CN108490878B - 一种数控机床组合直线进给单元磨损规律试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种数控机床组合直线进给单元磨损规律试验方法，利用直线光栅尺和高精度角度编码器测得滚珠丝杠或者工作台由于磨损产生的行程误差；利用激光干涉仪监测系统测量出工作台沿着运动方向的直线度和竖直方向的直线度偏差，以及包括沿三个坐标轴的偏转角度。试验采用油缸对工作台施加X轴、U轴、Y轴和Z轴的载荷，模拟直线进给单元的实际工况来进行加速退化试验，测量滚珠丝杠副和直线导轨副在磨损后对工作台性能造成的影响。通过试验台上各个传感器监测出的参数变化，对试验台精度退化和磨损规律进行数学建模并分析，进而研究直线进给单元的磨损规律。
Description
技术领域
本发明提供了一种用于探究数控机床组合直线进给单元磨损规律的试验方法，属于数控机床进给单元的精度检测技术领域。
背景技术
数控机床组合进给单元主要包括滚珠丝杠副和滑动直线导轨副，滚珠丝杠副和滑动直线导轨副构成数控机床、磨床、组合机床等工业装备上的进给系统，其刚度和精度直接决定这些工业设备的刚度和精度。在数控机床的直线进给单元运作时，随着滚珠丝杠副和直线导轨副反复运动，其滚动体同滚道不断磨损，导致精度下降。国内对于滚珠丝杠和直线导轨做了很多研究，其中可靠性研究会对其磨损之后的结果进行汇总分析，但可靠性分析周期长且进给工作台与机床本体之间的磨损规律鲜有研究。
本发明提出用于探究数控机床组合直线进给单元磨损规律的试验方法。利用油缸在三个方向对直线进给单元施加载荷模拟实际工况，通过运动副连接处设置的传感器进行监测，借助激光干涉仪监测系统测量直线进给单元的精度，研究滚珠丝杠副和直线运动副对工作台综合性能的影响，进而研究直线进给单元的磨损规律。
发明内容
本发明目的在于通过激光干涉仪监测系统监测增加反复运动频率后的试验台综合性能，利用直线光栅尺和高精度角度编码器测得滚珠丝杠或者工作台由于磨损产生的行程误差；利用激光干涉仪监测系统测量出工作台沿着运动方向的直线度和竖直方向的直线度偏差，以及包括沿三个坐标轴的偏转角度，最终分析研究出直线进给单元的磨损规律。
为实现上述目的，搭建一种用于数控机床组合直线进给单元磨损规律的试验装置，床身1为试验装置的主体结构，U轴驱动丝杠副21与X轴滚珠丝杠副15并列平行布置，U轴驱动丝杠副21与X轴滚珠丝杠副15的一端分别与伺服电机相连，U轴驱动丝杠副21与X轴滚珠丝杠副15的另一端分别与轴承16配合；轴承支架19用于支撑轴承套17，轴承支架19上设有线性导轨2、线性滑块25；线性导轨2布置在床身1的顶部，线性导轨2上设有施力拖板5、X轴向施力油缸体6，X轴交流伺服电机3、U轴交流伺服电机4分别安装在施力拖板5的一侧。X轴向施力油缸体6安装在施力拖板5的中间，X轴向施力油缸体6与运动拖板7连接，运动拖板盖板8安装在运动拖板7的顶部，横梁11的两端由横梁支撑臂9支撑连接，横梁支撑臂9固定在床身1的两侧；横梁盖板13设置在横梁11的顶部，Y轴施力油缸体A10和Y轴施力油缸体B22对称布设在横梁支撑臂9上，Z轴施力油缸体A12和Z轴施力油缸体B14对称布置在横梁11上；液压系统23通过液压油管道24连接至X轴向施力油缸体6、Y轴施力油缸体A10、Y轴施力油缸体B22、Z轴施力油缸体A12、Z轴施力油缸体B14五个施力油缸体。U轴驱动丝杠副21通过U轴轴承20、U轴轴承套18安装在轴承支架19上。
