原理图，a为俯视结构示意图，b为纵向结构示意图；
[0033]图8为本发明的法向压刚度测试装置结构示意图；
[0034]图9为本发明的法向拉刚度测试装置结构示意图；
[0035]图10为本发明的绕Y轴角刚度测试装置结构示意图；
[0036]图11为本发明的侧向刚度测试装置结构示意图；
[0037]图12为本发明的绕Z轴角刚度测试装置结构示意图；
[0038]图13为本发明的X角刚度测试装置结构示意图。
[0039]图中，L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，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，26.加力导杆B，27.加力导杆C。
【具体实施方式】
[0040]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明。
[0041]图1为导轨副坐标系的定义示意图，图2为导轨副坐标系投影截面视图。坐标原点O定义在上下四排滚珠的对称面内，即X轴、Y轴、Z轴对称面的相交处，导轨副坐标系XYZ-O位于导轨块的对称位置。Z轴垂直导轨块顶面称为法向，位于其对称位置；x轴沿导轨块运动方向，位于上下两排滚珠的对称轴位置及导轨块沿X轴的对称位置；Y轴垂直于导轨块的侧面称为侧向，位于两列滚珠的对称位置。
[0042]本发明模块化滚动直线导轨副静刚度测试方法，所测试的导轨副结合部三个线刚度是:沿Z轴、Y轴的线刚度，即法向的拉刚度(Ζ轴正向)、压刚度(Ζ轴反向)，侧向刚度(Y轴)；
[0043]本发明模块化滚动直线导轨副静刚度测试方法，所测试的导轨副结合部三个角刚度是: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。
[0044]图3是本发明方法的导轨副结合部法向拉、压刚度测试原理图，采用两向视图表达。测试导轨副结合部的法向压刚度时，将导轨条I底面固定，在垂直导轨顶面D点处沿Z轴负方向加载。导轨副结合部的变形通过位于XOZ平面内所设置的四个微位移传感器来测量，其测量位移值分别为仏、％、4、仏，其中测量位移值仏、4通过随着在导轨块2上两端的两个微位移传感器测量，测量位移值U2、U4通过设置在导轨条I上靠近导轨块2处的另外两个微位移传感器测量，则导轨副结合部变形量S ! = U1-U2 = U3-U40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”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规律。
[0045]测试导轨副结合部的法向拉刚度时，将导轨条I底面固定，在垂直导轨顶面D点处沿Z轴正方向加载，导轨副结合部变形仍然通过上述四个微位移传感器来测量，其测量位置不变，导轨副结合部变形量δ 2 = U1-U2 = U3-U40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”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规律。
[0046]图4是本发明方法的导轨副侧向刚度测试原理图，采用两向视图表达。测试导轨副结合部的侧向刚度时，将导轨条I底面固定，沿Y轴方向垂直导轨块2的侧面在E点处加载匕，导轨副结合部侧向变形通过位于XOY平面内的四个微位移传感器来测量，其测量位移值分别为U5' U6, U7、U8，其中测量位移值U6、U8通过设置在导轨块2侧面两端的两个微位移传感器测得，测量位移值U5、U7通过设置在导轨条I侧面靠近导轨块2位置的另外两个微位移传感器测得，则导轨副结合部侧向变形量δ 2 = U6-U5 = U8-U70将不同侧向载荷下的结合部侧向变形绘制成“侧向载荷-变形”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规律。
[0047]图5是本发明方法的导轨副结合部绕X轴角刚度测试原理图，采用两向视图表达。测量导轨副结合部绕X轴角刚度时，将导轨条I底面固定，在导轨块2的侧面G点处平行Y轴反方向加载荷Fe，Fe位于YOZ平面内且与Y轴垂直距离为Z，将该载荷简化到导轨副坐标中心O处时，对导轨副结合部所产生的力矩为Mx = FgXZ,附加侧向力为F/ = Fg ;在YOZ平面内设置一个微位移传感器，其测量位移值为U9,该微位移传感器与载荷Fe共线，在导轨块2的侧面测试；在导轨条I顶面上靠近导轨块2两端位置分别设置一个微位移传感器，其测量位移值分别为U1(l、Un，该两个微位移传感器的测量点与XOZ平面的距离均为Y ;在Y轴反方向的延长线上的导轨块2的侧面设置另一微位移传感器，其测量位移值为U12，则有:
[0048]导轨块2绕X轴的摆角为:
【权利要求】
