CN107907057A - 一种光栅尺可靠性试验台及基于载荷谱的可靠性试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光栅尺可靠性试验台及基于载荷谱的可靠性试验方法，属于应用于机械领域的试验装置。包括光栅尺主尺安装板、支撑块、读数头安装板、拖链、直线电机、滑板、光栅尺主尺、读数头、底板及三向加速度传感器，包括基于速度谱和加速度谱的可靠性试验方法。可以根据试验具体要求进行调整，包括调整直线电机的瞬时速度、瞬时加速度、平均速度、平均加速度及其运动规律曲线；通过模拟速度及加速度载荷对光栅尺进行试验，根据光栅尺在实际运行中的速度、加速度载荷，编制速度谱及加速度谱，基于速度谱和加速度谱的可靠性试验能真实反映光栅尺在实际运行中承受的速度及加速度载荷，满足多种型号的封闭式光栅尺可靠性试验。

Description

一种光栅尺可靠性试验台及基于载荷谱的可靠性试验方法

技术领域

本发明涉及一种应用于机械领域的试验装置，更确切地说，本发明涉及一种能够对光栅尺施加速度、加速度载荷的可靠性试验装置及基于速度谱和加速度谱的可靠性试验方法。

背景技术

光栅尺是一种将机械位移或模拟量转变成数字脉冲的测量装置，利用光栅的光学原理而工作，具有计量精度高、非接触、体积小、测量范围灵活等优点，广泛应用于数控机床、机器人等其他工业设备。

目前数控机床，尤其是中高档数控机床中广泛使用光栅尺作为进给系统中全闭环控制的重要位置信息反馈元件，因此光栅尺的可靠性水平、精度保持性等性能直接影响数控机床的加工精度以及可靠性水平等。在实际应用过程中，光栅尺发生的常见故障多数由速度、加速度(冲击)载荷等引起。通过对光栅尺进行基于速度谱和加速度谱的可靠性试验能够为光栅尺的故障分析、结构优化以及可靠性增长等提供关键的基础数据。因此，开发光栅尺可靠性试验台及基于速度谱和加速度谱的可靠性试验方法具有重要的意义。

国内目前针对光栅尺可靠性试验的研究，尤其是针对其承受的速度、加速度载荷试验的研究较少，虽然有一些针对光栅尺可靠性试验的研究，但主要是针对光栅尺承受的环境载荷进行研究，缺乏针对光栅尺承受的速度和加速度载荷进行研究。因此，开发一种能够模拟光栅尺实际承受的速度和加速度载荷的可靠性试验装置并提供试验方法及其重要。

发明内容

本发明提供一种光栅尺可靠性试验台及基于载荷谱的可靠性试验方法。

本发明采取技术方案是，光栅尺可靠性试验台的结构是：

直线电机的底板通过螺栓固定在底板上，滑板通过螺栓固定在直线电机滑块上，光栅尺读数头通过螺栓和光栅尺读数头安装板固定，光栅尺读数头安装板通过螺栓固定在滑板上，光栅尺主尺安装板通过螺栓固定在底板上，拖链上部通过螺栓固定在滑板上，拖链下部通过螺栓固定在底板上；光栅尺主尺安装板有两条通槽，上部的通槽为矩形槽，用来固定光栅尺主尺，下部的通槽为燕尾槽，用来安装两个光栅尺主尺支撑块，光栅尺主尺支撑块上有螺纹通孔，用来安装调整螺栓，三向加速度传感器通过螺栓固定在光栅尺读数头端部。

所述直线电机由直线电机底板、直线电机挡板、直线电机定子、导轨、直线电机动子、直线电机滑块、滑块组成，直线电机滑块通过螺栓和直线电机动子固定，直线电机定子通过螺栓固定在直线电机底板上，直线电机底板通过螺栓固定在底板上，导轨与直线电机底板固定连接，滑块与导轨滑动连接，直线电机滑块下方与滑块固定连接，直线电机挡板与直线电机底板固定连接。

一种基于载荷谱的可靠性试验方法，包括：

(1)、基于速度谱的可靠性试验方法，包括下列步骤：

第一步：收集多种安装有光栅尺的典型工业设备，如数控机床、3D打印机、工业机器人等在工作时光栅尺的各运行速度及对应的时间；

第二步：为了便于数据的处理及分析，首先将收集的所有速度载荷按照速度大小从小到大排序，记为V₁、V₂、V₃、……、V_n，各速度对应的时间为T₁、T₂、T₃、……、T_n，可知，最小速度为V₁，最大速度为V_n；

第三步：将速度进行归一化，引入相对速度概念，即各速度与最高速度之比，表达式为V_i'＝V_i/V_n，其中i＝1、2、……、n，V_i'为转换后的相对速度，其中最小相对速度为V₁'，最大相对速度为V_n'，即为1，记为区间[V₁'，1]；

