一种线性滚动导轨滚动副运动状态检测装置及其检测方法与流程

本发明涉及精密数控制造技术领域，尤其涉及一种线性滚动导轨滚动副运动状态检测装置及其检测方法。

背景技术：

线性滚动导轨副作为精密数控机床的主要移动部件,其精度退化规律和摩擦/磨损的规律是决定精密机床加工性能的重要问题。随着我国制造大国和制造强国的逐步实现，迫切要求精密数控机床这种制造设备的性能有大幅度提高。国内研制并生产的精密机床用直线滚动导轨副在精度性能、动态特性、摩擦、磨损退化方面跟国外产品相比处于劣势状况。其上述这些性能与变化规律除了制造过程存在问题外还与对基础理论研究的欠缺。精密直线滚动导轨副在精度性能、动态特性、摩擦、磨损退化等问题与滚动运动副在特定工况下的运动形式有着极为密切的关系，滚动体在滚道之间运动并与滚道产生的相对运动关系是比较复杂的。而滚动导轨副内部的滚珠是不能直接观察到的，这就限制了对滚动体运动形式的直观研究。为了能准确的将理论分析结果和实际情况相对比，本发明提出了一种线性滚动导轨滚动副的运动状态检测装置及测试方法，采用放大的单列滚珠为研究对象，并在个别滚珠上安装有可见光的点光源，用于肉眼直观观察和光学仪器对滚珠运动状态的精确检测。该发明试验装置可以模拟实际滚动导轨副定位状态和变化的预加载情况下的滚动体运动情况，并提出了具体的试验分析和测试方法。本发明装置可以检测不同直径大小的滚动体、滑块在不同线性速度、不同材料的滚动体、不同受压状态下的滚动体在直行滚道和转弯的回珠器内轨道两个位置的运动形式。研究滚动体在回珠器内滚动的形式对导轨副的噪声控制具有重要作用。

本发明提出并设计了一种线性滚动导轨滚动副的运动状态检测装置，采用先进的光学检测技术和有效的方法，用于研究在不同情况下滚动导轨副内滚珠的运动形式的试验及分析。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种线性滚动导轨滚动副运动状态检测装置及其检测方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种线性滚动导轨滚动副运动状态检测装置，包括底板基座，所述底板基座两长边侧分别定位安装有定位导轨滚道和被测导轨滚道，所述定位导轨滚道上套有两个滑块，所述被测导轨滚道上套有单列滚珠滑块，两个所述滑块分别螺栓固定在单列滚珠滑块上，所述单列滚珠滑块内有一条环形的滚珠通道，所述单列滚珠滑块在两条滚道上往复运行时，滚珠可以在滚珠通道内循环运动，滚珠通道内的滚珠一部分为带有发射可见光的滚珠，一部分滚珠没有光源，其中带有发光源的滚珠上的发光点仅有一个，所述滚珠通道下部为导轨滚道，其形状与所述被测导轨滚道相配合，所述滚珠在导轨滚道与被测导轨滚道之间以及滚珠通道内运动，所述滚珠通道的弯曲部分为回珠器,回珠器的作用是保持滚珠在某一轨道中滚动一个导程时再次回到出发点,保持在同一个环形滚道内循环的滚动，所述滚珠的运动状态可以通过透明的观察口被看到或者检测到；

在被测导轨滚道的两侧分别装有左侧限位传感器和右侧限位传感器，用于控制整个滑块的两个极限位置；所述底板基座上沿其长度方向的两端各安装一个导轮基座，在所述导轮基座上安装第一皮带导轮和第二皮带导轮，所述第一皮带导轮和第二皮带导轮上套有同步皮带，所述同步皮带上侧保持水平，所述同步皮带通过连接件与所述单列滚珠滑块相连，所述单列滚珠滑块通过同步皮带由安装于所述底板基座上的步进电机带动往复运动，所述步进电机输出轴上安装有同步齿轮，所述同步皮带套在所述同步齿轮上；

所述底板基座一侧设置有至少用于检测滚珠运动的光学检测仪器。

进一步的，两个滑块分别通过四个螺栓固定在单列滚珠滑块上。

进一步的，被检测滚动体为球形，该球形直径的大小是真实滚珠的倍数，如5到10倍。

进一步的，所述单列滚珠滑块由步进电机或者伺服电机带动在两条轨道上往复移动，其中，步进电机或者伺服电机可以按照测试要求进行精确位置走位和不同速度的走位，以便在不同的负载条件下能够观察滚珠的自旋、滚动和滑移情况。