本发明采用的是一种用于数控机床组合直线进给单元磨损规律的试验方法，该试验方法实施的步骤有：
步骤1：试验台进行空载跑合。对试验台床身1上的线性导轨2进行润滑，启动电机，试验台在空载情况下运行，同时能够通过控制板调节试验台的运行速度。线性导轨2预热后，确保试验台运行正常，在100个往复运行后停止。
步骤2：伺服电动机3的尾部同轴装有圆光栅，运动拖板7和直线滚动导轨副2之间装有直线光栅尺。
步骤3：进行加速试验，液压和丝杠伺服电机能够实现试验台的单程加载以及往复加载。能够进行单方向加载和多方向加载的方式模拟实际工况；运动拖板7通过丝杠的伺服电机来进行往复运行，同时轴向加载方式也是往复运行。单方向加载指的是运动拖板7在靠近丝杠的伺服电机时，X轴向施力油缸体6对试验台不施加载荷，而当运动拖板7远离丝杠的伺服电机时，X轴向施力油缸体6对试验台进行施压。往复加载指的是，在进行往复运动时，运动拖板7始终会受到油缸的载荷。
步骤4：激光干涉仪进行架设并测量。单方向加载时，进行单方向形成测量。往复运行加载时，采用的是往复进行测量。
步骤5：基准为直线滚动导轨副。测量试验台精度的变化，通过激光干涉仪监测系统测量导向误差，激光干涉仪的一端固定在直线滚动导轨上，激光干涉仪的另一端随着运动拖板7进行往复运动。
步骤6：进行运动拖板7与滚珠丝杠之间的间隙测量。在运动拖板7运动之前，利用直线光栅尺将运动拖板7的位置设定为零，滚珠丝杠副的位置通过编码器设置为零，当运动结束后，读取直线光栅尺的长度值，再通过编码器读出滚珠丝杠副旋转的角度。旋转编码器读出的数值换算成直线位移，再与光栅尺得到的数值比较，得到滚珠丝杠副的定位精度。
同现有技术相比较，本发明有益之处在于：
1)本发明装置采用大流溢流阀搭配调压阀，利用液压实现大加载力并与伺服电机协调配合，完成加载试验。
2)本发明采用油缸可以对运动拖板施加三个方向的载荷并且有五个加载点，能够实现机床工作状况的模拟。
3)本发明测量方法能够模拟实际工况，将滚珠丝杠与直线导轨的误差进行综合考虑，采用的是重载加速退化精度的试验方法，总结其磨损规律。
4)本发明使用实时监测的方法进行测量，液压加载和伺服电机能够实现单程和往复加载，单方向加载以及多方向加载的多种方式进行工况的模拟。
附图说明
图1为该发明实验装置的整体结构示意图；
图2为X轴滚珠丝杠结构示意图；
图3为U轴驱动丝杠结构示意图；
图4为线性导轨结构示意图，其中图a为线性导轨结构示意图，图b为线性滑块结构示意图；
图5为横梁结构示意图；
图6为支撑臂结构示意图，其中图a为横梁左支撑臂结构示意图，图b为横梁右支撑结构示意图；
图7为施力拖板结构示意图；
图8为运动拖板结构示意图；
图9为施力油缸体结构示意图；
图中：1床身、2线性导轨、3X轴交流伺服电机、4U轴交流伺服电机、5施力拖板、6X轴向施力油缸体、7运动拖板、8运动拖板盖板、9左横梁支撑臂、10Y轴施力油缸体A、11横梁、12Z轴施力油缸体A、13横梁盖板、14Z轴施力油缸体B、15X轴滚珠丝杠副、16X轴轴承、17X轴轴承套、18U轴轴承套、19轴承支架、20U轴轴承、21U轴驱动丝杠副、22Y轴施力油缸体B、23右横梁支撑臂、24螺栓。
具体实施方式
