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1、滾柱直線導(dǎo)軌副摩擦力動(dòng)態(tài)測(cè)量 滾柱直線導(dǎo)軌副摩擦力動(dòng)態(tài)測(cè)量 2016/03/16 《組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)雜志》2016年第二期 摘要: 在綜合分析滾柱直線導(dǎo)軌副動(dòng)態(tài)摩擦力測(cè)量系統(tǒng)功能及定位的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)其測(cè)量系統(tǒng)，包括軟件及硬件組成、數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)等。基于此測(cè)量系統(tǒng)對(duì)滾柱直線導(dǎo)軌副動(dòng)態(tài)摩擦力進(jìn)行試驗(yàn)分析，在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)造成某型號(hào)導(dǎo)軌滑塊摩擦力波動(dòng)的原因，并針對(duì)此現(xiàn)象提出改進(jìn)方法，為高性能滾柱直線導(dǎo)軌副的生產(chǎn)提供幫助。 關(guān)鍵詞: 滾柱直線導(dǎo)軌

2、副;動(dòng)態(tài)測(cè)量;摩擦力波動(dòng);試驗(yàn)分析 滾柱直線導(dǎo)軌副是數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵功能部件，目前已在精密機(jī)床、自動(dòng)化設(shè)備、重切削加工設(shè)備等方面得到廣泛的應(yīng)用［1］。滾柱直線導(dǎo)軌副以滾柱為滾動(dòng)體，因而具有超高剛性與超重負(fù)荷能力，這就決定了其高速、重載的發(fā)展方向［2］。在滾柱直線導(dǎo)軌副的高速、重載運(yùn)行中，其溫升、噪聲、振動(dòng)等性能指標(biāo)會(huì)產(chǎn)生大的變動(dòng)［3］。而摩擦作為能量消耗的主要方式，是影響滾柱直線導(dǎo)軌副各性能指標(biāo)的重要因素［4］。針對(duì)這種情況，研究滾柱直線導(dǎo)軌副的摩擦力特性是必不可少的。本文通過(guò)總結(jié)前人的研究成果，開(kāi)發(fā)了摩擦力動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，同時(shí)通過(guò)分析總結(jié)測(cè)量的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)造成滾柱直線導(dǎo)軌副摩擦力波動(dòng)的原因。

3、針對(duì)這種現(xiàn)象進(jìn)行了大量的試驗(yàn)驗(yàn)證，為進(jìn)一步改善滾柱直線導(dǎo)軌副的性能提供了可行性依據(jù)。 1測(cè)量系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 本測(cè)量系統(tǒng)包括機(jī)械系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)兩大部分。其中機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式，驅(qū)動(dòng)行程可達(dá)到3000mm。采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，主要是考慮到直線導(dǎo)軌高速度、高加速度的工作環(huán)境，以及長(zhǎng)行程、高精度的運(yùn)動(dòng)要求，同時(shí)相比于傳統(tǒng)的滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)方法，可以實(shí)現(xiàn)“零傳動(dòng)”，傳動(dòng)剛度更高、推力更平穩(wěn)［5-7］。測(cè)控系統(tǒng)主要由工控機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡、PCI數(shù)據(jù)采集卡、拉壓式稱(chēng)重傳感器、稱(chēng)重傳感器測(cè)量?jī)x表等組成，其組成如圖2所示。工控機(jī)通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡控制直線電機(jī)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，

4、試驗(yàn)臺(tái)裝有光柵尺，可以實(shí)時(shí)反饋運(yùn)動(dòng)位置，稱(chēng)重傳感器儀表負(fù)責(zé)采集稱(chēng)重傳感器數(shù)據(jù)并傳送至工控機(jī)。本測(cè)量系統(tǒng)的工作原理是由直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)被測(cè)導(dǎo)軌的滑塊進(jìn)行直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，直線電機(jī)滑臺(tái)上固定有聯(lián)接板，聯(lián)接板通過(guò)稱(chēng)重傳感器與滑塊相連，當(dāng)直線電機(jī)做勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，稱(chēng)重傳感器所測(cè)得的數(shù)據(jù)就是被測(cè)滑塊的實(shí)時(shí)摩擦力［8］。 2測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 本測(cè)控系統(tǒng)軟件以Labview編寫(xiě)，采用程序框圖結(jié)構(gòu)，通過(guò)相應(yīng)的硬件驅(qū)動(dòng)提供的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)函數(shù)及VISA驅(qū)動(dòng)對(duì)相關(guān)儀器進(jìn)行操作。VISA驅(qū)動(dòng)是儀器編程中的標(biāo)準(zhǔn)I/OAPI，可以控制串口、以太網(wǎng)等，并根據(jù)使用儀器的類(lèi)型調(diào)用相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，本系統(tǒng)中主要用來(lái)通過(guò)串口對(duì)摩擦力進(jìn)

