滾動直線導(dǎo)軌副摩擦力動態(tài)測量試驗(yàn)研究*

周晶晶，梁　醫(yī)，馮虎田

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

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滾動直線導(dǎo)軌副摩擦力動態(tài)測量試驗(yàn)研究*

周晶晶，梁醫(yī)，馮虎田

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

滾動直線導(dǎo)軌副是高速高精度數(shù)控機(jī)床的重要功能部件，其摩擦特性對機(jī)床整機(jī)的力學(xué)特性具有重要影響，因此對導(dǎo)軌摩擦力的大小進(jìn)行檢測具有重要的意義。針對摩擦力檢測要求，設(shè)計(jì)了一種自動檢測滾動直線導(dǎo)軌副摩擦力的試驗(yàn)裝置，將測量結(jié)果與手動測量進(jìn)行對比，并對某一型號的滾動直線導(dǎo)軌副進(jìn)行重復(fù)性測試，驗(yàn)證了該測量方法的可靠性。針對35和45型號的滾動直線導(dǎo)軌副進(jìn)行不同速度條件下的摩擦力測試，試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著速度增加，導(dǎo)軌副摩擦力有先減小后增大的趨勢。

滾動直線導(dǎo)軌副；摩擦力檢測；對比試驗(yàn)

0　引言

近年來，隨著國內(nèi)外數(shù)控精密加工技術(shù)的發(fā)展，對機(jī)床導(dǎo)向系統(tǒng)運(yùn)動精度的要求越來越高。滾動直線導(dǎo)軌副以其摩擦阻力小、動靜摩擦系數(shù)差小、結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)動精度高、精度保持性好、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，在各種高檔數(shù)控機(jī)械及自動化設(shè)備中得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1]。

作為精密的傳動部件，滾動直線導(dǎo)軌副的摩擦力是導(dǎo)軌副的重要性能指標(biāo)。任何機(jī)件在接觸狀態(tài)下相對運(yùn)動(滑動、滾動或滑動和滾動)時(shí)都會產(chǎn)生摩擦。摩擦力作為系統(tǒng)快速響應(yīng)的阻礙和能量消耗的主要途徑，對摩擦力進(jìn)行研究對提高整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)速度及控制精度具有重要意義；摩擦力也引起導(dǎo)軌副的發(fā)熱，直接影響導(dǎo)軌副的使用壽命[2]。因此對滾動直線導(dǎo)軌副的摩擦力進(jìn)行研究具有相當(dāng)重要的實(shí)際意義。

1　摩擦力產(chǎn)生機(jī)理分析

滾動直線導(dǎo)軌副在運(yùn)動過程中，其工作條件、結(jié)構(gòu)參數(shù)(單圓弧、雙圓弧等)的不同，會導(dǎo)致它的接觸狀態(tài)、工作性能以及剛度有所不同[3]。滾動直線導(dǎo)軌副摩擦力產(chǎn)生的原因比較復(fù)雜，主要包括如下幾項(xiàng)[4]:

(1)滾動直線導(dǎo)軌副滾珠與滾道間的摩擦：

①導(dǎo)軌副的鋼球在滾道中運(yùn)動時(shí)由于彈性滯后產(chǎn)生的純滾動摩擦力；

②鋼球與溝槽接觸時(shí)由于接觸面上各點(diǎn)運(yùn)動速度不同而產(chǎn)生的差動滑動摩擦力[5]；

③鋼球自旋運(yùn)動所產(chǎn)生的摩擦阻力。

(2)滾珠在返向器中的摩擦：

①滾珠與返向器壁發(fā)生碰撞產(chǎn)生的摩擦力；

②滾珠之間的摩擦碰撞；

③返向器壁對滾珠的摩擦阻力。

(3)滾珠之間相對滑動引起的滑動摩擦；

(4)潤滑劑的粘性作用產(chǎn)生的摩擦阻力；

(5)滾動直線導(dǎo)軌副的一些結(jié)構(gòu)如密封端蓋也會產(chǎn)生摩擦力。

2　摩擦力檢測方法及試驗(yàn)臺介紹

2.1摩擦力測試原理

摩擦力的動態(tài)測試一般采用間接比較法[6-7]。當(dāng)滑塊沿導(dǎo)軌方向做直線運(yùn)動時(shí)，在豎直方向上受到自身的重力G和導(dǎo)軌對滑塊的支承力F1作用；在運(yùn)動方向上受到外界施加的驅(qū)動力F以及導(dǎo)軌滾道對其沿運(yùn)動相反方向上的摩擦力Ff作用。當(dāng)滑塊在電機(jī)的驅(qū)動下沿導(dǎo)軌做勻速運(yùn)動時(shí)，由牛頓經(jīng)典力學(xué)定律可知：滑塊受到的驅(qū)動力F與導(dǎo)軌副動摩擦力Ff大小相等，方向相反，此時(shí)滑塊受力狀態(tài)如圖1所示。

