高效的直線導(dǎo)軌副摩擦力與精度自動(dòng)化檢測(cè)方法的研究與實(shí)現(xiàn)*

連宇臣，馮虎田，歐　屹

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京　210094)

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高效的直線導(dǎo)軌副摩擦力與精度自動(dòng)化檢測(cè)方法的研究與實(shí)現(xiàn)*

連宇臣，馮虎田，歐屹

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京210094)

摘要：針對(duì)滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副驗(yàn)收技術(shù)條件，對(duì)直線導(dǎo)軌副摩擦力與精度的自動(dòng)化檢測(cè)方法進(jìn)行研究，并設(shè)計(jì)加工相應(yīng)的試驗(yàn)裝置。首先對(duì)比傳統(tǒng)的檢測(cè)方法，研究相對(duì)測(cè)量與絕對(duì)測(cè)量?jī)煞N檢測(cè)原理。然后根據(jù)測(cè)量原理選用傳感器及設(shè)計(jì)工裝，最后使用PRO/ENGINEER對(duì)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行整體三維設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)測(cè)控系統(tǒng)。試驗(yàn)臺(tái)加工完成后，驗(yàn)證試驗(yàn)臺(tái)各項(xiàng)性能參數(shù)，分析試驗(yàn)臺(tái)誤差。

關(guān)鍵詞：滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副；精度檢測(cè)；儀器設(shè)計(jì)

0引言

滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副憑借其摩擦阻力小，行走精度高，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)在數(shù)控系統(tǒng)等自動(dòng)化加工裝置中運(yùn)用廣泛。在高精度的高檔數(shù)控機(jī)床所用導(dǎo)軌副中，國(guó)外企業(yè)生產(chǎn)的導(dǎo)軌副占據(jù)市場(chǎng)約80%的份額，而國(guó)內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的導(dǎo)軌副主要面向中低端市場(chǎng)，導(dǎo)致產(chǎn)能過(guò)剩，競(jìng)爭(zhēng)激烈。國(guó)內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的導(dǎo)軌副質(zhì)量與國(guó)外企業(yè)，例如THK，NSK等相比仍存在一定的差異。在國(guó)外，用于測(cè)量導(dǎo)軌副性能的試驗(yàn)臺(tái)研發(fā)較早，產(chǎn)品較成熟，且不對(duì)外銷售，所以國(guó)內(nèi)大部分生產(chǎn)廠家對(duì)于導(dǎo)軌副性能的檢測(cè)水平依然停留在手工檢測(cè)階段，國(guó)內(nèi)實(shí)驗(yàn)室也沒有基于相對(duì)測(cè)量原理的導(dǎo)軌副精度檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)，所以急切需要自主研究一種高效，高精度的檢測(cè)設(shè)備來(lái)檢驗(yàn)國(guó)內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的導(dǎo)軌副的各項(xiàng)性能，故本文著重研究一種高效自動(dòng)化的檢測(cè)方法，設(shè)計(jì)加工試驗(yàn)裝置，為滾動(dòng)直線導(dǎo)軌制造商提供一種全新的檢測(cè)方法，為產(chǎn)品的改進(jìn)提供技術(shù)支撐。

1常用的檢測(cè)方法

目前國(guó)內(nèi)常用的檢測(cè)方法有兩種，手動(dòng)檢測(cè)及自動(dòng)化檢測(cè)。手動(dòng)檢測(cè)多見于小型企業(yè)，而越來(lái)越多的大型企業(yè)開始投入使用自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備。

1.1手動(dòng)檢測(cè)

(1)摩擦力檢測(cè)方法

圖1　直線導(dǎo)軌副摩擦力手工測(cè)量方法

滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副摩擦力的手動(dòng)測(cè)量方法使用的是彈簧拉力秤，其原理圖如圖1所示。由于人工操作時(shí)拉力方向不能保持與滑塊運(yùn)動(dòng)方向一致，且運(yùn)動(dòng)速度無(wú)法保證勻速，故無(wú)法真實(shí)地反應(yīng)出滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副在運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦力狀況。