第四步：根据相对速度大小并结合实际情况，对相对速度进行分组，组数为m(m≤n)，即将区间[V₁'，1]分成m个子区间[V₁'，l₁)、(l₁，l₂)、……、(l_h-1，l_h)、……、(l_m-1，1]，令V₁'＝l₀，1＝l_m，其中l₁、l₂、……、l_m为相对速度，第h个子区间(l_h-1，l_h)的长度为△l_h＝l_h-l_h-1，h＝1,2,…,m，数出V₁'、V₂'、……、V_i'、……V_n'落在每个子区间(l_h-1，l_h)的个数c_h，用每个子区间的中位数代表整个子区间的值，记第h个子区间的中位数为V_h”，每个子区间对应的时间为该子区间所有元素的对应时间之和，记每个子区间对应的时间为T_h'；

第五步：计算各子区间的频率，其中各速度总运行时间记为T_z，则有：其中k为下标，k＝1,2,……,n，各子区间对应的频率记为ω_h，则：h＝1,2,3,……,m；

第六步：计算各子区间对应的概率密度，第h个子区间的概率密度记为f(V_h”)，则有

第七步：计算各子区间对应的累积分布，第h个子区间的累积分布记为F(V_h”)，则有：i为下标；

第八步：根据各子区间对应的概率密度f(V_h”)，采用威布尔分布模型进行分布拟合，建立该速度的概率分布模型，得到速度谱分布的概率密度函数f(V”)和累积分布函数F(V”)；

第九步：在速度谱累积分布的基础上对其进行载荷谱分级，建立八级程序载荷谱，各级载荷大小按照幅值比系数法得到，幅值比系数分别取0.125、0.275、0.425、0.575、0.725、0.85、0.95、1，由此得到各级的速度，再根据相邻速度累计分布函数值依次作差，得到每级速度对应的时间百分比；

第十步：根据试验要求及实际情况确定试验总时间，根据每级速度对应的时间百分比确定每级速度的试验时间，再进行可靠性试验；

第十一步：将前十步确定的速度加载参数输入上位工控机的软件中。

第十二步：检查光栅尺可靠性试验台的机械及电气结构，确定无误后安装受试光栅尺，并检测光栅尺的安装是否达到安装要求；

第十三步：光栅尺安装完毕后，再检查一次光栅尺可靠性试验台，然后启动光栅尺可靠性试验台，并进行回零操作；

第十四步：光栅尺试验台进行回零操作之后，将与受试光栅尺连接的数显表进行清零操作；

第十五步：光栅尺连续运动过程中，在上位机软件中实时显示试验数据，采集的试验数据包括光栅尺读数头当前的速度和位置；在试验过程中当发现所监测的信号出现异常情况时要及时报警并停机，并分析产生信号异常的原因和可能的故障，并记录于上位机软件中；

第十六步：每次试验完毕后，将试验时间、检测信号数据、故障数据、误差数据等分类处理并记录在上位机软件中，以便后期分析；

(2)、基于加速度谱的可靠性试验方法，包括下列步骤：

第一步：收集多种安装有光栅尺的典型工业设备，如数控机床、3D打印机、工业机器人等在工作时光栅尺的各加速度及对应的时间；

第二步：为了便于数据的处理及分析，首先将收集的所有加速度载荷按照加速度大小从小到大排序，记为a₁、a₂、a₃、……、a_p，p为下标，各加速度对应的时间为t₁、t₂、t₃、……、t_p，可知，最小加速度为a₁，最大加速度为a_p；

第三步：将加速度进行归一化，引入相对加速度概念，即各加速度与最高加速度之比，表达式为a′_i＝a_i/a_p，其中i＝1、2、……、p，a′_i为转换后的相对加速度，其中最小相对加速度为a′₁，最大相对加速度为a'_p，即为1，记为区间[a′₁，1]；

第四步：根据相对加速度大小并结合实际情况，对相对加速度进行分组，组数为q(q≤p)，即将区间[a′₁，1]分成q个子区间[a′₁，r₁)、(r₁，r₂)、……、(r_j-1，r_j)、……、(r_q-1，1]，令a′₁＝r₀，1＝r_q，其中r_j为相对加速度，第j个子区间(r_j-1，r_j)的长度为△r_j＝r_j-r_j-1，j＝1,2,…,q，数出a′₁、a'₂、……、a_i'、……、a'_p落在子区间(r_j-1，r_j)的个数d_j，用每个子区间的中位数代表整个子区间的值，记第j个子区间的中位数为a″_j，每个子区间对应的时间为该子区间所有元素的对应时间之和，记每个子区间对应的时间为t'_j；

第五步：计算各子区间的频率，其中各加速度总运行时间记为t_z，则有：o为下标，o＝1,2,……,p，各子区间对应的频率记为则：j＝1,2,3,……,q；

第六步：计算各子区间对应的概率密度，第j个子区间的概率密度记为f(a″_j)，则有

第七步：计算各子区间对应的累积分布，第j个子区间的累积分布记为F(a″_j)，则有i下标；

第八步：根据各组相对加速度对应的概率密度f(a″_j)，采用威布尔分布模型进行分布拟合，建立该加速度的概率分布模型，得到加速度谱分布的概率密度函数f(a”)和累积分布函数F(a”)；