1.一种模块化滚动直线导轨副静刚度测试装置，其特征在于:包括桥式箱体(11)与底板(14)连接而成，桥式箱体(11)上设置有A、B、C三个定位孔，被测试导轨副通过模拟支承件(13)固定在底板(14)上； 将压力加载机构固定在定位孔A中，称为法向压刚度加载机构，用于实现法向压刚度测试加载； 将拉力加载机构固定在定位孔A中，称为法向拉刚度加载机构，用于实现法向拉刚度测试加载； 将压力加载机构固定在定位孔B中，称为侧向刚度加载机构，用于实现侧向刚度测试加载； 将压力加载机构固定在定位孔A中，导轨块(2)偏移安装，使法向压载荷偏置，称为绕Y轴角刚度加载机构，用于实现导轨副结合部的绕Y轴的角刚度测试加载， 将压力加载机构固定在定位孔B中，导轨块(2)偏移安装，使侧向压载荷偏置，称为绕Z轴角刚度加载机构，用于实现导轨副结合部的绕Z轴的角刚度测试加载， 将压力加载机构固定在定位孔C中，称为绕X轴角刚度加载机构，用于实现导轨副结合部的绕X轴的角刚度测试加载。
2.根据权利要求1所述的模块化滚动直线导轨副静刚度测试装置，其特征在于，所述的法向压刚度加载机构的结构是，底板(14)上固定有模拟支承件(13)，在模拟支承件(13)上固定安装有导轨条(I)，在导轨块(2)向上固定连接有模拟连接件(12);桥式箱体(11)上部中心位置开有定位孔 A，定位孔A中套装有导向套筒(6)，导向套筒(6)中套装有加力导杆A (5)，定位孔A上端安装有加载套筒(10)，加载套筒(10)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(7)与加力导杆A(5)传动连接，加力导杆A(5)下端通过钢球(4)顶接在模拟连接件(12)上。
3.根据权利要求1所述的模块化滚动直线导轨副静刚度测试装置，其特征在于，所述的法向拉刚度加载机构的结构是，在桥式箱体(11)上部的定位孔A固定安装定位压套(20)，定位压套(20)上表面向上依次设置有力传感器(25)、过渡块(24)、推力轴承(23)、垫块(22)及螺母(21)，螺母(21)与螺杆(19)螺纹套接，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)向下与导轨块(2)固定连接，导轨条(I)向下与模拟支承件(13)固定连接，模拟支承件(13)与底板(14)固定连接。
4.根据权利要求1所述的模块化滚动直线导轨副静刚度测试装置，其特征在于，所述的绕Y轴角刚度加载机构是，利用权利要求2所述的法向压刚度加载机构，将导轨块⑵沿X轴向一侧移动一定距离，使加载点与导轨副YOZ平面之间的偏移距离为X10
5.根据权利要求1所述的模块化滚动直线导轨副静刚度测试装置，其特征在于，所述的侧向刚度加载机构是，利用权利要求2所述的法向压刚度加载机构移到桥式箱体(11)左侧的定位孔B中，同时将导柱(5)更换为加力导杆B(26)，其余结构件不变；定位孔B保证所加载荷位于导轨副XOY面，通过偏移导轨块(2)的位置使所加载荷通过Y轴。
6.根据权利要求1所述的模块化滚动直线导轨副静刚度测试装置，其特征在于，所述的绕Z轴角刚度加载机构是，在权利要求5的安装结构基础上，将导轨块(2)沿X轴方向向一侧偏移，使加载点与导轨副YOZ平面之间的偏移距离为X2。
7.根据权利要求1所述的模块化滚动直线导轨副静刚度测试装置，其特征在于，所述的绕X轴角刚度加载机构是，利用利用权利要求2所述的法向压刚度加载机构安装在桥式箱体(11)右侧的定位孔C中，同时将导柱A(5)更换为加力导杆C(27)，其余结构件不变；定位孔C保证所加载荷与导轨副XOY面距离为Z，这时通过偏移导轨块(2)使得所加载荷位于YOZ面内。
8.一种模块化滚动直线导轨副静刚度测试方法，其特征在于，利用权利要求1所述的结构，将被测试导轨副通过模拟支承件(13)固定在底板(14)上，使被测试导轨副与桥式箱体(11)上A、B、C三个定位孔之间具有确定的定位关系； 将压力加载机构固定在定位孔A中，进行法向压刚度测试加载； 将拉力加载机构固定在定位孔A中，进行法向拉刚度测试加载； 将压力加载机构固定在定位孔B中，进行侧向刚度测试加载； 将压力加载机构固定在定位孔A中，导轨块(2)偏移安装，使法向压载荷偏置，进行导轨副结合部的绕Y轴的角刚度测试加载， 将压力加载机构固定在定位孔B中，导轨块(2)偏移安装，使侧向压载荷偏置，进行导轨副结合部的绕Z轴的角刚度测试加载， 将压力加载机构固定在定位孔C中，进行导轨副结合部的绕X轴的角刚度测试加载，将导轨副结合部在不同 载荷作用下的变形值绘制成相应的“载荷-变形”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各个测试刚度变化规律。