5、行讀取操作［9］。軟件主界面如圖3所示。軟件相關(guān)的操作包括:(1)直線電機(jī)的運(yùn)行控制。包括直線電機(jī)的運(yùn)行速度大小的控制，直線電機(jī)行程的控制，直線電機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的控制(2)光柵尺位置信號(hào)的采集處理。采用PCI計(jì)數(shù)卡，采集光柵尺脈沖信號(hào)，并進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的位置信號(hào)，反饋給直線電機(jī)控制系統(tǒng)。(3)摩擦力信號(hào)的采集處理。摩擦力信號(hào)經(jīng)稱(chēng)重傳感器儀表低通濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換后，通過(guò)串口基于RS232通訊協(xié)議傳送至工控機(jī)，為保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在工控機(jī)端軟件上再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行遞推平均濾波，消除干擾信號(hào)的影響［10］。采集完成的數(shù)據(jù)可以通過(guò)軟件進(jìn)行存取操作，并生成檢測(cè)報(bào)表后打印。 3數(shù)據(jù)采集與分析

6、 完成相應(yīng)的軟硬件安裝調(diào)試后開(kāi)始對(duì)被測(cè)導(dǎo)軌副進(jìn)行摩擦力測(cè)量。本試驗(yàn)對(duì)象采用某型號(hào)的45滾柱直線導(dǎo)軌副，被測(cè)導(dǎo)軌副安裝完成后先進(jìn)行初期跑合，跑合完成后再進(jìn)行動(dòng)態(tài)摩擦力測(cè)量。進(jìn)行摩擦力測(cè)量時(shí)應(yīng)注意導(dǎo)軌副的潤(rùn)滑情況，避免潤(rùn)滑不良引起的摩擦力過(guò)大現(xiàn)象。在直線電機(jī)分別以6m/min、12m/min的速度運(yùn)行時(shí)測(cè)量其摩擦力動(dòng)態(tài)信號(hào)，現(xiàn)取一側(cè)導(dǎo)軌副的摩擦力信號(hào)進(jìn)行分析，如圖4和圖5所示。其中軟件設(shè)置讀取頻率為20Hz，橫坐標(biāo)已轉(zhuǎn)換為滑塊運(yùn)行時(shí)位置坐標(biāo)。由以上兩圖可知，在不同速度下運(yùn)行時(shí)導(dǎo)軌副摩擦力相差不大，摩擦力變化是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程，但是存在連續(xù)的周期性波動(dòng)。對(duì)該連續(xù)周期性波動(dòng)進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)該波動(dòng)間隔距

7、離基本為600mm，排除導(dǎo)軌制造精度問(wèn)題后分析波動(dòng)成因應(yīng)是滑塊內(nèi)滾柱或保持鏈所造成。通過(guò)對(duì)滑塊進(jìn)行拆解發(fā)現(xiàn)，滾柱不存在問(wèn)題，而保持鏈接頭處間隙過(guò)大或是造成摩擦力波動(dòng)的主要因素。為了驗(yàn)證摩擦力周期波動(dòng)問(wèn)題成因，將保持鏈拆下，讓滾柱在滾道內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)，重新測(cè)量摩擦力，結(jié)果如圖6所示。由圖可見(jiàn)，拆除保持鏈的滑塊摩擦力波動(dòng)沒(méi)有明顯的周期性，但因?yàn)闆](méi)有保持鏈的約束，使?jié)L柱之間產(chǎn)生直接摩擦造成摩擦力有明顯的增大。針對(duì)保持鏈接頭間隙過(guò)大造成摩擦力波動(dòng)這一問(wèn)題，可以考慮減小保持鏈接頭之間距離或者在保持鏈接頭處增加一個(gè)滾柱來(lái)加以解決。 4結(jié)論 本文針對(duì)滾柱直線導(dǎo)軌副摩擦力動(dòng)態(tài)測(cè)量設(shè)計(jì)了測(cè)量系統(tǒng)的軟硬件

8、，該系統(tǒng)已在山東博特精工股份有限公司投入使用，運(yùn)行可靠，性能穩(wěn)定，能夠滿足工廠實(shí)際生產(chǎn)試驗(yàn)測(cè)量的要求。該系統(tǒng)為摩擦力測(cè)量過(guò)程中出現(xiàn)的一些問(wèn)題，提供了可靠的試驗(yàn)驗(yàn)證，為提升企業(yè)生產(chǎn)滾柱型導(dǎo)軌的品質(zhì)和產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力提供了有力的保證，也為滾柱直線導(dǎo)軌副摩擦力測(cè)量領(lǐng)域的相關(guān)后續(xù)研究工作提供了一個(gè)新的平臺(tái)。 ［參考文獻(xiàn)］ ［1］張雪．滾柱直線導(dǎo)軌副綜合性能檢測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)［D］．大連:大連理工大學(xué)，2012． ［2］榮伯松．高速、重載滾柱直線導(dǎo)軌副優(yōu)化設(shè)計(jì)［D］．濟(jì)南:山東建筑大學(xué)，2012． ［3］張?jiān)柿?，王肇貴，趙順利，等．滾柱直線導(dǎo)軌副綜合性能檢測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)［J］．裝備制造技術(shù)，2

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