第九步：在加速度谱累积分布的基础上对其进行载荷谱分级，建立八级程序载荷谱，各级载荷大小按照幅值比系数法得到，幅值比系取0.125、0.275、0.425、0.575、0.725、0.85、0.95、1，由此得到各级的加速度，再根据相邻加速度累计分布函数值依次做差，得到每级加速度对应的时间百分比；

第十步：根据试验要求及实际情况确定试验总时间，根据每级加速度对应的时间百分比确定每级加速度的试验时间，再进行可靠性试验；

第十一步：将前十步确定的加速度加载参数输入上位工控机的软件中；

第十二步：检查光栅尺可靠性试验台的机械及电气结构，确定无误后安装受试光栅尺，并检测光栅尺的安装是否达到安装要求；

第十三步：光栅尺安装完毕后，再检查一次光栅尺可靠性试验台，然后启动光栅尺可靠性试验台，并进行回零操作；

第十四步：光栅尺试验台进行回零操作之后，将与受试光栅尺连接的数显表进行清零操作；

第十五步：光栅尺连续运动过程中，在上位机软件中实时显示试验数据，采集的试验数据包括光栅尺读数头当前的加速度、速度和位置，在试验过程中当发现所监测的信号出现异常情况时要及时报警并停机，并分析产生信号异常的原因和可能的故障，并记录于上位机软件中；

第十六步：每次试验完毕后，将试验时间、检测信号数据、故障数据、误差数据等分类处理并记录在上位机软件中，以便后期分析。

本发明的有益效果是：

本发明所述的光栅尺可靠性试验台，采用直线电机作为光栅尺读数头的驱动单元，为光栅尺施加速度及加速度载荷，重点模拟引起光栅尺大部分故障的速度和加速度载荷，暴露和激发光栅尺的潜在故障、缺陷，为光栅尺的故障分析及故障机理研究提供丰富的基础数据。其上布置有拖链，用于安装光栅尺的数据线，避免因数据线窜动给光栅尺造成意外故障；可以满足多种型号、长度的封闭式光栅尺可靠性试验，可以监测光栅尺的振动状态。

本发明的可靠性试验方法可以根据试验具体要求进行调整，包括调整直线电机的瞬时速度、瞬时加速度、平均速度、平均加速度及其运动规律曲线；通过模拟速度及加速度载荷对光栅尺进行试验，根据光栅尺在实际运行中的速度、加速度载荷，编制速度谱及加速度谱，基于速度谱和加速度谱的可靠性试验能真实反映光栅尺在实际运行中承受的速度及加速度载荷。

附图说明

图1是本发明光栅尺可靠性试验台整体轴测图；

图2是本发明光栅尺可靠性试验台光栅尺的安装形式图；

图3是本发明光栅尺可靠性试验台光栅尺的结构示意图；

图4是本发明光栅尺可靠性试验台直线电机的结构示意图；

图5是本发明光栅尺控制系统的原理框图；

图6是本发明光栅尺可靠性试验方法流程图。

具体实施方式

实施例1光栅尺可靠性试验台的结构是

直线电机5的底板501通过螺栓固定在底板10上，滑板6通过螺栓固定在直线电机滑块506上，从而和直线电机动子505同步运动，光栅尺读数头8通过螺栓和光栅尺读数头安装板3固定，光栅尺读数头安装板3通过螺栓固定在滑板6上，从而光栅尺读数头8和直线电机动子505同步运动，光栅尺主尺安装板1通过螺栓固定在底板10上，使光栅尺主尺7固定不动，从而光栅尺读数头8在直线电机动子505的带动下实现和光栅尺主尺7的相对运动,拖链4上部通过螺栓固定在滑板6上，随滑板6同步运动，拖链4下部通过螺栓固定在底板10上固定不动，光栅尺主尺安装板1有两条通槽，上部的通槽为矩形槽，用来固定光栅尺主尺7，下部的通槽为燕尾槽，用来安装两个光栅尺主尺支撑块2，光栅尺主尺支撑块2上有螺纹通孔，用来安装调整螺栓9，三向加速度传感器11通过螺栓固定在光栅尺读数头8端部，测量光栅尺读数头的振动。

参阅图4，直线电机5由直线电机底板501、直线电机挡板502、直线电机定子503、导轨504、直线电机动子505、直线电机滑块506、滑块507组成，直线电机5作为光栅尺读数头8的动力源，给光栅尺施加速度及加速度载荷；直线电机滑块506通过螺栓和直线电机动子505固定，使直线电机滑块506和直线电机动子505同步运动，直线电机定子503通过螺栓固定在直线电机底板501上，实现直线电机动子505和直线电机定子503的相对运动。参阅图1，直线电机底板501通过螺栓固定在底板10上，导轨504与直线电机底板501固定连接，滑块507与导轨504滑动连接，直线电机滑块506下方与滑块507固定连接，直线电机挡板502与直线电机底板501固定连接。

