CN105538040A

CN105538040A - 一种加工中心床身与立柱螺栓连接状态检测方法及装置

Info

Publication number: CN105538040A
Application number: CN201610099923.6A
Authority: CN
Inventors: 孙清超; 孙志勇; 姜英杰; 孙伟; 马跃
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2016-02-23
Filing date: 2016-02-23
Publication date: 2016-05-04
Anticipated expiration: 2036-02-23
Also published as: CN105538040B

Abstract

本发明公开了一种加工中心床身与立柱螺栓连接状态检测方法及装置，所述方法包括：S1、力锤在立柱侧给螺栓施加轴向激励，数据采集系统分别采集床身和立柱在不同时刻的加速度信号，并通过数据分析系统分别计算出立柱的加速度信号的有效值和床身的加速度信号的有效值数据分析系统计算出能量损耗率A，S2、将能量损耗率A与能量损耗临界阈值A₀相比较，若A>A₀，表明连接床身与立柱的螺栓出现漏拧、松动或者预紧力不足；若A<A₀，表明螺栓连接状态满足要求。所述装置包括：分别设置在立柱和床身的把合面的邻侧面上的第一加速度传感器和第二加速度传感器；用于采集加速度信号的数据采集系统；力锤；以及数据分析系统。本发明操作方便且检测速度快。

Description

一种加工中心床身与立柱螺栓连接状态检测方法及装置

技术领域

本发明涉及机床制造及装配技术领域，具体涉及工作台竖直移动式双立柱卧式加工中心床身与立柱螺栓连接状态检测方法和装置。

背景技术

传统卧式加工中心工作台在水平方向移动，而工作台竖直移动式卧式加工中心双立柱置于床身前方，工作台沿着双立柱实现竖直移动，该构型卧式加工中心具有上下料方便、利于排屑等特点。但该构型卧式加工中心，立柱重力、Y轴进给系统重力、工作台重力、工件重力，以及切削过程中的Y向切削力，X向、Z向切削产生的力矩等主要由床身与立柱间的螺栓和\或销组合连接方式承担，并且需要保证良好的整机刚度及精度，因此需要严格控制床身与立柱间的螺栓连接预紧力。

床身与立柱螺栓连接状态受螺栓轴向预紧力、连接界面平面度及粗糙度等因素综合影响，拧紧过程中施加的是拧紧力矩，起预紧作用的是轴向预紧力，轴向力除受拧紧力矩影响外，也受螺纹牙面摩擦系数、螺栓头平面摩擦系数，以及拧紧速度、拧紧次数等因素影响，具有很大随机性；床身与立柱的结合面面积较大，相互结合表面的平面度、波纹度及粗糙度等也对结合面接触状态具有很大影响；此外，目前卧式加工中心装配过程中拧紧力矩主要依靠人为控制，可能存在漏拧、拧紧力矩不足、拧紧顺序不合理，或拧紧次数不均匀等问题。因此，实际装配后的床身与立柱螺栓连接状态很可能与设计状态存在较大差异，有必要进行相应检测与评定。

授权公告号为CN102322983B、CN103245452B、CN103616118B、CN103162877B、CN102519652B等专利分别发明了一种螺栓紧固状态监测装置或方法，但要求在螺栓连接结构中添加附件，或者在螺栓连接结构中添加传感器。而装配现场检测床身与立柱螺栓连接状态过程中不允许在螺栓连接中添加附加装置，以免影响连接可靠性及后续的可维护性，在结合面间添加传感器也将影响结合面的实际接触状态。因此，需研究既不影响床身与立柱螺栓连接状态，又不影响螺栓连接可靠性及后续维护性的检测方法。

