滚动直线导轨副精度与摩擦力测量装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种滚动直线导轨副精度与摩擦力测量装置。该装置主要由床身部件、工作台部件、驱动部件和测量部件构成。其特征在于，电机驱动，滚销齿轮在齿条上沿床身方向运动，从而工作台被带动，装在工作台测量架上的激光位移传感器和力传感器则对由支撑机构托起的被测导轨副各位置进行各参数测量，分析得出相关数据，从而分析出被测导轨副的精度与摩擦力。本发明无加载力，驱动力小，能测量3m以内的35mm及45mm型号的滚动直线导轨副，动态测量，方便安装，试验效率高，测量数据真实可靠。
【专利说明】滚动直线导轨副精度与摩擦力测量装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于机械装置精度和摩擦力测试【技术领域】，特别是一种滚动直线导轨副精 度与摩擦力测量装置及方法。
【背景技术】
[0002] 滚动直线导轨具有结构简单、动静摩擦系数小、精度保持性好等优点，在机械传动 中起到运动部件的承载及运动导向作用。当滚动直线导轨副应用于机床时，滑块的振动将 会影响被加工工件的精度。导轨副之间的摩擦力会造成导轨副发热，这会直接影响导轨副 的使用年限。滚动直线导轨副作为一种精密机械产品，对摩擦性能和运动精度进行检测具 有较大的工程意义。随着滚动直线导轨制造技术不断提高和应用领域越来越广泛，而且滚 动直线导轨副测试技术要求高，如何正确、快速的对滚动直线导轨副进行精度和摩擦力检 测已经成为行业内面临的共同难题。因而希望研制一台试验台，有望应用于国家滚动直线 导轨副验收标准的制定，为国内滚动直线导轨副的精度及摩擦性能的等级评定及验收提供 参考，也为国内同类综合测试台的研制提供宝贵的经验。
[0003] 目前，国内的研究工作主要集中在理论研究及结构研究方面，对滚动直线导轨的 自动化检测的研究则相对滞后。国内几家直线导轨的主要生产厂家均采用人工测量方式， 测量结果的稳定性与准确性取决于检验员的操作水平，效率很低。并且静态离线测量，无法 反映导轨副在运动过程中精度的动态信息损失。
【发明内容】
[0004] 本发明所解决的技术问题在于提供一种滚动直线导轨副精度与摩擦力测量装置 及方法。
[0005] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种滚动直线导轨副精度与摩擦力测量装 置，包括床身部件、工作台部件、驱动部件和测量部件，其中床身部件上方设置一对平行的 主导轨副，主导轨副上装有工作台部件，工作台部件上方的一侧装有驱动部件，测量部件包 括刚性测量架和被测导轨支撑架，刚性测量架设置在工作台部件上，被测导轨支撑架设置 在床身部件上； 所述工作台部件包括工作台，床身部件包括床身、主导轨副、限位开关、光电开关、防撞 器、长光栅、齿条和拖链，床身的上表面设置一副相互平行的支撑导轨副，床身的一侧装有 限位开关和光电开关，床身的两端均装有防撞器，床身上表面设置与主导轨副平行的长光 栅，该长光栅的光栅读数头与工作台连接在一起，并能随工作台一起往复运动，床身上还设 置齿条，该齿条与主导轨副平行，床身上方还开有与主导轨副相平行的凹槽，凹槽内设置拖 链； 所述驱动部件包括齿轮轴支座、滚销齿轮、齿轮轴、减速器和伺服电机，齿轮轴支座用 于撑起整个驱动部件，齿轮轴支座的内部设置齿轮轴，齿轮轴上设置滚销齿轮，滚销齿轮通 过自带的机械锁定器与齿轮轴锁紧，齿轮轴上端内部开有与减速器伸出轴相配合的孔，孔 内部开有键槽，该键槽与减速器伸出轴表面的键相配合，减速器的一端通过键与轴相连，另 一端通过孔连接电机的输出轴； 刚性测量架用于测量数据，该刚性测量架内部固定四个激光位移传感器，刚性测量架 的两侧分别设置一个力传感器转接板，每个力传感器转接板上均装有拉压式力传感器，被 测导轨支撑架的上表面设置被测直线导轨副，被测导轨支撑架的两端各设置一个挡板。