安装光栅尺时，首先安装光栅尺主尺7，移动两个光栅尺主尺支撑块2之间的距离，可用于支撑不同长度的光栅尺，光栅尺对安装精度要求较高，安装时需要借助千分表检验安装要求，安装时光栅尺主尺7紧贴光栅尺安装板1的侧面，用千分表检测光栅尺主尺7的平面度，通过调节调整螺栓9使安装满足光栅尺的安装要求，调节好后，螺栓通过光栅尺主尺7两端的通孔并通过光栅尺主尺安装板1上部的矩形槽，使用螺母将螺栓和光栅尺主尺安装板1固定，从而固定光栅尺主尺7，安装完光栅尺主尺7之后安装光栅尺读数头8，通过安装孔与螺栓之间的间隙，可以微小调节光栅尺读数头8与光栅尺读数头安装板3的位置，最后将光栅尺读数头安装板3安装到滑板6上，利用光栅尺读数头安装板3上的螺纹孔与滑板6上光孔之间的间隙可以调节光栅尺读数头安装板3和滑板6之间的距离，安装过程中利用千分表调整校正，保证光栅尺读数头8与光栅尺主尺7之间正确的相对运动，然后将光栅尺读数头安装板3锁定在滑板6上的恰当位置，因此本发明所述的光栅尺可靠性试验台可以满足不同长度、不同型号的光栅尺的安装要求。

2.试验台控制系统

参阅图5，所述的试验台控制系统包括：工控机、运动控制卡、伺服驱动器、光栅尺数显表、光栅尺、数据采集卡、三向加速度传感器，光栅尺的数据线接入光栅尺数显表中，光栅尺数显表即可显示光栅尺当前的位置信息，光栅尺数显表的另一端与工控机通过串口连接，即可将光栅尺当前的位置信息传送到工控机中，运动控制卡用于控制直线电机的运动，运动控制卡上行与工控机连接，下行与伺服驱动器连接，伺服驱动器用于驱动直线电机，三向加速度传感器通过数据采集卡将光栅尺的振动状态反馈给工控机。

首先按照运动规律，工控机给运动控制卡发送信号，运动控制卡接收信号，并按照该信号发送控制脉冲给伺服驱动器，伺服驱动器按照给定的脉冲驱动直线电机运动，从而使直线电机按照给定的运动规律运动。

3.工作原理

本发明所述的光栅尺可靠性试验台可以根据编制的速度谱和加速度谱进行可靠性试验。试验台采用工控机做上位机，使用LabVIEW开发上位机程序，首先将速度谱或者加速度谱确定的速度或加速度参数输入工控机，工控机根据输入的参数发送信号给运动控制卡，运动控制卡根据接收的信号再发送信号给伺服驱动器，伺服驱动器根据输入的信号驱动直线电机运动，由此，直线电机在给定的运动规律下运动。由于光栅尺读数头8与直线电机动子505固联在一起，因此光栅尺读数头8和直线电机动子505同步运动，从而使光栅尺读数头8按照给定的运动规律运动。光栅尺读数头8上安装有三向加速度传感器11，因此可以实时获取光栅尺读数头8的振动状态，数据采集卡采集三向加速度传感器11获取的光栅尺读数头8的振动信号并将振动信号传送给工控机，工控机通过界面显示当前光栅尺读数头8的振动状态，从而实现对光栅尺读数头8振动状态的监测。

光栅尺读数头的振动状态有效反映光栅尺的振动状态，通过监测光栅尺的振动状态可以反映当前光栅尺的健康状态，同时为光栅尺的故障分析、结构优化等提供关键的基础数据。

实施例2本发明基于载荷谱的可靠性试验方法

在光栅尺可靠性试验台的基础之上进行，试验时，光栅尺可靠性试验台可同时安装多把光栅尺进行速度谱和加速度谱的可靠性试验。本发明所述的光栅尺可靠性试验台，既可模拟光栅尺在实际工况下承受的速度和加速度载荷，进行正常应力下的可靠性试验，同时也可以进行高于正常应力水平的可靠性试验；包括：

1.基于速度谱的可靠性试验方法

光栅尺在实际运行过程中，承受的主要载荷为速度载荷，因此对光栅尺进行基于速度谱的可靠性试验能有效激发光栅尺在设计、制造、装配过程中的潜在缺陷，对改进光栅尺的设计，提高光栅尺的可靠性等具有重大意义。

基于速度谱的可靠性试验实施步骤：

第一步：收集多种安装有光栅尺的典型工业设备，如数控机床、3D打印机、工业机器人等在工作时光栅尺的各运行速度及对应的时间；

第二步：为了便于数据的处理及分析，首先将收集的所有速度载荷按照速度大小从小到大排序，记为V₁、V₂、V₃、……、V_n，各速度对应的时间为T₁、T₂、T₃、……、T_n，可知，最小速度为V₁，最大速度为V_n；

第三步：将速度进行归一化，引入相对速度概念，即各速度与最高速度之比，表达式为V_i'＝V_i/V_n，其中i＝1、2、……、n，V_i'为转换后的相对速度，其中最小相对速度为V₁'，最大相对速度为V_n'，即为1，记为区间[V₁'，1]；