在针对工作台竖直移动式双立柱卧式加工中心床身与立柱进行应力场及振动测试过程中发现：(1)螺栓作用下，床身与立柱结合面压力在以螺栓中心为圆心，直径80mm范围内集中分布，超出该范围结合面压力分布相对均匀，集中分布面积几乎不随预紧载荷改变而改变；(2)距离螺栓中心40mm范围内，在床身及立柱上对称布置加速度传感器，法向激励(即沿螺栓的轴向施加的激励)作用下螺栓连接紧固状态与能量损耗特性之间存在明显的规律性：法向激励(即激振力垂直于结合面)作用下，在螺栓预紧力矩较小(一般小于螺栓额定预紧力矩70％时)，能量损耗率随预紧力增大而迅速减小，而当螺栓预紧力达到额定预紧力的70～80％范围后，随着预紧力增大，能量损耗率随预紧力增大保持相对稳定。实际装配过程中，设计要求床身与立柱各螺栓实际连接状态对应于额定预紧力的80％作用下的预紧状态，因此结合该规律能够快速、准确判断床身与立柱螺栓连接是否存在漏拧、预紧力不足以及结合面接触状态不良等问题。

通过检索专利及国内外论文发现，一篇文献介绍了螺栓连接结构在切向载荷(平行于结合面)作用下的能量损耗规律，经测试发现：切向动载荷作用下，预紧力达到额定预紧力50～60％后，随着预紧力增大，床身与立柱能量损耗率即随预紧力增大保持相对稳定，因此基于切向载荷作用下的能量损耗规律，不能准确判断床身与立柱是否实现良好预紧，同时，装配过程中切向载荷作用也可能影响机床装配精度；另外基于动力学特征检测螺栓连接状态以及采用压电陶瓷激励检测螺栓连接状态等方法，主要用于检测、分析螺栓连接结构模态及刚度、阻尼特征，而准确测试、提取床身-立柱各螺栓连接位置的刚度、阻尼特征困难，仅提取模态难以直接判断各螺栓连接是否存在预紧力大小不足等问题。

发明内容

本发明针对以上问题的提出，而研究设计一种不影响螺栓的连接状态、操作方便且检测速度快的加工中心床身与立柱螺栓连接状态检测方法及装置。

本发明的技术手段如下：

一种加工中心床身与立柱螺栓连接状态检测方法，包括以下步骤：

S1、力锤在立柱侧给螺栓施加轴向激励，数据采集系统分别采集床身和立柱在不同时刻的加速度信号，并通过数据分析系统分别计算出立柱的加速度信号的有效值和床身的加速度信号的有效值

其中加速度信号的有效值的计算方法为：式中，a_i为不同时刻的加速度值，n为一段时间内加速度值的采样长度；

数据分析系统计算出能量损耗率A，具体计算公式为：

S2、将能量损耗率A与能量损耗临界阈值A₀相比较，其中，能量损耗临界阈值A₀为螺栓在拧紧状态下力锤给螺栓施加轴向激励后能量损耗率；若A>A₀，表明连接床身与立柱的螺栓出现漏拧、松动或者预紧力不足；若A<A₀，表明螺栓连接状态满足要求。

进一步地，所述能量损耗临界阈值A₀的确定方法为：

给螺栓施加不同预紧力，然后力锤在立柱侧给螺栓施加轴向激励，分别计算出螺栓在不同预紧状态下的能量损耗率，随着预紧力的增加，能量损耗率趋于一个稳定值，这个稳定值即为能量损耗临界阈值A₀。

进一步地，所述能量损耗临界阈值A₀的确定方法为：

(1)构造床身和立柱的相似试件

加工与床身和立柱相同材料、相同粗糙度、相同螺栓类型和分布方式以及相似结构外形的试件，并构造与床身和立柱相同的约束条件；

(2)计算螺栓不同预紧状态下能量损耗率

分别调节螺栓预紧力至螺栓额定预紧力的10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％；用力锤在立柱相似试件一侧给螺栓施加轴向激励，分别采集立柱相似试件和床身相似试件的加速度信号，并通过数据分析系统分别计算出立柱相似试件和床身相似试件的加速度信号的有效值，计算出能量损耗率；随着预紧力的增加能量损耗率趋于一个稳定值，取这个稳定值为能量损耗临界阈值A₀。