圖1　摩擦力測量原理圖

2.2摩擦力測試方法

為了對高檔數(shù)控機(jī)床滾動功能部件的共性進(jìn)行研究，研制了如圖2所示的滾動直線導(dǎo)軌副綜合性能試驗(yàn)臺[8-9]。本試驗(yàn)臺床身材料使用的是花崗巖，以減小由于床身變形引起的測量誤差，保證測量精度；以直線電機(jī)作為驅(qū)動裝置，能使工作臺達(dá)到高速和高加速的要求；導(dǎo)向裝置采用氣浮導(dǎo)軌，具有壽命長、無振動、無噪音的優(yōu)點(diǎn)；電機(jī)定子與工作滑臺相連接，滑塊在懸臂的推動作用下實(shí)現(xiàn)往復(fù)直線運(yùn)動；控制系統(tǒng)采用西門子840Dsl數(shù)控系統(tǒng)，用以控制電機(jī)的運(yùn)動速度、加速度及起止位置，從而保證了滑塊的勻速運(yùn)行；在運(yùn)動過程中，安裝在被測滑塊上的各傳感器進(jìn)行性能參數(shù)測試。

圖2　滾動直線導(dǎo)軌綜合性能試驗(yàn)臺

測量摩擦力時(shí)，如圖3所示，將被測導(dǎo)軌固定在花崗巖床身上，在導(dǎo)軌副上配置一個(gè)用來測量摩擦力的滑塊，該滑塊通過轉(zhuǎn)接板與拉壓力傳感器的一端連接，傳感器另一端通過雙頭螺柱與固定在工作臺上的推臂連接。當(dāng)工作臺在電機(jī)的推動下做往復(fù)直線運(yùn)動時(shí)，推臂通過力傳感器拉(推)動被測滑塊沿導(dǎo)軌勻速運(yùn)動。

傳感器所采集到的信號即為摩擦力的動態(tài)信號，傳感器輸出的電壓信號經(jīng)過信號放大器、低通濾波器及數(shù)據(jù)采集板卡作模數(shù)轉(zhuǎn)換, 將測量結(jié)果傳輸至工控機(jī)， 最終通過測量軟件實(shí)時(shí)顯示并保存采樣數(shù)據(jù)，計(jì)算并繪制曲線，如圖4所示。

圖3　摩擦力動態(tài)測量裝置

圖4摩擦力信號處理系統(tǒng)

3　滾動直線導(dǎo)軌副摩擦力試驗(yàn)

3.1試驗(yàn)?zāi)康?/p>

分別以國外和國內(nèi)某廠家生產(chǎn)的35和45型號的滾動直線導(dǎo)軌副為試驗(yàn)對象，對滑塊的摩擦力進(jìn)行動態(tài)測試，對比分析不同的廠家、型號等條件下導(dǎo)軌副摩擦性能的差異，并研究速度對滾動直線導(dǎo)軌副摩擦性能的影響規(guī)律。

3.2試驗(yàn)方法

以滾動直線導(dǎo)軌副綜合性能試驗(yàn)臺為測量平臺，動態(tài)測量軟件采集傳感器數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔為30ms。

首先，為驗(yàn)證測試原理，將速度4m/min時(shí)的摩擦力在線測量值與手動測量值進(jìn)行對比。手動測量方法為：用彈簧拉力計(jì)緩慢的拉動滑塊使之勻速運(yùn)動，拉力計(jì)的讀數(shù)即為該速度下的摩擦力大小。

其次，在低速和高速下分別對直線導(dǎo)軌副的摩擦力進(jìn)行10次在線測量，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行重復(fù)性分析以驗(yàn)證測量系統(tǒng)的可靠性。

然后，改變運(yùn)行速度值，分別對導(dǎo)軌副的正向摩擦力和反向摩擦力進(jìn)行三次測量，取3次測量結(jié)果的平均值為該速度條件下導(dǎo)軌副摩擦力的測試結(jié)果。

最后，對不同型號和廠家的直線導(dǎo)軌分別進(jìn)行摩擦力測試，得到對比結(jié)果。

3.3試驗(yàn)結(jié)果

利用滾動直線導(dǎo)軌綜合性能試驗(yàn)臺對導(dǎo)軌副進(jìn)行摩擦力測試，測量滑塊一個(gè)往返過程中的摩擦力。由于電機(jī)在啟動和停止時(shí)，滑塊處于加速和減速的階段，并且存在輕微沖擊力，因此試驗(yàn)時(shí)僅選取滑塊勻速運(yùn)動段的數(shù)據(jù)，滑塊有效行程為1m，測量結(jié)果曲線如圖5所示。