第四步：根据相对速度大小并结合实际情况，对相对速度进行分组，组数为m(m≤n)，即将区间[V₁'，1]分成m个子区间[V₁'，l₁)、(l₁，l₂)、……、(l_h-1，l_h)、……、(l_m-1，1]，令V₁'＝l₀，1＝l_m，其中l₁、l₂、……、l_m为相对速度，第h个子区间(l_h-1，l_h)的长度为△l_h＝l_h-l_h-1，h＝1,2,…,m，数出V₁'、V₂'、……、V_i'、……V_n'落在每个子区间(l_h-1，l_h)的个数c_h，用每个子区间的中位数代表整个子区间的值，记第h个子区间的中位数为V_h”，每个子区间对应的时间为该子区间所有元素的对应时间之和，记每个子区间对应的时间为T_h'；

第五步：计算各子区间的频率，其中各速度总运行时间记为T_z，则有：其中k为下标，k＝1,2,……,n，各子区间对应的频率记为ω_h，则：h＝1,2,3,……,m；

第六步：计算各子区间对应的概率密度，第h个子区间的概率密度记为f(V_h”)，则有

第七步：计算各子区间对应的累积分布，第h个子区间的累积分布记为F(V_h”)，则有：i为下标；

第八步：根据各子区间对应的概率密度f(V_h”)，采用威布尔分布模型进行分布拟合，建立该速度的概率分布模型，得到速度谱分布的概率密度函数f(V”)和累积分布函数F(V”)；

第九步：在速度谱累积分布的基础上对其进行载荷谱分级，建立八级程序载荷谱，各级载荷大小按照幅值比系数法得到，幅值比系数分别取0.125、0.275、0.425、0.575、0.725、0.85、0.95、1，由此得到各级的速度，再根据相邻速度累计分布函数值依次作差，得到每级速度对应的时间百分比。

第十步：根据试验要求及实际情况确定试验总时间，根据每级速度对应的时间百分比确定每级速度的试验时间，再进行可靠性试验。

第十一步：将前十步确定的速度加载参数输入上位工控机的软件中。

第十二步：检查光栅尺可靠性试验台的机械及电气结构，确定无误后安装受试光栅尺，并检测光栅尺的安装是否达到安装要求。

第十三步：光栅尺安装完毕后，再检查一次光栅尺可靠性试验台，然后启动光栅尺可靠性试验台，并进行回零操作。

第十四步：光栅尺试验台进行回零操作之后，将与受试光栅尺连接的数显表进行清零操作。

第十五步：光栅尺连续运动过程中，在上位机软件中实时显示试验数据，采集的试验数据包括光栅尺读数头当前的速度和位置。在试验过程中当发现所监测的信号出现异常情况时要及时报警并停机，并分析产生信号异常的原因和可能的故障，并记录于上位机软件中。

第十六步：每次试验完毕后，将试验时间、检测信号数据、故障数据、误差数据等分类处理并记录在上位机软件中，以便后期分析。

试验过程中，由于光栅尺可靠性试验台和光栅尺主尺7自身的长度有限，所以不能保证直线电机动子505、光栅尺读数头8始终朝一个方向运动，在涉及转向时，直线电机动子505以直线电机所能达到的最大加速度(若光栅尺不能承受此加速度，则以光栅尺能承受的最大加速度)实现变向并达到预定速度，直线电机在每一次启动时也以其自身所能承受的最大加速度达到预定速度，这样可以减少由加速、变向产生的不必要时间。

2.基于加速度谱的可靠性试验方法

加速度载荷即为光栅尺的冲击载荷，冲击是使光栅尺产生故障的主要原因之一。因此，对光栅尺进行基于加速度谱的可靠性试验能够有限激发光栅尺在设计、制造、装配中的潜在缺陷，找到光栅尺的薄弱部位，对于提高光栅尺的可靠性具有重要意义。

基于加速度谱的可靠性试验实施步骤：

第一步：收集多种安装有光栅尺的典型工业设备，如数控机床、3D打印机、工业机器人等在工作时光栅尺的各加速度及对应的时间；

第二步：为了便于数据的处理及分析，首先将收集的所有加速度载荷按照加速度大小从小到大排序，记为a₁、a₂、a₃、……、a_p，p为下标，各加速度对应的时间为t₁、t₂、t₃、……、t_p，可知，最小加速度为a₁，最大加速度为a_p；

第三步：将加速度进行归一化，引入相对加速度概念，即各加速度与最高加速度之比，表达式为a′_i＝a_i/a_p，其中i＝1、2、……、p，a′_i为转换后的相对加速度，其中最小相对加速度为a′₁，最大相对加速度为a'_p，即为1，记为区间[a′₁，1]；

第四步：根据相对加速度大小并结合实际情况，对相对加速度进行分组，组数为q(q≤p)，即将区间[a′₁，1]分成q个子区间[a′₁，r₁)、(r₁，r₂)、……、(r_j-1，r_j)、……、(r_q-1，1]，令a′₁＝r₀，1＝r_q，其中r_j为相对加速度，第j个子区间(r_j-1，r_j)的长度为△r_j＝r_j-r_j-1，j＝1,2,…,q，数出a′₁、a'₂、……、a′_i、……、a'_p落在子区间(r_j-1，r_j)的个数d_j，用每个子区间的中位数代表整个子区间的值，记第j个子区间的中位数为a″_j，每个子区间对应的时间为该子区间所有元素的对应时间之和，记每个子区间对应的时间为t'_j；