进一步的，所述单列滚珠滑块上部设置有预加载荷的配重，可以根据需要调整配重的重量。

进一步的，述单列滚珠滑块采用透明材质制成。

进一步的，所述定位导轨滚道为四列滚珠线性滑轨或者为滚柱线性滑轨。

一种线性滚动导轨滚动副运动状态检测装置的检测方法，包括：

s1，按照检测装置的结构将实验装置安装调试完毕后，检查双导轨的平行度保证单列滚珠滑块能够顺畅的沿着双轨道往复移动，按照一定速度设置步进电机，将滑块运行一段时间，进行初期的磨损跑合；

s2，将步进电机的转速设定成不同的速度，分别进行不同状态的试验，分别测试在超低速、爬行速度、一般工作速、高速状态、反向运行下的滚珠在水平滚道上的运动状态；

测试滚珠在超低速运行状态的意义在于考虑微动摩擦或者蠕滑摩擦状态的滚珠的自旋运动的大小和方向，研究低速状态下的滚珠运动状态对滚动运动副的界面摩擦特性有着基础性的意义；

测试滚珠在一般工作速度运行状态的意义在于考虑正常的、一般的工作状态下滚珠的运动状态是滚动运动副磨损的基础，正常速度运行阶段是滚动副产生磨损的主要形成阶段。而滚珠运动形式的多变性和复杂性对磨损的形成具有很大的影响，检测到滚珠一般工作速度下的滑移量和滚动量的大小；

测试滚珠在高速运行状态的意义在于工作台高速运行条件下滚珠的运动速度会更大,滚珠的滑移量会增加,为了更清楚的定量计算滚珠的滑移量必须明确滚珠的高速运动状态，通过观察口可以清楚的看到单列滚珠滑块高速运行时，被放大的滚珠的滚动和滑移情况和滚珠自旋方向；

测试滑块突然反向运行时，对滚珠运动状态的检测的意义在于，测试滑块突然反向运行时的滚珠运动状态的变化和自旋量的大小；

s3，分别测试在超低速、爬行速度、一般工作速度、高速状态、反向运行下的滚珠在回珠器内的运动状态；滚珠在回珠器内的运动是导轨副噪声的主要来源，可以利用s2的方法分别测试在超低速、爬行速度、一般工作速度高速状态、反向运行下的滚珠在回珠器内的运动状态；

s4，借助光学检测仪器，检测滚珠在从静止到启动状态下的滚珠的滞后量，滚珠的启动滞后量对研究滚动运动副的摩擦、磨损特性具有基础作用；

s5，借助光学检测仪器，检测滚珠在外载荷突然变化时，滚珠的运动状态的改变情况，对滚珠自旋量的检测对研究滚动运动副的摩擦、磨损特性具有重要作用。

进一步的，所述s1中按照10mm/s的速度设置步进电机。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果：

本发明试验装置采用双导轨副直线运动构架，一条导轨副利用能承受较大预加载荷和较大水平刚性的滚柱导轨副，另一条导轨副利用特制的放大一定倍数的滚珠和相应的导轨滚道和回珠器滚道。被放大的滚珠可以更加清楚的观察其运动方式，同时某些滚珠上还安设有发光源，以便利用光学仪器对光进行精确地检测。单列滚珠滑块采用透明材料制作，并在滑块的上面和外侧面增加观察窗口，便于观察者和光学仪器对滚动体进行运动检测。单列滚珠滑块由步进电动机或者伺服电动机通过同步皮带带动进行往复直线运动，且直线运动的速度和启动、停止的时间可以通过控制板进行设置和改变。以便考察滑块运行在不用的速度下，滚珠的运动状态。单列滚珠滑块上部设置有预加载荷的配重，所配重量块可根据实验条件和被测滚珠的型号进行调换，从而模拟实际工况下位于滑块之上的工作台的重量。

本发明装置可以很好的解决滚珠运动形式复杂却难以直接测量或观测的难题，由于滚珠被一定比例的放大，分析实际尺寸滚珠时应该做相应的换算。通过上述不同工况的测试可以解决滚动体运动形式与外载荷、预紧力等级、运行速度、润滑条件、回珠器曲线、滚珠材料及表面涂层工艺的关系，进一步可以解决滚动体的运动形式造成的滚动-滑移对磨损的作用量，本发明提出的试验方法可以有效的解决滚动状态对滚动导轨副性能的影响规律对研发高性能滚动导轨具有重要意义。

附图说明

下面结合附图说明对本发明作进一步说明。

图1为本发明主视图；

图2为图1的俯视图；

图3为图1的左视图；

图4为图1的右视图；

图5为滚珠状态仪器检测图；

附图标记说明：1-配重；2-同步皮带；3-第一皮带导轮；4-导轮基座；5-左侧限位传感器；6-被测导轨滚道；7-单列滚珠滑块；8-滚珠；9-发光点；10-观察口；11-底板基座；12-右侧限位传感器；13-第二皮带导轮；14-同步齿轮；15-步进电机；16-滑块；17-定位导轨滚道；18-滚柱；19-滚珠通道；20-导轨滚道；21-光学检测仪器；22-连接件。