圖5　摩擦力測量曲線圖

手動測量和在線測量結(jié)果如表1、表2所示。

表1　手動測量結(jié)果

表2　在線測量結(jié)果

速度為4m/min和80m/min時(shí)分別進(jìn)行10次測量，為保證采樣數(shù)據(jù)量相同，設(shè)置4m/min時(shí)采樣周期為600ms,80m/min時(shí)采樣周期為30ms,測量結(jié)果如表3、表4所示。

表3　摩擦力測量結(jié)果

表4　摩擦力測量結(jié)果

依次改變數(shù)控程序里速度設(shè)定值，35、45型號摩擦力隨速度變化曲線圖分別如圖6所示。

圖6　摩擦力變化曲線圖

分別選擇45型號國內(nèi)和國外的導(dǎo)軌進(jìn)行摩擦力測量，得到如圖7所示的對比曲線圖。

圖7　國內(nèi)外摩擦力試驗(yàn)結(jié)果對比圖

4　試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1重復(fù)性分析

動態(tài)測量數(shù)據(jù)重復(fù)性一般用不確定度來表示[10]，不確定度愈小，所述結(jié)果與被測量的真實(shí)值愈接近，質(zhì)量越高，水平越高，其使用價(jià)值越高。不確定度計(jì)算公式：

根據(jù)公式對4m/min和80m/min的摩擦力測量數(shù)據(jù)分別進(jìn)行計(jì)算得：

4m/min時(shí)：u正=0.0544u反=0.0667

80m/min時(shí)：u正=0.3741u反=0.2921

從不確定度計(jì)算結(jié)果可以看出低速和高速時(shí)不確定度均小于0.4，可以說明本試驗(yàn)具有較高的重復(fù)性，因此實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有較高的可靠性。4m/min時(shí)的不確定度值比80m/min時(shí)的小，是由于速度越高，滑塊振動越大，試驗(yàn)結(jié)果也會產(chǎn)生波動。

4.2對比分析

4.2.1手動測量與動態(tài)測量對比分析

由表1可以看出，自動測量與手動測量數(shù)據(jù)很接近，手動測量正反向摩擦力相差很小。手動測量時(shí)，試驗(yàn)員本身操作會產(chǎn)生一定的誤差，因此自動測量結(jié)果會與手動測量有較小的差異。

4.2.2單根導(dǎo)軌數(shù)據(jù)分析

(1)從圖6a中可以看出隨著滑塊運(yùn)動速度的增大，導(dǎo)軌副摩擦力測量值先小幅度減小后呈現(xiàn)線性增大趨勢。分析產(chǎn)生這種結(jié)果的原因有：

①隨著速度增加，滾珠的運(yùn)動速度也會相應(yīng)的增加，進(jìn)出承載區(qū)的頻率增加，并且與返向器的碰撞也會加快，從而導(dǎo)致摩擦阻力增大；

②滑動摩擦系數(shù)與物體的相對滑動速度有關(guān)，在一定范圍內(nèi)，隨著運(yùn)動速度的增大，滑動摩擦系數(shù)增大，而滾珠在滾道中的滑動摩擦力與滑動摩擦系數(shù)成正比的關(guān)系，因此增大速度，總摩擦力增加；

③彈性滯后損失與滾珠的滾動速率有關(guān)，也就是材料的變形速率相關(guān)，低速接觸時(shí)，接觸區(qū)后部材料有足夠的時(shí)間恢復(fù)變形。而在高速滾動時(shí)接觸區(qū)后部材料變形恢復(fù)速度慢導(dǎo)致滾珠后部脫離接觸時(shí)，軌道變形仍未完全恢復(fù)，產(chǎn)生額外的滾動阻力。

(2)在速度低于時(shí)，反向測量數(shù)據(jù)的平均值明顯比正向測量的值大。將導(dǎo)軌換向安裝后重新測量，得到相反的結(jié)果，此時(shí)反向摩擦力均值大于正向摩擦力均值。說明對于導(dǎo)軌其正反向摩擦力數(shù)值上會存在不同。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生可能是由導(dǎo)軌滾道的加工工藝引起，導(dǎo)軌滾道通常采用磨削的加工方式來完成，導(dǎo)軌加工完成后，其滾道上沿砂輪前進(jìn)方向上的摩擦系數(shù)比相反方向要小，在預(yù)緊力一定的情況下，該方向上的測量值相對反方向要偏小。

(3)在高速運(yùn)行時(shí)，摩擦力隨速度的變化波動較大，且正反向的摩擦力差值比低速時(shí)明顯有所減小。高速時(shí)由于碰撞、彈性滯后等引起的摩擦力增加，而滾道加工引起的摩擦力所占的比例相應(yīng)會減小，因此高速試驗(yàn)時(shí)會出現(xiàn)與之前相反的結(jié)果；另外對于相同行程，速度越高，計(jì)算機(jī)采集的點(diǎn)數(shù)會減少，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差增大。