9.根据权利要求8所述的模块化滚动直线导轨副静刚度测试方法，其特征在于，利用权利要求2-7所述的结构，分别按照以下方式进行实施: 1)测试导轨副结合部的法向压刚度时，将导轨条(I)底面固定，在垂直导轨顶面D点处沿Z轴负方向加载，导轨副结合部的变形通过位于XOZ平面内所设置的四个微位移传感器来测量，其测量位移值分别为Up U2、U3、U4，其中测量位移值U” U3设置在设置导轨块(2)上两端测量，测量位移值U2、U4设置在导轨条(I)上接近导轨块(2)处测量，则导轨副结合部变形量δ i = U1-U2 = U3-U4 ;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”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规律； 2)测试导轨副结合部的法向拉刚度时，将导轨条(I)底面固定，在垂直导轨顶面D点处沿Z轴正方向加载，导轨副结合部变形仍然通过前述四个微位移传感器来测量，其测量位置不变，导轨副结合部变形量δ 2 = U1-U2 = U3-U4 ;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”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规律； 3)测试导轨副结合部的侧向刚度时，将导轨条(I)底面固定，沿Y轴方向垂直导轨块(2)的侧面在E点处加载FY，导轨副结合部侧向变形通过位于XOY平面内的另外四个微位移传感器来测量，其测量位移值分别为％、4、仏、％，其中测量位移值4、％通过设置在导轨块⑵侧面两端测得，测量位移值U5、U7通过设置在导轨条⑴侧面接近导轨块(2)位置测得，则导轨副结合部侧向变形量δ 2 = U6-U5 = U8-U7 ;将不同侧向载荷下的结合部侧向变形绘制成“侧向载荷-变形”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规律；4)测量导轨副结合部绕X轴角刚度时，将导轨条(I)底面固定，在导轨块(2)的侧面G点处平行Y轴反方向加载荷Fe，Fe位于YOZ平面内且与Y轴垂直距离为Z，将该载荷简化到导轨副坐标中心O处时，对导轨副结合部所产生的力矩为Mx = FgXZ,附加侧向力为F/ =Fg ;在YOZ平面内设置一个微位移传感器，其测量位移值为U9,该微位移传感器与载荷Fe共线，在导轨块(2)的侧面测试；在导轨条(I)顶面上接近导轨块(2)两端位置分别设置一个微位移传感器，其测量位移值分别为U1(l、Un，该两个微位移传感器的测量点与XOZ平面的距离均为Y;在Y轴反方向的延长线上的导轨块(2)的侧面设置一微位移传感器，其测量位移值为U12，则有:导轨块⑵绕X轴的摆角为
导轨条⑴绕X轴的摆角为
导轨副结合部绕X轴的摆角为:? χ= θ Χ2- θ X1， (3) 统计上述力矩载荷Mx和绕X轴角位移θ χ数据，绘制出导轨副结合部的“力矩载荷Mx与角位移θχ”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轴角刚度的变化规律； 5)测试导轨副结合部绕Y轴的角刚度时，将导轨条(I)底面固定，在导轨块(2)顶面上P点处平行Z轴沿反方向施加载荷FP，Fp位于XOZ平面内，加力点P在XOZ平面内，且与Z轴垂直距离为X1 ;将该载荷简化到导轨坐标中心O处时，对导轨副结合部所产生的绕Y轴力矩为My = FpXX1 ;附加法向压载荷为Fz' = Fp ;导轨副结合部绕Y轴的角位移通过分别位于XOZ平面内的四个微位移传感器测量后换算得到，其测量位移值分别为UpU2、U3、U4，其中测量位移值UpU3通过设置在导轨块(2)上表面两端测得，测量位移值U2、U4通过设置在导轨条(I)上表面接近测点导轨块(2)处测得；在此设定测量位移值仏、％、4、仏沿2轴反方向为正，即沿所加载荷Fp方向的位移为正，导轨块(2)沿X轴方向的长度为L，则力矩My所产生的绕Y的角位移为:
统计上述力矩载荷My和绕Y轴角位移θ y,绘制导轨副结合部的绕Y轴“力矩载荷My与角位移θgamma”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Y轴角刚度的变化规律； 6)测试导轨副结合部绕Z轴角刚度时，将导轨条(I)底面固定，在导轨块(2)的侧面H点处平行Y轴方向施加载荷Fh，Fh位于XOY平面内，加载点H与YOZ平面的垂直距离为X2 ；将该载荷简化到导轨副坐标中心O处时，对导轨副结合部所产生的绕Z轴的力矩为Mz =FhXX2,附加侧向载荷为F/ = Fh ;导轨副结合部绕Z轴角位移通过分别位于XOY平面内的四个微位移传感器测量后换算得到，其测量位移值分别为U5、U6、U7、U8，其中测量位移值U6、U8通过设置通过在导轨块(2)加载的对面侧面的两端测得，测量位移值U5、U7通过设置在导轨条(I)接近导轨块(2)位置测得；在此设定测量位移值U5' U6, U7、U8沿Y轴为正，即沿外载荷Fh*向的位移为正，导轨块(2)沿X轴方向的长度为L，则力矩Mz所产生的绕Z的角位移为:
统计上述力矩载荷Mz和绕Z轴角位移θ z，绘制导轨副结合部的“力矩载荷Mz与角位移θζ”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轴角刚度的变化规律。
【文档编号】G01N3/00GK104075886SQ201410289016
【公开日】2014年10月1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, 袁冲, 王丹, 张博, 黄玉美 申请人:西安理工大学