具体实施方式

如图1至5所示：一种线性滚动导轨滚动副运动状态检测装置，包括钢制的底板基座11，其它装置均安装在底板基座11上。定位导轨滚道17和被测导轨滚道6分别定位安装在底板基座两长边侧。定位导轨滚道17上套有两个滑块16，定位导轨副可采用四列滚珠导轨副或者四列滚柱导轨副。图示3和图示4显示了安装有滚柱18时的情况。两个滑块16分别通过四个螺栓固定在单列滚珠滑块7上。被测导轨滚道6上套有单列滚珠单列滚珠滑块7，整个单列滚珠滑块7由透明的人造水晶或者高耐压透明树脂制成，该单列滚珠滑块7内有一条环形的滚珠通道19，在单列滚珠滑块7在两条滚道上往复运行时，滚珠8可以在滚珠通道19内循环运动，滚珠通道19内的滚珠8均为实际导轨副滚珠被放大5到10倍的滚珠。一列滚珠包含能承载的适当个数，其中一部分滚珠8为带有发射可见光的滚珠，一部分滚珠8没有光源，或者也可以是全部带光源。带有发光源的滚珠8上的发光点9只有一个。所述滚珠通道19下部为导轨滚道，所述滚珠通道19的弯曲部分为回珠器,回珠器的作用是保持滚珠8在某一轨道中滚动一个导程时再次回到出发点,保持在同一个环形滚道内循环的滚动。导轨滚道20与被测导轨滚道6之间形成的通道与滚珠8滚珠通道19连通，滚珠8在导轨滚道20与被测导轨滚道6之间以及滚珠通道19内运动。其滚珠8的运动状态可以通过透明的观察口10(开窗)被看到或者检测到。在被测导轨滚道6的两侧分别装有左侧限位传感器5和右侧限位传感器12，用于控制整个单列滚珠滑块7的两个极限位置。底板基座11上两端各安装一个导轮基座4。在导轮基座4上安装皮带导轮3和皮带导轮13。皮带导轮3和皮带导轮13上套有同步皮带2，同步皮带2上侧保持水平。同步皮带2通过连接件22与单列滚珠滑块7相连。单列滚珠滑块7通过同步皮带2由安装于底板基座11上的步进电机15带动往复运动。步进电机15输出轴上安装有同步齿轮14。同步皮带2套在同步齿轮14上。

底板基座11一侧设置有至少用于检测滚珠8运动的光学检测仪器21(该仪器为本领域常规件)。

本发明装置的具体具体检测方法和过程如下：

s1，按照权利要求1的结构将实验装置安装调试完毕后，检查双导轨的平行度最终保证单列滚珠滑块7能够顺畅的沿着双轨道往复移动。按照滑块每秒速度10mm/s的速度设置步进电机，将滑块运行一段时间，进行初期的磨损跑合。

s2，将步进电机的转速设定成不同的速度，分别进行不同状态的试验。分别测试在超低速、爬行速度、一般工作速、高速状态、反向运行下的滚珠在水平滚道上的运动状态。

测试滚珠在超低速运行状态的意义在于，考虑微动摩擦或者蠕滑摩擦状态的滚珠的自旋运动的大小和方向。研究低速状态下的滚珠运动状态对滚动运动副的界面摩擦特性有着基础性的意义。

测试滚珠在一般工作速度运行状态的意义在于，考虑正常的、一般的工作状态下滚珠的运动状态是滚动运动副磨损的基础，正常速度运行阶段是滚动副产生磨损的主要形成阶段。而滚珠运动形式的多变性和复杂性对磨损的形成具有很大的影响。通过本发明装置可以检测到滚珠一般工作速度下的滑移量和滚动量的大小。

测试滚珠在高速运行状态的意义在于，工作台高速运行条件下滚珠的运动速度会更大,滚珠的滑移量会增加,为了更清楚的定量计算滚珠的滑移量必须明确滚珠的高速运动状态。本发明试验台通过观察口可以清楚的看到滑块高速运行时，被放大的滚珠的滚动和滑移情况和滚珠自旋方向。

测试滑块突然反向运行时，对滚珠运动状态的检测的意义在于，测试滑块突然反向运行时的滚珠运动状态的变化和自旋量的大小。

s3，分别测试在超低速、爬行速度、一般工作速度、高速状态、反向运行下的滚珠在回珠器内的运动状态。滚珠在回珠器内的运动是导轨副噪声的主要来源，可以利用第二步的方法分别测试在超低速、爬行速度、一般工作速度高速状态、反向运行下的滚珠在回珠器内的运动状态。

s4，借助光学检测仪器，检测滚珠在从静止到启动状态下的滚珠的滞后量，滚珠的启动滞后量对研究滚动运动副的摩擦、磨损特性具有基础作用。

s4，借助光学检测仪器21，检测滚珠在外载荷突然变化时，滚珠的运动状态的改变情况，尤其是对滚珠自旋量的检测对研究滚动运动副的摩擦、磨损特性具有重要作用以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。