[0006] -种基于上述装置的直线导轨副精度的测量方法，具体包括以下步骤： 步骤1、驱动机构带动工作台和测量架由床身一端运动到另外一端的同时，激光位移 传感器由被测直线导轨一端运动到另一端；床身上安装的长光栅用于控制工作台的实际位 置，即控制激光位移传感器的实际位置； 步骤2、利用上下两个激光位移传感器测量导轨的安装底面相对于被测导轨副的滑块 顶面平行度偏差数据； 步骤3、利用激光位移传感器测量导轨的基准侧面相对于滑块侧面的平行度偏差数 据； 步骤4、对照国家标准JB7T 7175_4 -2006中的允差，评定该直线导轨副的精度等级， 从而完成直线导轨副精度的测量。
[0007] -种利用上述装置的直线导轨副摩擦力的测量方法，具体包括以下步骤： 步骤1、驱动机构带动工作台和测量架由床身一端运动到另外一端，力传感器上的推杆 推动直线导轨副上的滑块匀速运动； 步骤2、利用力传感器测量出与直线导轨副摩擦力相等的推力数据； 步骤3、对测得的推力数据取平均值，从而测得滚动直线导轨副在运动过程中的摩擦力 数值，完成直线导轨副摩擦力的测量。
[0008] 本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明的装置进行测量时，无需用多个 螺栓固定，直接放置即可，试验效率高；2)本发明采用滚销齿轮齿条的传动装置，具有高精 度、低噪音和低振动特点，并且能实现长距离的高速运动，能较好满足试验台的运行要求； 3)本发明的工作台在行走过程中利用刚性极好的支架和多个传感器测量数据并处理分析， 是动态精度测量，更符合实际工况；4)测量方式与国际接轨，更先进；5)本发明在进行测试 时时操作简单，且利于推广；6)通过激光位移传感器、拉压式力传感器的在线测试，实时反 映了滚动直线导轨副在精度和摩擦试验过程中的性能变化，测试数据连续可靠。
[0009] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
【专利附图】
【附图说明】
[0010] 图1为本发明滚动直线导轨副精度与摩擦力测量装置的总体结构部件图。
[0011] 图2为本发明滚动直线导轨副精度与摩擦力测量装置的总体结构示意图。
[0012] 图3为本发明滚动直线导轨副精度与摩擦力测量装置床身部件图。
[0013]图4为本发明滚动直线导轨副精度与摩擦力测量装置工作台部件图。
[0014]图5为本发明滚动直线导轨副精度与摩擦力测量装置驱动部件图。
[0015]图6为本发明滚动直线导轨副精度与摩擦力测量装置测量部件图。
[0016]图7为本发明滚动直线导轨副精度与摩擦力测量装置精度测量方法示意图。
[0017]图8为本发明滚动直线导轨副精度与摩擦力测量装置摩擦力测量方法图示。
【具体实施方式】
[0018]结合图1和图2,本发明的一种滚动直线导轨副精度与摩擦力测量装置，包括床身 部件I、工作台部件II、驱动部件III和测量部件IV，其中床身部件I上方设置一对平行的主 导轨副，主导轨副上装有工作台部件II，工作台部件II上方的一侧装有驱动部件III，测量部 件IV包括刚性测量架13和被测导轨支撑架21，刚性测量架设置在工作台部件II上，被测导 轨支撑架设置在床身部件I上； 结合图3和图4,所述工作台部件II包括工作台10,床身部件I包括床身1、主导轨副 