一种加工中心床身与立柱螺栓连接状态检测装置，所述床身与立柱通过螺栓把合，所述检测装置包括：

分别设置在立柱和床身的把合面的邻侧面上，且与所述螺栓位于同一水平面上的第一加速度传感器和第二加速度传感器；

用于采集所述第一加速度传感器和所述第二加速度传感器的加速度信号的数据采集系统；

在立柱侧给螺栓施加轴向激励的力锤；

以及用于计算第一加速度传感器的加速度信号的有效值与第二加速度传感器的加速度信号的有效值并根据和计算出能量损耗率A的数据分析系统。

若能量损耗率A>能量损耗临界阈值A₀，表明连接床身与立柱的螺栓出现漏拧、松动或者预紧力不足；若能量损耗率A<能量损耗临界阈值A₀，表明螺栓连接状态满足要求。

进一步地，所述第一加速度传感器和第二加速度传感器均为三向加速度传感器。

更进一步地，所述第一加速度传感器和第二加速度传感器的中心连线与螺栓轴线平行。

与现有技术比较，本发明所述的加工中心床身与立柱螺栓连接状态检测方法及装置就有以下有益效果：

1、利用给不同预紧状态下的螺栓施加轴向激励，随着预紧力增大，能量损耗率随预紧力增大最终保持相对稳定的规律来检测加工中心床身与立柱螺栓的连接状态，检测方法简单且检测速度快。

2、在本发明的优选实施方式中，通过构造床身与立柱的相似试件确定能量损耗临界阈值A₀，试验过程中不会对机床造成损坏，且不影响机床的正常工作。

3、第一加速度传感器和第二加速度传感器分别设置在立柱和床身的把合面的邻侧面上，距离螺栓的最近位置，能够准确反映立柱和床身的加速度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例床身与立柱连接状态检测装置示意图；

图2为本发明实施例利用床身相似试件与立柱相似试件测量能量损耗率示意图；

图3a为螺栓预紧力为额定预紧力的20％时立柱相似试件的法向加速度响应时域波形；

图3b为螺栓预紧力为额定预紧力的20％时床身相似试件的法向加速度响应时域波形；

图4a为螺栓预紧力为额定预紧力的40％时立柱相似试件的法向加速度响应时域波形；

图4b为螺栓预紧力为额定预紧力的40％时床身相似试件的法向加速度响应时域波形；

图5a为螺栓预紧力为额定预紧力的60％时立柱相似试件的法向加速度响应时域波形；

图5b为螺栓预紧力为额定预紧力的60％时床身相似试件的法向加速度响应时域波形；

图6a为螺栓预紧力为额定预紧力的80％时立柱相似试件的法向加速度响应时域波形；

图6b为螺栓预紧力为额定预紧力的80％时床身相似试件的法向加速度响应时域波形；

图7a为螺栓预紧力为额定预紧力的100％时立柱相似试件的法向加速度响应时域信号；

图7b为螺栓预紧力为额定预紧力的100％时床身相似试件的法向加速度响应时域波形；

图8a为螺栓预紧力为额定预紧力的20％时立柱相似试件的法向加速度响应频域图；

图8b为螺栓预紧力为额定预紧力的20％时床身相似试件的法向加速度响应频域图；

图9a为螺栓预紧力为额定预紧力的40％时立柱相似试件的法向加速度响应频域图；

图9b为螺栓预紧力为额定预紧力的40％时床身相似试件的法向加速度响应频域图；

图10a为螺栓预紧力为额定预紧力的60％时立柱相似试件的法向加速度响应频域图；

图10b为螺栓预紧力为额定预紧力的60％时床身相似试件的法向加速度响应频域图；

图11a为螺栓预紧力为额定预紧力的80％时立柱相似试件的法向加速度响应频域图；

图11b为螺栓预紧力为额定预紧力的80％时床身相似试件的法向加速度响应频域图；

图12a为螺栓预紧力为额定预紧力的100％时立柱相似试件的法向加速度响应频域图；

图12b为螺栓预紧力为额定预紧力的100％时床身相似试件的法向加速度响应频域图；

图13为立柱相似试件与床身相似试件能量损耗率A与螺栓预紧力大小之间的关系曲线。

图中，1.立柱，2.床身，3.数据采集系统，4.数据分析系统，5.螺栓，6a.第一加速度传感器，6b.第二加速度传感器，7.力锤，8.压力传感器，9.螺栓预紧力检测系统，10.立柱相似试件，11.床身相似试件。