第五步：计算各子区间的频率，其中各加速度总运行时间记为t_z，则有：o为下标，o＝1,2,……,p，各子区间对应的频率记为则：j＝1,2,3,……,q；

第六步：计算各子区间对应的概率密度，第j个子区间的概率密度记为f(a″_j)，则有

第七步：计算各子区间对应的累积分布，第j个子区间的累积分布记为F(a″_j)，则有i下标；

第八步：根据各组相对加速度对应的概率密度f(a″_j)，采用威布尔分布模型进行分布拟合，建立该加速度的概率分布模型，得到加速度谱分布的概率密度函数f(a”)和累积分布函数F(a”)；

第九步：在加速度谱累积分布的基础上对其进行载荷谱分级，建立八级程序载荷谱，各级载荷大小按照幅值比系数法得到，幅值比系取0.125、0.275、0.425、0.575、0.725、0.85、0.95、1，由此得到各级的加速度，再根据相邻加速度累计分布函数值依次做差，得到每级加速度对应的时间百分比。

第十步：根据试验要求及实际情况确定试验总时间，根据每级加速度对应的时间百分比确定每级加速度的试验时间，再进行可靠性试验。

第十一步：将前十步确定的加速度加载参数输入上位工控机的软件中。

第十二步：检查光栅尺可靠性试验台的机械及电气结构，确定无误后安装受试光栅尺，并检测光栅尺的安装是否达到安装要求。

第十三步：光栅尺安装完毕后，再检查一次光栅尺可靠性试验台，然后启动光栅尺可靠性试验台，并进行回零操作。

第十四步：光栅尺试验台进行回零操作之后，将与受试光栅尺连接的数显表进行清零操作。

第十五步：光栅尺连续运动过程中，在上位机软件中实时显示试验数据，采集的试验数据包括光栅尺读数头当前的加速度、速度和位置。在试验过程中当发现所监测的信号出现异常情况时要及时报警并停机，并分析产生信号异常的原因和可能的故障，并记录于上位机软件中。

第十六步：每次试验完毕后，将试验时间、检测信号数据、故障数据、误差数据等分类处理并记录在上位机软件中，以便后期分析。

由于光栅尺可靠性试验台和光栅尺主尺7自身的长度有限，所以不能保证直线电机动子505、光栅尺读数头8始终朝一个方向运动，在涉及到转向时，直线电机动子505以原加速度反向实现直线电机505的变向运动。

参阅图6，在进行基于速度谱和加速度谱的可靠性试验时，首先确定受试光栅尺类型，然后将受试光栅尺安装于可靠性试验台上，确定光栅尺的试验条件(例如温度、湿度等环境载荷)，根据编制的速度谱和加速度谱，以及生成的程序加载谱，在工控机中输入基于速度谱和加速度谱的可靠性试验参数，进行可靠性试验。试验中，受试光栅尺的位置信息会实时反馈给工控机，通过对比光栅尺之间的位移读数，同时参照直线电机的位移，即可判断出是否有受试光栅尺产生故障，找出可能发生故障的受试光栅尺进行进一步测试检查，并记录故障数据。

本发明所述的基于速度谱和加速度谱的可靠性试验方法，在实际试验时先进行一次基于速度谱的可靠性试验，再接着进行一次基于加速度谱的可靠性试验，也可以先进行一次基于加速度谱的可靠性试验，再进行一次基于速度谱的可靠性试验，如此反复。在本发明专利的基本框架下不做出创造性的修改都在本发明的保护范围内，本发明专利适用于该领域的非专业技术人员。

下边通过具体实例来进一步说明本发明。

本实例展示基于速度谱的可靠性试验方法，而基于加速度谱的可靠性试验方法与基于速度谱的可靠性试验方法类似，故不做单独介绍。

利用前期收集的大量数控机床典型零件加工时的载荷及工艺数据，编制速度谱，利用本发明所述的光栅尺试验台进行基于速度谱的可靠性试验。

基于速度谱的可靠性试验方法

第一步：收集大量数控机床典型零件加工时的载荷及工艺数据，并整理出进给系统的速度及每种速度对应的运行时间；

第二步：将整理的速度按从小到大排序，排序后最小速度为0.7mm/min，最大速度为4500mm/min，最小速度对应时间为5200s，最大速度对应时间为28800s；

第三步：将速度进行归一化，转换后的相对速度为1.56×10^-4、1.56×10^-4、1.78×10^-4……、0.44、1；

第四步：将速度分成20组，每组的相对平均速度依次为0.0095、0.0799、0.12555、0.1928、0.2226、……、0.8873、0.9373、1，对应的时间依次为11051830s，2844680s、5684980s、6491290s、3816660s、……、0、518400s；