4、限位开关17、光电开关18、防撞器2、长光栅5、齿条6和拖链3,床身1的上表面设置一 副相互平行的支撑导轨副4,床身1的一侧装有限位开关17和光电开关18,床身1的两端 均装有防撞器2,床身1上表面设置与主导轨副4平行的长光栅5,该长光栅的光栅读数头 与工作台10连接在一起，并能随工作台10-起往复运动，床身1上还设置齿条6,该齿条6 与主导轨副平行，床身1上方还开有与主导轨副4相平行的凹槽，凹槽内设置拖链3 ; 结合图5,所述驱动部件III包括齿轮轴支座7、滚销齿轮8、齿轮轴9、减速器11和伺服 电机12,齿轮轴支座7用于撑起整个驱动部件，齿轮轴支座7的内部设置齿轮轴9,齿轮轴 9上设置滚销齿轮8,滚销齿轮8通过自带的机械锁定器与齿轮轴9锁紧，齿轮轴上端内部 开有与减速器11伸出轴相配合的孔，孔内部开有键槽，该键槽与减速器11伸出轴表面的键 相配合，减速器11的一端通过键与轴相连，另一端通过孔连接电机12的输出轴； 结合图6,刚性测量架13用于测量数据，该刚性测量架13内部固定四个激光位移传感 器14,刚性测量架13的两侧分别设置一个力传感器转接板15,每个力传感器转接板15上 均装有拉压式力传感器16,被测导轨支撑架21的上表面设置被测直线导轨副20,被测导轨 支撑架21的两端各设置一个挡板19。
[0019] 所述限位开关17的数量为两个，该两个限位开关位于床身一侧的两端，光电开关 18的数量为两个，该两个光电开关18位于床身一侧的两端。
[0020] 每根主导轨副4均包括两个滑块，工作台10固定在主导轨副4的滑块上。
[0021] 一种基于上述装置的直线导轨副精度的测量方法，具体包括以下步骤： 步骤1、驱动机构III带动工作台10和测量架13由床身1 一端运动到另外一端的同时， 激光位移传感器14由被测直线导轨20 -端运动到另一端；床身1上安装的长光栅5用于 控制工作台10的实际位置，即控制激光位移传感器14的实际位置； 步骤2、利用上下两个激光位移传感器测量导轨20的安装底面相对于被测导轨副20的 滑块顶面平行度偏差数据； 步骤3、利用激光位移传感器测量导轨20的基准侧面相对于滑块侧面的平行度偏差数 据； 步骤4、对照国家标准Jg/T 7175_4 -2006中的允差，评定该直线导轨副的精度等级， 从而完成直线导轨副精度的测量。
[0022] -种利用上述装置的直线导轨副摩擦力的测量方法，具体包括以下步骤： 步骤1、驱动机构III带动工作台10和测量架13由床身1 一端运动到另外一端，力传感 器16上的推杆推动直线导轨副20上的滑块匀速运动； 步骤2、利用力传感器测量出与直线导轨副20摩擦力相等的推力数据； 步骤3、对测得的推力数据取平均值，从而测得滚动直线导轨副20在运动过程中的摩 擦力数值，完成直线导轨副摩擦力的测量。
[0023] 下面进行更细化的描述： 如图3所示，床身1上开有几个凹槽，用于安装定位驱动部件III和其他部件。床身1四 周设有18个地脚螺钉安装槽用于安装固定。床身1的一侧安装有限位开关17和光电开关 18,其可以沿着床身1的一个侧面的开有的T型槽内滑动。床身1上还装有长光栅5,控制 工作台10上的激光位移传感器14测量被测直线导轨副20的实际位置；光栅5上的读数头 与工作台10连接在一起，并能随工作台10 -起来回运动。
[0024] 如图2、图4所示，工作台10上表面用于被测导轨的测量架13 ;侧面用于固定试验 台的驱动机构III;下表面用于与支撑导轨副4的四个滑块进行安装。在工作台10的侧面安 装驱动机构III，当电机12输出带动滚轮8在固定在床身1上的齿条6上做直线往复运动， 当齿条6传递电机12驱动力的同时，也带动整个驱动机构III前进，因为驱动机构III固定在 工作台10侧面上，于是工作台10带动着测量架13也做直线运动。
