一种检测滚动直线导轨副综合性能退化的试验装置及检测方法
【专利摘要】一种检测滚动直线导轨副综合性能退化的试验装置及检测方法，属于精密数控制造技术领域。利用三向力传感器设计滑块导轨加载运行试验装置，实验装置采用气缸对直线滚动导轨副的垂直方向和侧面方向加载，通过数控机床主轴带动实验装置进行运动。滑块和传感器与主轴通过特殊设计的连接装置进行连接，利用数控系统有规律的带着滑块做往复直线运动，连接方式理论上可以采用刚性连接，但是考虑到数控系统工作台也有一定程度的平行度偏差和角度误差，本发明采用弹性系数合适的钢质弹簧作为缓冲元件，分别布置在滑块轴向和侧向。本发明也可利用主轴的下降或者侧向偏置量对滑块进行加载，为了保证主轴对滑块的加载更平稳和不具备破坏性。
【专利说明】
一种检测滚动直线导轨副综合性能退化的试验装置及检测方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种检测滚动直线导轨副综合性能退化的试验装置及检测方法，属于精密数控制造技术领域。
【背景技术】
[0002]国内研制并生产的机床导轨在精度、耐磨形，刚度等综合性能方面跟国外导轨相比都处于劣势状况。国内导轨一般采用增加滚动体直径或其他提高预紧的方法来提高导轨副刚度，延长精度损失时间。然而影响直线导轨性能的因素很多，单一靠增加预紧力提高刚度和延长精度保持时间是否能提高综合性能还不确定，预紧力的退化规律以及刚度退化的规律仍处于不断研究阶段。
[0003]为了提高国产导轨的综合性能，国内学者正在进行着不懈的努力，如何研究导轨运行过程中的预紧力、摩擦力和刚度的退化过程成为研究者遇到的难题，
[0004]本发明提出并设计了一种利用精密三向力传感器检测直线导轨综合性能的检测装置，并提出，利用该装置对导轨进行加载试验并检测综合性能退化过程的方法。本装置可用于检测导轨受垂直载荷和侧向载荷时的摩擦力退化、刚度及预紧力退化规律的综合性能检测，本发明装置也可用于检测导轨副滚珠或滚道破坏时的振动分析和可靠性的分析。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提出一种检测滚动直线导轨副综合性能退化的试验装置及检测方法，用于分析检测直线导轨副的精度退化、刚度退化、预紧力退化的研究。属于精密数控制造技术领域。
[0006]技术解决方案:
[0007]本发明利用三向力传感器设计滑动导轨加载运行试验装置，试验装置采用气缸对直线滚动导轨副的侧向方向进行加载，利用主轴向下通过角接触球轴承或者止推轴承对导轨副垂直方向进行加载，通过数控机床工作台带动试验装置进行直线运动。滑块和传感器、传感器与刀柄均通过特殊设计的连接装置进行连接，利用数控系统有规律的带动滑块做往复直线运动，连接方式理论上可以采用刚性连接，但是考虑到数控系统工作台也有一定程度的平行度偏差和角度误差，本发明采用弹性系数合适的钢质弹簧作为缓冲元件，分别布置在连接结构的轴向和侧向。本发明也可利用主轴的下降或者侧向偏置量对滑块进行加载，为了保证主轴对滑块的加载更平稳和不具备破坏性，本发明采用蝶形弹簧对垂直方向加载力进行缓冲。
[0008]安装完毕后先测出直线导轨在滑块运动方向及两个正交法线上的平行度误差，同时测量直线导轨的垂直刚度和侧向刚度以及摩擦力，并作为初始值保存，当加载运行一定时间后再次测量平行度误差，垂直刚度及侧向刚度，按照时间顺序分析测量结果，分析在运行过程中滑块与导轨的预紧力损失，刚度损失，进而得到精度损失规律，本发明装置也可以进行在线测量，实时采集滑块和导轨的动态力和振动信号等参数。
[0009]本发明装置在进行加载运行时利用装有弹簧或其它减振结构的装置，但是在测量滑块刚度时需要将带有弹簧或其它减振元件的结构拆下，避免弹性元件对测量数据的干扰。
[0010]本发明装置还可以实时监测导轨运动过程中的摩擦力，也可以通过检测滑块逐渐加速的运行状态下的摩擦及磨损退化试验。
[0011]本发明装置可以很好的解决导轨与滑块垂直和侧向两个方向同时受载荷的综合性能退化问题，本发明提出的试验方法可以检测滑块受垂直和侧向双向载荷并作匀速以及阶段加速运行情况下的综合性能参数的测量。对于研究直线导轨的综合性能退化具有重要意义，