4.2.3不同型號摩擦力對比分析

將35和45型號摩擦力測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比得到如圖8所示的曲線圖。

圖8　不同型號摩擦力試驗(yàn)結(jié)果對比圖

由上圖可以發(fā)現(xiàn)，相同速度下，45型號導(dǎo)軌摩擦力明顯大于35型號導(dǎo)軌。說明導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)尺寸增大，摩擦力增大。

4.2.4國內(nèi)外導(dǎo)軌副摩擦力對比

由圖7可以看出相同型號的滾動直線導(dǎo)軌副，其摩擦力大小國內(nèi)比國外的大。目前，國內(nèi)滾動功能部件的加工工藝、材質(zhì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等與國外有一定的差距，滾道和鋼球的加工精度、適應(yīng)度的大小等多種因素共同作用導(dǎo)致了其性能的差異。

5　結(jié)論

對滾動直線導(dǎo)軌副摩擦力進(jìn)行檢測是提高滾動直線導(dǎo)軌副性能與產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。本文通過測量不同速度下滾動直線導(dǎo)軌副的摩擦力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明：隨著滑塊運(yùn)動速度的增大，導(dǎo)軌副摩擦力測量值先減小隨后呈線性增大趨勢；對比不同型號尺寸的導(dǎo)軌副摩擦力，結(jié)果表明尺寸越大，摩擦力越大。

[1] 馮虎田.滾動功能部件綜合性能檢測機(jī)可靠性研究發(fā)展趨勢[J].金屬加工，2012(5):10-12.

[2] 高飛.直線滾動導(dǎo)軌預(yù)加載荷的應(yīng)用研究[D].無錫：江南大學(xué)，2007.

[3] 石川義雄，須田稔.直動玉軸受の摩擦力變動[J].精密機(jī)械，1981，47(12):58-63.

[4] 孫健利，張朝輝．關(guān)于滾動直線導(dǎo)軌摩擦力與預(yù)緊力關(guān)系的研究．1997,25(3)：47-49.

[5] Olaru D, Puiu GC, Balan LC, et al. A new model to estimate friction torque in a ball screw system[J]. Product Engineering: Eco-Design，Technologies and Green Energy:2004, 231-240.

[6] 趙佳佳,宋現(xiàn)春,姜洪奎,等. 高速滾動直線導(dǎo)軌副綜合性能測試試驗(yàn)臺的研發(fā)[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù),2014(11):75-77.

[7] JB/T7175.4-2006,滾動直線導(dǎo)軌副第4部分：驗(yàn)收技術(shù)條件[S].2006.

[8] 梁醫(yī),馮虎田,周保安.滾動直線導(dǎo)軌副綜合精度及性能測試裝置[P].發(fā)明,2012(9):2-8.

[9] 周保安.基于ABAQUS的精密滾動直線導(dǎo)軌副測試臺有限元分析[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2014(2):24-27.

[10] 石照耀，費(fèi)業(yè)泰.基于均值平移的動態(tài)測量重復(fù)性的評定方法研究 [J].光學(xué)精密工程,2003,11(4)：363-367.

(編輯趙蓉)

Study of Experiment and Characteristics of Friction for Linear Rolling Guide

ZHOU Jing-jing, LIANG Yi, FENG Hu-tian

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

Linear rolling guide is an important Functional part of high-speed high-precision CNC machine, its great influence on the mechanical properties of the friction characteristics of the whole machine, so the size of rail friction detection is of great significance. For friction test requirements, This paper presents a automatic detection of roller linear guides friction testing device, the measurement results were compared with manual measurements, and repetitive testing for a certain type of linear Rolling guide, verify the reliability of the measurement method. The friction testing conditions at different speeds for 35 and 45 models rolling linear rolling guide, test results show that with the increase in speed, the friction have after the first decreases and then increases.

roller linear guide; friction experiment; contrast test

1001-2265(2016)04-0124-03DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.04.033

2015-05-10

國家自然科學(xué)基金、青年基金(51405233)；國家科技重大專項(xiàng)(2012ZX04002021)

周晶晶(1991—)，女，湖北黃岡人，南京理工大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)闈L動功能部件試驗(yàn)技術(shù)、機(jī)械設(shè)計(jì)，(E-mail)15850578932@163.com；通訊作者：梁醫(yī)(1974— )，女，西安人,南京理工大學(xué)副教授，研究方向?yàn)闄C(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析,精密機(jī)械測試測量,機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)以及摩擦磨損與潤滑，(E-mail)liangyi@mail.njust.edu.cn。

TH166;TG506

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