[0025] 如图5所示，驱动部件III中采用了APEXAER050-020型直角式的减速器11，使得 驱动电机12得以水平放置，且整个驱动机构III的一部分安装在工作台10上，另一部分在工 作台10的侧面与安装固定在床身1上的齿条6啮合传动。齿轮轴支座7用于支持和定位 整个驱动机构III，大致形状呈圆筒状，其上有定位板，可以与工作台10侧面之间进行连接 和调整。驱动机构III内部通过齿轮轴9来连接各机构，轴9的下部分连接滚销齿轮8,通过 齿轮8自带的机械锁定器与齿轮轴9锁紧，齿轮轴9上端内有孔与键槽，与AER减速器11 相配合。
[0026] 如图6所示，被测直线导轨20的测量架13固定在工作台10上表面上，测量架13 的刚性很好，里面固定四个激光位移传感器14,当工作台10运动时，用于测量被测直线导 轨20的上下底面与侧面的平行度差值。在测量架13两侧安装通过转接板连接有两个拉压 力式传感器15,左右各一个，作用是推动被测导轨20的滑块运行并且测出直线导轨副20的 摩擦力。被测导轨支撑架21用于放置被测导轨副20,固定在床身1上，使得被测导轨20能 够稳定的放置，其底面上有均布挖空的U型槽，用于激光位移传感器14的光线能够穿透支 撑架21，无阻碍的测量到测量架21底面到直线导轨20底面的距离。其上有一定的转接机 构，使得测量型号不一的直线导轨20能够在激光传感器14的量程范围内。
[0027] 如图7所示，上述测量装置对直线导轨副精度的测量方法为：当驱动机构III带动 工作台10和测量架13由床身1 一端运动到另外一端时，激光位移传感器14由被测直线导 轨20 -端运动到另一端。床身1上安装有长光栅5,控制工作台10的实际位置，即控制激 光位移传感器14的实际位置。在测量过程中，如图7,利用上下两个激光位移传感器14， 测量导轨20的安装底面相对于被测导轨副20的滑块顶面平行度偏差，利用左边一侧的两 个激光位移传感器14,测量导轨20的基准侧面相对于滑块侧面的平行度偏差，动态多点测 量，测出全长上的多组数据，求得滑块移动对直线导轨底面和侧面基准的平均平行度允差， 然后对照国家标准J?/T7]75_4-2006中的允差，从而评定该直线导轨副的精度等级。
[0028] 如图8所示，上述试验装置对直线导轨副摩擦力的测量方法为：当驱动机构III带 动工作台10和测量架13由床身1 一端运动到另外一端时，测量架13向右滑动（向左运动 同理)，力传感器16上的推杆推动直线导轨20上的滑块运动，当传感器16推杆推着滑块做 匀速直线运动时，驱动力，等于被测导轨副的动摩擦力。此时将引起力传感器16中传感元 件的变化，产生电压信号，经过后续处理分析将其数值转换成摩擦力数值，从而测得滚动直 线导轨副20在运动过程中摩擦力的动态数值。
[0029] 由上可知，本发明的装置能够测试滚动直线导轨副的精度与摩擦力，动态测量，试 验效率高，测量数据真实可靠。
【权利要求】
1. 一种滚动直线导轨副精度与摩擦力测量装置，其特征在于，包括床身部件[I]、工 作台部件[II]、驱动部件[III]和测量部件[IV]，其中床身部件[I]上方设置一对平 行的主导轨副，主导轨副上装有工作台部件[II]，工作台部件[II]上方的一侧装有驱动 部件[III]，测量部件[IV]包括刚性测量架[13]和被测导轨支撑架[21]，刚性测量架设 置在工作台部件[II]上，被测导轨支撑架设置在床身部件[I]上； 所述工作台部件[II]包括工作台[10]，床身部件[I]包括床身[1]、主导轨副[4]、 