(2)精度檢測(cè)方法

圖2　直線導(dǎo)軌副精度手工測(cè)量方法

運(yùn)動(dòng)精度即為空間一點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的實(shí)際位移與理論位移的趨近程度[1]，如圖2所示是廠家通常使用的對(duì)導(dǎo)軌的精度進(jìn)行測(cè)量的方法。該方法主要依托測(cè)量表架，將被測(cè)導(dǎo)軌用螺釘固定在檢測(cè)平臺(tái)上，把表架的測(cè)頭放置于滑塊頂面基準(zhǔn)及側(cè)面基準(zhǔn)的中心，將表盤調(diào)零后通過(guò)手動(dòng)推動(dòng)滑塊移動(dòng)固定距離，記錄下表盤的偏差值[2]。這種測(cè)量方法對(duì)檢測(cè)平臺(tái)的平面度及粗糙度要求非常高，因?yàn)闄z測(cè)平臺(tái)的精度將直接影響測(cè)量的準(zhǔn)確度。故這種測(cè)量方法檢測(cè)效率較低，對(duì)測(cè)試人員操作要求高，重復(fù)性也較差。當(dāng)測(cè)量批量生產(chǎn)的導(dǎo)軌時(shí)被測(cè)導(dǎo)軌需要反復(fù)安裝在檢測(cè)平臺(tái)上，拆卸時(shí)較為不便。

1.2自動(dòng)化檢測(cè)

(1)摩擦力檢測(cè)方法

常見的測(cè)量原理如下：工控機(jī)控制電機(jī)帶動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)，工作臺(tái)通過(guò)力傳感器拉動(dòng)滑塊沿導(dǎo)軌勻速運(yùn)動(dòng)。由牛頓力學(xué)可知驅(qū)動(dòng)力等于導(dǎo)軌副的動(dòng)摩擦力，由拉力傳感器記錄摩擦力數(shù)值大小[3],缺點(diǎn)為工裝設(shè)計(jì)不能兼容多種型號(hào)導(dǎo)軌，檢測(cè)效率相對(duì)較低。

(2)精度檢測(cè)方法

2高效的摩擦力及精度檢測(cè)方法

2.1摩擦力測(cè)量原理

將應(yīng)變式壓力傳感器安裝在工作臺(tái)面上，測(cè)量時(shí)通過(guò)連桿與被測(cè)直線導(dǎo)軌副滑塊連接。當(dāng)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)帶動(dòng)滑塊做勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)牛頓第一定律，此時(shí)做勻速直線運(yùn)動(dòng)的滑塊所受到的外力之和為零，由此推導(dǎo)出驅(qū)動(dòng)力等于滑塊受到的摩擦力，將傳感器采集到的信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理即可得出滑塊實(shí)時(shí)所受到的摩擦力。

2.2精度測(cè)量原理

(1)相對(duì)測(cè)量原理

此方法直接將導(dǎo)軌的底面基準(zhǔn)作為參照，如圖3所示，設(shè)計(jì)一個(gè)剛性良好的框架，上面安裝4個(gè)激光位移傳感器，分別測(cè)量其到滑塊頂面，導(dǎo)軌底面，滑塊側(cè)面，導(dǎo)軌側(cè)面的距離。

滑塊的H及W兩個(gè)參數(shù)計(jì)算公式如下：

(1)

記錄n組數(shù)值，取第一組為初始值可得:

(2)

根據(jù)驗(yàn)收技術(shù)條件，平行度誤差為豎直方向和水平方向的最大偏差值，故可以得出兩個(gè)方向的平行度誤差為[9-10]：

(3)

其中，μH為垂直誤差μW為水平誤差。

圖3　直線導(dǎo)軌副精度相對(duì)測(cè)量原理

(2)絕對(duì)測(cè)量原理

此方法將被測(cè)導(dǎo)軌副與制造商提供的標(biāo)準(zhǔn)尺寸對(duì)比，具體方法為在任意位置與尺寸等于H公稱值的標(biāo)準(zhǔn)量塊比較，如圖4所示，計(jì)算公式如下：

ΔHi=(H1i+H22)-(H10+H20)

(4)

測(cè)得滑塊頂面與導(dǎo)軌底面高度H的尺寸偏差：

μH=MAX(|ΔHi|)

(5)