具体实施方式

一种加工中心床身与立柱螺栓连接状态检测方法及装置，适用于机床装配、制造及使用过程中检测螺栓的连接状态，防止因螺栓松动而引起机床工作故障。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明所提到的方向用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用来说明，而非用来限制本发明。

如图1所示的床身与立柱连接状态检测装置示意图，床身2与立柱1通过螺栓5把合，在立柱1和床身2的把合面的邻侧面距离螺栓5最近的位置上分别设置第一加速度传感器6a和第二加速度传感器6b，因为立柱1是竖直的，所以一般情况下第一加速度传感器6a与第二加速度传感器6b与螺栓5在同一个水平面上；一般情况下，立柱1与床身2的把合面的邻侧面是平齐的，所以第一加速度传感器6a与第二加速度传感器6b的中心连线与螺栓5的轴线平行，第一加速度传感器6a与第二加速度传感器6b分别与数据采集系统3连接，用于采集第一加速度传感器6a和第二加速度传感器6b的加速度信号，然后将加速度信号传输给与数据采集系统3相连接的数据分析系统4。

数据采集系统3可采用NI-9234型信号采集卡，数据分析系统4可采用DASP信号分析系统。

数据采集系统3还可连接力锤7，用于采集力锤7的施力信号。

测量加速度信号时，一般在立柱1侧用力锤7给螺栓5施加轴向激励(即对立柱1和床身2施加法向激励)，数据采集系统3采集第一加速度传感器6a和第二加速度传感器6b的实时加速度信号，数据分析系统4计算出第一加速度传感器6a的加速度有效值和第二加速度传感器6b的加速度信号的有效值

其中，加速度信号的有效值的计算方法为：

a_{r m s} = \sqrt{\frac{1}{n} Σ_{j = 1}^{n} a_{i}^{2}}

式中，a_i为不同时刻的加速度值，n为一段时间内加速度值的采样长度。

然后，数据分析系统4计算出能量损耗率A，具体计算公式为：

A = \frac{| a_{r m s}^{1} - a_{r m s}^{2} |}{a_{r m s}^{1}} \times 100 %

将能量损耗率A与能量损耗率临界阈值A₀相比较，就可得出螺栓5的连接状态，其中，能量损耗率临界阈值A₀表示螺栓在拧紧状态下力锤7给螺栓施加轴向激励后能量损耗率；若A>A₀，表明连接床身2与立柱1的螺栓5出现漏拧、松动或者预紧力不足；若A<A₀，表明螺栓5连接状态满足要求。

如图2所示的床身相似试件与立柱相似试件测量能量损耗率示意图，通过图2所示装置可得出能量损耗率临界阈值A₀，也可不构造床身相似试件11和立柱相似试件10，而直接在机床上试验，但是容易对机床造成损害，同时影响机床的正常使用。床身相似试件11和立柱相似试件10应分别与床身和立柱具有相同的材料，相同表面粗糙度，相同的结构外形，且连接的螺栓类型和分布方式也相同，并且与床身和立柱1具有相同的约束条件。用螺栓连接床身相似试件11和立柱相似试件10，螺栓的两端套设有压力传感器8，利用螺栓预紧力检测系统9检测压力传感器8的预紧力大小，调解压力传感器8预紧力分别至压力传感器8额定预紧力的10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％。在每个立柱相似件和床身相似件螺栓连接把合面的邻侧面上分别布置一个相同型号的加速度传感器，用力锤7在立柱相似件侧对准压力传感器8的中心敲击螺栓，给压力传感器8施加轴向激励(即给立柱相似件和床身相似件施加法向激励)，数据采集系统3与两个加速度传感器相连，分别采集立柱相似件和床身相似件的实时加速度信号，然后将实时加速度信号传送给与其相连的数据分析系统4，数据分析系统4计算出加速度信号的有效值后，然后计算出能量损耗率。