限位开关[17]、光电开关[18]、防撞器[2]、长光栅[5]、齿条[6]和拖链[3]，床身[1]的上 表面设置一副相互平行的支撑导轨副[4]，床身[1]的一侧装有限位开关[17]和光电开关 [18]，床身[1]的两端均装有防撞器[2]，床身[1]上表面设置与主导轨副[4]平行的长光 栅[5]，该长光栅的光栅读数头与工作台[10]连接在一起，并能随工作台[10] -起往复运 动，床身[1]上还设置齿条[6]，该齿条[6]与主导轨副平行，床身[1]上方还开有与主导轨 畐IJ[4]相平行的凹槽，凹槽内设置拖链[3]; 所述驱动部件[III]包括齿轮轴支座[7]、滚销齿轮[8]、齿轮轴[9]、减速器[11]和 伺服电机[12]，齿轮轴支座[7]用于撑起整个驱动部件，齿轮轴支座[7]的内部设置齿轮轴 [9]，齿轮轴[9]上设置滚销齿轮[8]，滚销齿轮[8]通过自带的机械锁定器与齿轮轴[9]锁 紧，齿轮轴上端内部开有与减速器[11]伸出轴相配合的孔，孔内部开有键槽，该键槽与减 速器[11]伸出轴表面的键相配合，减速器[11]的一端通过键与轴相连，另一端通过孔连接 电机[12]的输出轴； 刚性测量架[13]用于测量数据，该刚性测量架[13]内部固定四个激光位移传感器 [14] ，刚性测量架[13]的两侧分别设置一个力传感器转接板[15]，每个力传感器转接板 [15] 上均装有拉压式力传感器[16]，被测导轨支撑架[21]的上表面设置被测直线导轨副 [20]，被测导轨支撑架[21]的两端各设置一个挡板[19]。
2. 根据权利要求1所述的滚动直线导轨副精度与摩擦力测量装置，其特征在于，限位 开关[17]的数量为两个，该两个限位开关位于床身一侧的两端，光电开关[18]的数量为两 个，该两个光电开关[18]位于床身一侧的两端。
3. 根据权利要求1所述的滚动直线导轨副精度与摩擦力测量装置，其特征在于，每根 主导轨副[4]均包括两个滑块，工作台[10]固定在主导轨副[4]的滑块上。
4. 一种基于权利要求1所述装置的直线导轨副精度的测量方法，其特征在于，具体包 括以下步骤： 步骤1、驱动机构[III]带动工作台[10]和测量架[13]由床身[1] 一端运动到另外 一端的同时，激光位移传感器[14]由被测直线导轨[20] -端运动到另一端；床身[1]上安 装的长光栅[5]用于控制工作台[10]的实际位置，即控制激光位移传感器[14]的实际位 置； 步骤2、利用上下两个激光位移传感器测量导轨[20]的安装底面相对于被测导轨副 [20]的滑块顶面平行度偏差数据； 步骤3、利用激光位移传感器测量导轨[20]的基准侧面相对于滑块侧面的平行度偏差 数据； 步骤4、对照国家标准·?/Γ7175_4 -2006中的允差，评定该直线导轨副的精度等级， 从而完成直线导轨副精度的测量。
5. -种利用权利要求1所述装置的直线导轨副摩擦力的测量方法，其特征在于，具体 包括以下步骤： 步骤1、驱动机构[III]带动工作台[10]和测量架[13]由床身[1] 一端运动到另外一 端，力传感器[16]上的推杆推动直线导轨副[20]上的滑块匀速运动； 步骤2、利用力传感器测量出与直线导轨副[20]摩擦力相等的推力数据； 步骤3、对测得的推力数据取平均值，从而测得滚动直线导轨副[20]在运动过程中的 摩擦力数值，完成直线导轨副摩擦力的测量。
【文档编号】G01L5/00GK104236483SQ201410485826
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月22日 优先权日:2014年9月22日
【发明者】欧屹, 冯虎田, 怀乾宏, 张怡雯, 连雨臣 申请人:张家港斯克斯精密机械科技有限公司