[0012]本发明的装置可以用于检测导轨的精密跑合试验以及直线导轨副磨损试验场合，也可用于直线导轨破坏引起的振动的检测试验和刀柄旋转运动下受载荷直线导轨的微动磨损试验。
【附图说明】
[0013]图1为本发明装置主视图；
[0014]图2为图1的左视图；
[0015]图3为图1的俯视图；
[0016]图4为槽式连接板5内弹簧分布图；
【具体实施方式】
[0017]如图1-4所示，一种检测滚动直线导轨副综合性能退化的试验装置，该装置的直线导轨副安装在机床工作台15上，直线导轨副包括导轨I和滑块2，滑块2安装在导轨I上;力传感器13能够同时检测三个方向的力的大小，连接板14用于连接力传感器13和滑块2;力传感器13上部设有一个垫片12，垫片12通过粘结剂连接槽式连接板5，力传感器13、连接板14、槽式连接板5都通过螺钉3连接在一起并固定;在槽式连接板5内装有四组弹簧4，弹簧4的弹性系数要大于主轴加速过程中产生的惯性力，轴承套6内装有轴承7，轴承7内孔装有主轴刀柄9，刀柄9通过螺母8与主轴相连，根据试验要求能够更换不同直径的刀柄9，同时轴承7尺寸需要进行相应调整，轴承套6底部与槽式连接板5之间安装有蝶形弹簧11，蝶形弹簧11的作用为减少刀柄9垂直载荷对连接装置的冲击。
[0018]蝶形弹簧11弹性系数足够大以便起到缓冲冲击力的作用;利用刀柄和外加气缸分别对滑块进行垂直加载和侧向加载;刀柄通过角接触轴承或者止推轴承或平面轴承进行加载。
[0019]本装置要求检测的精度为微米级，因此，滑块与主轴的初始安装精度和数控机床工作台进给误差以及主轴初始回转误差均不能忽视，在做直线导轨加载跑合试验之前检测并作记录和分析;本装置在主轴与滑块之间增加高刚度的弹簧和碟簧，一方面为得到足够高的刚度连接，另一方面能够吸收来自主轴的加速惯性力和冲击力，外加气缸的压力值不能超过机床主轴侧向额定加载力。
[0020]刀柄9与滑块2之间并非刚性连接而是设有弹簧4或蝶形弹簧11的弹性元件，并且弹性元件的弹性系数根据加载力和加载速度决定.加载力可由安装在本装置内的力传感器13检测;力传感器13具有0.1牛顿的检测精度，能够检测直线导轨运行在不同速度下的摩擦力；此装置还能够检测滑块与导轨间的垂直刚度和侧向刚度，在磨损试验中能够检测不同磨损时间的刚度变化。
[0021]一种检测滚动直线导轨副综合性能退化的检测方法，具体检测步骤和方法如下:
[0022]第一步，安装调试完毕后，利用激光干涉仪或其他位置测量仪检测初始安装误差，包括滑块在导轨整个行程中的两个直线度误差和三个偏转角度误差；
[0023]第二步，数控系统对工作台进行位置控制实现滑块与导轨直线往复移动，连接装置及主轴的受力为零的位置为初始位置，通过外置气缸对滑块侧向进行加载，利用刀柄通过角接触轴承和止推轴承对滑块垂直方向进行加载，该装置中的三方向传感器即可检测运行过程中的力信号也能够检测振动信号；
[0024]第三步，设计循环运行程序，进行跑合试验，试验分两种运行方式，分别为不同加载力等级下匀速运行方式和相同加载力不同运行速度方式;分别测量滑块在运行状况下的精度损失和刚度损失和摩擦力变化情况;运行里程根据试验要求进行规划，对同一型号的不同直线导轨副分别进行两种方式的试验，并对数据加以对比；
[0025]第四步，利用机床数控系统还能够实现直线导轨副的阶段加速运行；从而能够通过测量滚珠不同运动速度下的通过率，进行滚动体的相对运动分析，从而得到差动滑动的大小，进而能够进行直线导轨副磨损分析。
[0026]刀柄与滑块的连接装置能够用于检测导轨的精密跑合试验及直线导轨副磨损试验，也可用于导轨可靠性退化的检测试验和电机旋转运动下，垂直加载的滑块的微动磨损试验。
[0027]主轴刀柄通过装置带动滑块作直线往复运动，本装置中的三方向传感器能够实时检测到三方向作用力，随着磨损的加大滑块预紧力和刚度退化，本装置能够检测动态力与滑块振动信号。
[0028]本装置能够实现匀速加载试验和加速加载试验，进而能够对比分析两种加载状态下，直线导轨副预紧力退化、刚度退化和摩擦性能退化规律。
【主权项】