圖4　直線導(dǎo)軌副精度絕對(duì)測(cè)量原理

與導(dǎo)軌側(cè)面基準(zhǔn)同側(cè)的滑塊側(cè)面與導(dǎo)軌側(cè)面基準(zhǔn)間距離W的尺寸偏差測(cè)量原理與豎直方向上相同，可得：

ΔWi=(W10-W20)-(W1i-W2i)

(6)

μW=MAX(|ΔWi|)

(7)

3測(cè)試儀器工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

常見的精度測(cè)量自動(dòng)化測(cè)量方式需要將傳感器或接收器安裝在滑塊上，這種方法需要根據(jù)不同型號(hào)的滑塊設(shè)計(jì)不同的工裝，同樣也會(huì)降低生產(chǎn)效率，提高生產(chǎn)成本。本試驗(yàn)臺(tái)為激光位移傳感器設(shè)計(jì)了可調(diào)節(jié)裝置，在測(cè)量不同型號(hào)的滑塊時(shí)可以調(diào)節(jié)激光位移傳感器到測(cè)量面的距離，能夠滿足激光位移傳感器所需的安裝距離。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)采用斜齒輪及斜齒條調(diào)節(jié)，采用微型導(dǎo)軌進(jìn)行導(dǎo)向，結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5　調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

剛性支架采用黑色花崗巖制造，具有剛性強(qiáng)，絕緣，美觀等特點(diǎn)。激光位移傳感器使用光點(diǎn)式傳感器頭，光源信號(hào)為紅色半導(dǎo)體激光，測(cè)量范圍為±3mm，線性度為滿量程的±0.02%(F.S.=6mm)。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的整體裝配圖如圖6所示。

圖6　精度測(cè)量裝置裝配圖

4試驗(yàn)平臺(tái)搭建

4.1試驗(yàn)臺(tái)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

使用PRO/ENGINEER對(duì)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行整體三維設(shè)計(jì)，效果如圖7所示，由伺服電機(jī)、減速器、滾輪、齒條及導(dǎo)向?qū)к墭?gòu)成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)變速與反向，工控機(jī)通過(guò)控制卡驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并用光柵尺定位工作臺(tái)位置。試驗(yàn)臺(tái)共有傳感器6個(gè)，其中激光位移傳感器4個(gè)，壓力傳感器2個(gè)。傳感器信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)線接入研華1713數(shù)據(jù)采集板卡，數(shù)據(jù)采集板卡通過(guò)PCI總線接入工控機(jī)，構(gòu)成一套完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。床身上布置多個(gè)防撞及限位裝置，防撞裝置采用液壓緩沖器及尼龍塊，限位裝置采用非接觸式限位開關(guān)，能夠在儀器發(fā)生故障時(shí)及時(shí)切斷電源，且防止工作臺(tái)飛車，保障操作人員的安全。床身主體采用黑色花崗巖材料，黑色花崗巖具有較高的剛性及熱穩(wěn)定性，可以減少由于機(jī)械變形及熱變形帶來(lái)的誤差，同時(shí)使整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)美觀大方。

1.導(dǎo)軌放置架 2.摩擦力測(cè)量裝置 3.被測(cè)導(dǎo)軌副 4.精度測(cè)量裝置 5.工作臺(tái) 6.伺服電機(jī) 7.減速器 8.滾輪 9.齒條 10.拖鏈 11.防撞裝置 12.床身

圖7試驗(yàn)臺(tái)總體結(jié)構(gòu)

4.2試驗(yàn)臺(tái)精度分析與驗(yàn)證

圖8　試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖

設(shè)計(jì)中，床身導(dǎo)軌安裝面與導(dǎo)軌放置架安裝面平行度誤差為0.05mm，導(dǎo)軌放置架底面與被測(cè)導(dǎo)軌放置面平行度誤差為0.05mm，工作臺(tái)滑塊安裝面與工作臺(tái)面平行度誤差為0.01mm，根據(jù)誤差累加原理，可以得出導(dǎo)向?qū)к壈惭b面與被測(cè)導(dǎo)軌放置面的最大誤差為0.11mm，在裝配過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整最終測(cè)得工作臺(tái)面與被測(cè)導(dǎo)軌放置面平行度誤差為0.02mm。導(dǎo)軌放置架設(shè)計(jì)直線度誤差為0.05mm，裝配后實(shí)測(cè)直線度誤差為0.02mm。平行度與直線度誤差均滿足設(shè)計(jì)要求。裝配完成后的試驗(yàn)臺(tái)如圖8所示。