第五步：计算各组相对速度对应的频率，依次为：0.2798、0.0720、0.1439、0.1643、0.0966、……、0、0.0131；

第六步：计算各速度对应的概率密度，依次为5.5962、1.4404、2.8786、3.2869、1.9326、……、0、0.2625；

第七步：计算各组累积分布概率，依次为0.2798、0.3518、0.4958、0.6601、0.7567、……、0.9869、1；

第八步：对各组速度进行分布拟合，建立概率密度函数为

第九步：建立速度程序加载谱，各级速度依次为：562.5mm/min、1237.5mm/min、1912.5mm/min、2587.5mm/min、3262.5mm/min、3825mm/min、4275mm/min、4500mm/min，每级速度对应的时间百分比依次为：45.28％、25.52％、13.09％、7.04％、3.89％、1.90％、0.99％、0.37％；

第十步：基于速度谱的可靠性试验一次试验总时间为120min，每级速度试验时间依次为：54.3360min、30.6240min、15.7080min、8.4480min、4.6680min、2.2800min、1.1880min、0.4440min，进行可靠性试验；

然后按照实施例2中的试验方法，将上面的速度加载参数输入到上位机软件中，按照光栅尺安装要求安装光栅尺，试验过程中记录光栅尺的运行参数。

Claims (3)

1.一种光栅尺可靠性试验台，其特征在于：直线电机的底板通过螺栓固定在底板上，滑板通过螺栓固定在直线电机滑块上，光栅尺读数头通过螺栓和光栅尺读数头安装板固定，光栅尺读数头安装板通过螺栓固定在滑板上，光栅尺主尺安装板通过螺栓固定在底板上，拖链上部通过螺栓固定在滑板上，拖链下部通过螺栓固定在底板上；光栅尺主尺安装板有两条通槽，上部的通槽为矩形槽，用来固定光栅尺主尺，下部的通槽为燕尾槽，用来安装两个光栅尺主尺支撑块，光栅尺主尺支撑块上有螺纹通孔，用来安装调整螺栓，三向加速度传感器通过螺栓固定在光栅尺读数头端部。

2.根据权利要求1所述的一种光栅尺可靠性试验台，其特征在于：所述直线电机由直线电机底板、直线电机挡板、直线电机定子、导轨、直线电机动子、直线电机滑块、滑块组成，直线电机滑块通过螺栓和直线电机动子固定，直线电机定子通过螺栓固定在直线电机底板上，直线电机底板通过螺栓固定在底板上，导轨与直线电机底板固定连接，滑块与导轨滑动连接，直线电机滑块下方与滑块固定连接，直线电机挡板与直线电机底板固定连接。

3.一种基于载荷谱的可靠性试验方法，其特征在于包括：

(1)、基于速度谱的可靠性试验方法，步骤如下：

第一步：收集多种安装有光栅尺的典型工业设备，如数控机床、3D打印机、工业机器人等在工作时光栅尺的各运行速度及对应的时间；

第二步：为了便于数据的处理及分析，首先将收集的所有速度载荷按照速度大小从小到大排序，记为V₁、V₂、V₃、……、V_n，各速度对应的时间为T₁、T₂、T₃、……、T_n，可知，最小速度为V₁，最大速度为V_n；

第三步：将速度进行归一化，引入相对速度概念，即各速度与最高速度之比，表达式为V_i'＝V_i/V_n，其中i＝1、2、……、n，V_i'为转换后的相对速度，其中最小相对速度为V₁'，最大相对速度为V_n'，即为1，记为区间[V₁'，1]；

第四步：根据相对速度大小并结合实际情况，对相对速度进行分组，组数为m(m≤n)，即将区间[V₁'，1]分成m个子区间[V₁'，l₁)、(l₁，l₂)、……、(l_h-1，l_h)、……、(l_m-1，1]，令V₁'＝l₀，1＝l_m，其中l₁、l₂、……、l_m为相对速度，第h个子区间(l_h-1，l_h)的长度为△l_h＝l_h-l_h-1，h＝1,2,…,m，数出V₁'、V₂'、……、V_i'、……V_n'落在每个子区间(l_h-1，l_h)的个数c_h，用每个子区间的中位数代表整个子区间的值，记第h个子区间的中位数为V_h”，每个子区间对应的时间为该子区间所有元素的对应时间之和，记每个子区间对应的时间为T_h'；

第五步：计算各子区间的频率，其中各速度总运行时间记为T_z，则有：其中k为下标，k＝1,2,……,n，各子区间对应的频率记为ω_h，则：h＝1,2,3,……,m；

第六步：计算各子区间对应的概率密度，第h个子区间的概率密度记为f(V_h”)，则有

第七步：计算各子区间对应的累积分布，第h个子区间的累积分布记为F(V_h”)，则有：i为下标；

第八步：根据各子区间对应的概率密度f(V_h”)，采用威布尔分布模型进行分布拟合，建立该速度的概率分布模型，得到速度谱分布的概率密度函数f(V”)和累积分布函数F(V”)；

第九步：在速度谱累积分布的基础上对其进行载荷谱分级，建立八级程序载荷谱，各级载荷大小按照幅值比系数法得到，幅值比系数分别取0.125、0.275、0.425、0.575、0.725、0.85、0.95、1，由此得到各级的速度，再根据相邻速度累计分布函数值依次作差，得到每级速度对应的时间百分比；