1.一种检测滚动直线导轨副综合性能退化的试验装置，其特征在于，该装置的直线导轨副安装在机床工作台(15)上，直线导轨副包括导轨(I)和滑块(2)，滑块(2)安装在导轨(I)上；力传感器(13)能够同时检测三个方向的力的大小，连接板(14)用于连接力传感器(13)和滑块(2);力传感器(13)上部设有一个垫片(12)，垫片(12)通过粘结剂连接槽式连接板(5)，力传感器(13)、连接板(14)、槽式连接板(5)都通过螺钉(3)连接在一起并固定;在槽式连接板(5)内装有四组弹簧(4)，弹簧(4)的弹性系数要大于主轴加速过程中产生的惯性力，轴承套(6)内装有轴承(7)，轴承(7)内孔装有主轴刀柄(9)，刀柄(9)通过螺母(8)与主轴相连，根据试验要求能够更换不同直径的刀柄(9)，同时轴承(7)尺寸需要进行相应调整，轴承套(6)底部与槽式连接板(5)之间安装有蝶形弹簧(11)，蝶形弹簧(11)的作用为减少刀柄(9)垂直载荷对连接装置的冲击。2.根据权利要求1所述的一种检测滚动直线导轨副综合性能退化的试验装置，其特征在于，蝶形弹簧(11)弹性系数足够大以便起到缓冲冲击力的作用；利用刀柄和外加气缸分别对滑块进行垂直加载和侧向加载;刀柄通过角接触轴承或者止推轴承或平面轴承进行加载。3.根据权利要求1所述的一种检测滚动直线导轨副综合性能退化的试验装置，其特征在于，本装置要求检测的精度为微米级，因此，滑块与主轴的初始安装精度和数控机床工作台进给误差以及主轴初始回转误差均不能忽视，在做直线导轨加载跑合试验之前检测并作记录和分析;本装置在主轴与滑块之间增加高刚度的弹簧和碟簧，一方面为得到足够高的刚度连接，另一方面能够吸收来自主轴的加速惯性力和冲击力，外加气缸的压力值不能超过机床主轴侧向额定加载力。4.根据权利要求1所述的一种检测滚动直线导轨副综合性能退化的试验装置，其特征在于，刀柄(9)与滑块(2)之间并非刚性连接而是设有弹簧(4)或蝶形弹簧(11)的弹性元件，并且弹性元件的弹性系数根据加载力和加载速度决定;加载力可由安装在本装置内的力传感器(13)检测;力传感器(13)具有0.1牛顿的检测精度，能够检测直线导轨运行在不同速度下的摩擦力;此装置还能够检测滑块与导轨间的垂直刚度和侧向刚度，在磨损试验中能够检测不同磨损时间的刚度变化。5.利用权利要求1所述装置进行的一种检测滚动直线导轨副综合性能退化的检测方法，具体检测步骤和方法如下: 第一步，安装调试完毕后，利用激光干涉仪或其他位置测量仪检测初始安装误差，包括滑块在导轨整个行程中的两个直线度误差和三个偏转角度误差； 第二步，数控系统对工作台进行位置控制实现滑块与导轨直线往复移动，连接装置及主轴的受力为零的位置为初始位置，通过外置气缸对滑块侧向进行加载，利用刀柄通过角接触轴承和止推轴承对滑块垂直方向进行加载，该装置中的三方向传感器即可检测运行过程中的力信号也能够检测振动信号，既可以用于测量摩擦力变化也可以进行刚度试验的力测量； 第三步，设计循环运行程序，进行跑合试验，试验分两种运行方式，分别为不同加载力等级下匀速运行方式和相同加载力、不同运行速度方式;分别测量滑块在运行状况下的精度损失和刚度损失和摩擦力变化情况;运行里程根据试验要求进行规划，对同一型号的不同直线导轨副分别进行两种方式的试验，并对数据加以对比； 第四步，利用机床数控系统还能够实现直线导轨副的阶段加速运行;从而能够通过测量滚珠不同运动速度下的通过率，进行滚动体的相对运动分析，从而得到差动滑动的大小，进而能够进行直线导轨副磨损分析。6.根据权利要求5所述的一种检测滚动直线导轨副综合性能退化的检测方法，其特征在于，刀柄与滑块的连接装置能够用于检测导轨的精密跑合试验及直线导轨副磨损试验，也可用于导轨可靠性退化的检测试验和电机旋转运动下，垂直加载的滑块的微动磨损试验。7.根据权利要求5所述的一种检测滚动直线导轨副综合性能退化的检测方法，其特征在于，主轴刀柄通过装置带动滑块作直线往复运动，本装置中的三方向传感器能够实时检测到三方向作用力，随着磨损的加大滑块预紧力和刚度退化，本装置能够检测动态力与滑块振动信号。8.根据权利要求5所述的一种检测滚动直线导轨副综合性能退化的检测方法，其特征在于，本装置能够实现匀速加载试验和加速加载试验，进而能够对比分析两种加载状态下，直线导轨副预紧力退化、刚度退化和几何摩擦性能退化规律。
【文档编号】G01D21/02GK106017889SQ201610460907
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月22日
【发明人】张巍, 王民, 孔德顺, 昝涛
【申请人】北京工业大学