試驗(yàn)臺(tái)的各項(xiàng)性能參數(shù)如表1所示。

表1　試驗(yàn)平臺(tái)各項(xiàng)性能參數(shù)

4.3試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

直線導(dǎo)軌副摩擦力與精度檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)檢測(cè)的信號(hào)分為位置信號(hào)，力信號(hào)，位移信號(hào)。首先利用傳感器把物理信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)和脈沖信號(hào)，再利用數(shù)據(jù)采集卡及計(jì)數(shù)器將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦た貦C(jī)。通過(guò)編寫軟件來(lái)控制整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)。其測(cè)試原理如圖9所示，用戶界面使用MFC平臺(tái)搭建，集運(yùn)動(dòng)控制，數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)分析，精度評(píng)級(jí)于一體，滿足測(cè)量?jī)x器實(shí)時(shí)性與可靠性的要求。

圖9　測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5結(jié)束語(yǔ)

導(dǎo)軌以其精度高、定位精度好等優(yōu)點(diǎn)被越來(lái)越多地應(yīng)用于各種數(shù)控機(jī)械及自動(dòng)化設(shè)備[9],導(dǎo)軌的行走精度是評(píng)定滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副性能的重要參照，本文在對(duì)目前常用直線導(dǎo)軌副精度檢測(cè)方法深入分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出了直線導(dǎo)軌副摩擦力與精度檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)，本試驗(yàn)臺(tái)采用自動(dòng)化測(cè)量方式，能夠快捷準(zhǔn)確地測(cè)量直線導(dǎo)軌副的各項(xiàng)性能。試驗(yàn)臺(tái)采用快速安裝方式，對(duì)于不同型號(hào)的導(dǎo)軌有較高的兼容性。其選取高精度傳感器，能夠精密地分析直線導(dǎo)軌副的摩擦力及精度。本試驗(yàn)臺(tái)可用于國(guó)內(nèi)各大直線導(dǎo)軌副制造商的生產(chǎn)活動(dòng)中，對(duì)于提高直線導(dǎo)軌副的檢測(cè)精度及節(jié)省檢測(cè)時(shí)間具有較強(qiáng)的實(shí)際作用。

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(編輯李秀敏)

Study an Effective Method for Automatic Detection of the Linear Guide’s Friction and Precision

LIAN Yu-chen,FENG Hu-tian,OU Yi

(School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094,China)

Abstract：According to the current technical conditions of the linear guide’s acceptance, we attempt to study a method for automatic detection of the linear guide’s friction and precision, and design appropriate test equipment. Firstly, on the basis of the relative measurement and absolute measurement principle, traditional testing methods should be com- pared in the study. Secondly, according to the measurement principle, the sensors should be selected and the design of the tooling should be finished. Finally, the overall three-dimensional design of the test bench should be completed by using the ‘PRO / ENGINEER’ technology, and design of the monitoring and control system should be finished at the same time.After the test bench is completed, verify test bench’s performance parameters, and analys test bench’s deviation.

Key words：linear rolling guide; the accuracy of detection; instrument design

中圖分類號(hào)：TH166；TG65

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：連宇臣(1990—)，男，江蘇江陰人，南京理工大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)闈L動(dòng)功能部件試驗(yàn)技術(shù)、精密機(jī)電測(cè)控技術(shù)，(E-mail)460420171@qq.com；通訊作者：馮虎田(1965—)，男，遼寧義縣人，南京理工大學(xué)教授，博士，研究方向?yàn)闄C(jī)器人技術(shù)、精密機(jī)電測(cè)控技術(shù)，(E-mail)fenght@mail.njust.edu.cn。

*基金項(xiàng)目：國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2012ZX04002021)

收稿日期：2015-05-25;修回日期：2015-06-24

文章編號(hào)：1001-2265(2016)03-0067-04

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.03.019