第十步：根据试验要求及实际情况确定试验总时间，根据每级速度对应的时间百分比确定每级速度的试验时间，再进行可靠性试验；

第十一步：将前十步确定的速度加载参数输入上位工控机的软件中；

第十二步：检查光栅尺可靠性试验台的机械及电气结构，确定无误后安装受试光栅尺，并检测光栅尺的安装是否达到安装要求；

第十三步：光栅尺安装完毕后，再检查一次光栅尺可靠性试验台，然后启动光栅尺可靠性试验台，并进行回零操作；

第十四步：光栅尺试验台进行回零操作之后，将与受试光栅尺连接的数显表进行清零操作；

第十五步：光栅尺连续运动过程中，在上位机软件中实时显示试验数据，采集的试验数据包括光栅尺读数头当前的速度和位置；在试验过程中当发现所监测的信号出现异常情况时要及时报警并停机，并分析产生信号异常的原因和可能的故障，并记录于上位机软件中；

第十六步：每次试验完毕后，将试验时间、检测信号数据、故障数据、误差数据等分类处理并记录在上位机软件中，以便后期分析；

(2)、基于加速度谱的可靠性试验方法，步骤如下：

第一步：收集多种安装有光栅尺的典型工业设备，如数控机床、3D打印机、工业机器人等在工作时光栅尺的各加速度及对应的时间；

第二步：为了便于数据的处理及分析，首先将收集的所有加速度载荷按照加速度大小从小到大排序，记为a₁、a₂、a₃、……、a_p，p为下标，各加速度对应的时间为t₁、t₂、t₃、……、t_p，可知，最小加速度为a₁，最大加速度为a_p；

第三步：将加速度进行归一化，引入相对加速度概念，即各加速度与最高加速度之比，表达式为a_i'＝a_i/a_p，其中i＝1、2、……、p，a_i'为转换后的相对加速度，其中最小相对加速度为a₁'，最大相对加速度为a'_p，即为1，记为区间[a₁'，1]；

第四步：根据相对加速度大小并结合实际情况，对相对加速度进行分组，组数为q(q≤p)_，即将区间[a₁'，1]分成q个子区间[a₁'，r₁)、(r₁，r₂)、……、(r_j-1，r_j)、……、(r_q-1，1]，令a₁'＝r₀，1＝r_q，其中r_j为相对加速度，第j个子区间(r_j-1，r_j)的长度为

△r_j＝r_j-r_j-1，j＝1,2,…,q，数出a₁'、a'₂、……、a_i'、……、a'_p落在子区间(r_j-1，r_j)的个数d_j，用每个子区间的中位数代表整个子区间的值，记第j个子区间的中位数为a'_j'，每个子区间对应的时间为该子区间所有元素的对应时间之和，记每个子区间对应的时间为t'_j；

第五步：计算各子区间的频率，其中各加速度总运行时间记为t_z，则有：

o为下标，o＝1,2,……,p，各子区间对应的频率记为则：

j＝1,2,3,……,q；

第六步：计算各子区间对应的概率密度，第j个子区间的概率密度记为f(a'_j')，则有

第七步：计算各子区间对应的累积分布，第j个子区间的累积分布记为F(a'_j')，则有i下标；

第八步：根据各组相对加速度对应的概率密度f(a'_j')，采用威布尔分布模型进行分布拟合，建立该加速度的概率分布模型，得到加速度谱分布的概率密度函数f(a”)和累积分布函数F(a”)；

第九步：在加速度谱累积分布的基础上对其进行载荷谱分级，建立八级程序载荷谱，各级载荷大小按照幅值比系数法得到，幅值比系取0.125、0.275、0.425、0.575、0.725、0.85、0.95、1，由此得到各级的加速度，再根据相邻加速度累计分布函数值依次做差，得到每级加速度对应的时间百分比；

第十步：根据试验要求及实际情况确定试验总时间，根据每级加速度对应的时间百分比确定每级加速度的试验时间，再进行可靠性试验；

第十一步：将前十步确定的加速度加载参数输入上位工控机的软件中；

第十二步：检查光栅尺可靠性试验台的机械及电气结构，确定无误后安装受试光栅尺，并检测光栅尺的安装是否达到安装要求；

第十三步：光栅尺安装完毕后，再检查一次光栅尺可靠性试验台，然后启动光栅尺可靠性试验台，并进行回零操作；

第十四步：光栅尺试验台进行回零操作之后，将与受试光栅尺连接的数显表进行清零操作；

第十五步：光栅尺连续运动过程中，在上位机软件中实时显示试验数据，采集的试验数据包括光栅尺读数头当前的加速度、速度和位置，在试验过程中当发现所监测的信号出现异常情况时要及时报警并停机，并分析产生信号异常的原因和可能的故障，并记录于上位机软件中；

第十六步：每次试验完毕后，将试验时间、检测信号数据、故障数据、误差数据等分类处理并记录在上位机软件中，以便后期分析。