图3a和图3b、图4a和图4b、图5a和图5b、图6a和图6b、以及图7a和图7b分别为当压力传感器8预紧力为额定预紧力的20％、40％、60％、80％、100％时，对床身相似试件11和立柱相似试件10施加法向激励(对螺栓施加轴向激励)后，床身相似件和立柱相似件的法向加速度信号响应的时域波形，可以从图中看出加速度响应具有衰减震荡特性，5种螺栓预紧力情况下，立柱相似试件10和床身相似试件11的加速度响应值没有明显区别，所以仅根据时域波形难以判断螺栓的连接状态。

图8a和图8b、图9a和图9b、图10a和图10b、图11a和图11b、以及图12a和图12b分别为当压力传感器8预紧力为额定预紧力20％、40％、60％、80％、100％时，给压力传感器8施加轴向激励(对床身相似试件11和立柱相似试件10施加法向激励)后，床身相似件和立柱相似件的法向加速度信号响应的频域图，可以看出与时域波形类似，5种螺栓预紧力情况下，立柱相似试件10和床身相似试件11的加速度响应的频域图差异不明显，峰值频率出现在相同频率处，仅根据频域图难以判断螺栓的连接状态。

图13为立柱相似试件10与床身相似试件11能量损耗率A与螺栓预紧力大小之间的关系曲线，可以看出，在轴向激励作用下螺栓连接紧固状态与能量损耗率之间存在明显的规律性：对螺栓施加轴向激励(平行于螺栓轴线方向)，在螺栓预紧力较小(小于螺栓额定预紧力的70％时)，能量损耗率A随预紧力增大而迅速减小，而当螺栓预紧力达到额定预紧力的80％-100％范围后，随着预紧力增大，能量损耗率A随预紧力增大而趋于一个稳定值，这个稳定值就作为能量损耗临界阈值A₀。实际装配过程中，设计要求床身与立柱连接的各螺栓实际连接状态对应于额定预紧力的80％作用下的预紧状态，因此结合该规律能够快速、准确判断床身与立柱连接的螺栓是否存在漏拧、预紧力不足以及结合面接触状态不良等问题。根据实际工况下螺栓连接状态要求以及不同预紧状态与能量损耗率A之间的关系确定能量损耗率临界阈值A₀。本实施例中可取螺栓预紧力达到额定预紧力的80％时的能量损耗率14％为能量损耗率临界阈值A₀。

将数据分析系统4计算出能量损耗率A与能量损耗率临界阈值A₀相比较，若A>A₀，表明连接床身与立柱的螺栓出现漏拧、松动或者预紧力不足；若A<A₀，表明螺栓连接状态满足要求。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种加工中心床身与立柱螺栓连接状态检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

数据分析系统计算出能量损耗率A，具体计算公式为：

2.根据权利要求1所述的加工中心床身与立柱螺栓连接状态检测方法，其特征在于，所述能量损耗临界阈值A₀的确定方法为：

3.根据权利要求1所述的加工中心床身与立柱螺栓连接状态检测方法，其特征在于，所述能量损耗临界阈值A₀的确定方法为：

(1)构造床身和立柱的相似试件

(2)计算螺栓不同预紧状态下能量损耗率

4.一种加工中心床身与立柱螺栓连接状态检测装置，所述床身与立柱通过螺栓把合，其特征在于，所述检测装置包括：

在立柱侧给螺栓施加轴向激励的力锤；

以及用于计算第一加速度传感器的加速度信号的有效值与第二加速度传感器的加速度信号的有效值并根据和计算出能量损耗率A的数据分析系统；

若能量损耗率A>能量损耗临界阈值A0，表明连接床身与立柱的螺栓出现漏拧、松动或者预紧力不足；若能量损耗率A<能量损耗临界阈值A0，表明螺栓连接状态满足要求。

5.根据权利要求4所述的加工中心床身与立柱螺栓连接状态检测装置，其特征在于，所述第一加速度传感器和第二加速度传感器均为三向加速度传感器。

6.根据权利要求4所述的加工中心床身与立柱螺栓连接状态检测装置，其特征在于，所述第一加速度传感器和第二加速度传感器的中心连线与螺栓轴线平行。