利用直线光栅尺和高精度角度编码器测得滚珠丝杠或者工作台由于磨损产生的行程误差；利用激光干涉仪监测系统测量出工作台沿着运动方向的直线度和竖直方向的直线度偏差，以及包括沿三个坐标轴的偏转角度。
通过研究直线进给单元轴向定位精度的退化和包括直线度以及偏转角度的导向精度退化，从而探讨数控机床组合直线进给单元磨损规律进而预测其精度可靠性。试验采用油缸对工作台施加X轴、U轴、Y轴和Z轴的载荷，模拟直线进给单元的实际工况来进行加速退化试验，测量滚珠丝杠副和直线导轨副在磨损后对工作台性能造成的影响。通过试验台上各个传感器监测出的参数变化，对试验台精度退化和磨损规律进行数学建模并分析，进而研究直线进给单元的磨损规律。
搭建一种用于数控机床组合直线进给单元磨损规律的试验装置，床身1为试验装置的主体结构，U轴驱动丝杠副21与X轴滚珠丝杠副15并列平行布置，U轴驱动丝杠副21与X轴滚珠丝杠副15的一端分别与伺服电机相连，U轴驱动丝杠副21与X轴滚珠丝杠副15的另一端分别与轴承16配合；轴承支架19用于支撑轴承套17，轴承支架19上设有线性导轨2、线性滑块25；线性导轨2布置在床身1的顶部，线性导轨2上设有施力拖板5、X轴向施力油缸体6，X轴向施力油缸体6安装在施力拖板5的中间，X轴向施力油缸体6与运动拖板7连接，运动拖板盖板8安装在运动拖板7的顶部，横梁11的两端由横梁支撑臂9支撑连接，横梁支撑臂9固定在床身1的两侧；横梁盖板13设置在横梁11的顶部，Y轴施力油缸体A10和Y轴施力油缸体B22对称布设在横梁支撑臂9上，Z轴施力油缸体A12和Z轴施力油缸体B14对称布置在横梁11上；液压系统23通过液压油管道24连接至X轴向施力油缸体6、Y轴施力油缸体A10、Y轴施力油缸体B22、Z轴施力油缸体A12、Z轴施力油缸体B14五个施力油缸体。
本发明采用的是一种用于数控机床组合直线进给单元磨损规律的试验方法，该试验方法实施的步骤有：
步骤1：试验台进行空载跑合。对试验台床身1上的线性导轨2进行润滑，启动电机，试验台在空载情况下运行，同时能够通过控制板调节试验台的运行速度。线性导轨2预热后，确保试验台运行正常，在100个往复运行后停止。
步骤2：伺服电动机3的尾部同轴装有圆光栅，运动拖板7和直线滚动导轨副2之间装有直线光栅尺。
步骤3：进行加速试验，液压和丝杠伺服电机能够实现试验台的单程加载以及往复加载。能够进行单方向加载和多方向加载的方式模拟实际工况；运动拖板7通过丝杠的伺服电机来进行往复运行，同时轴向加载方式也是往复运行。单方向加载指的是运动拖板7在靠近丝杠的伺服电机时，X轴向施力油缸体6对试验台不施加载荷，而当运动拖板7远离丝杠的伺服电机时，X轴向施力油缸体6对试验台进行施压。往复加载指的是，在进行往复运动时，运动拖板7始终会受到油缸的载荷。
步骤4：激光干涉仪进行架设并测量。单方向加载时，进行单方向形成测量。往复运行加载时，采用的是往复进行测量。
步骤5：基准为直线滚动导轨副。测量试验台精度的变化，通过激光干涉仪监测系统测量导向误差，激光干涉仪的一端固定在直线滚动导轨上，激光干涉仪的另一端随着运动拖板7进行往复运动。
步骤6：进行运动拖板7与滚珠丝杠之间的间隙测量。在运动拖板7运动之前，利用直线光栅尺将运动拖板7的位置设定为零，滚珠丝杠副的位置通过编码器设置为零，当运动结束后，读取直线光栅尺的长度值，再通过编码器读出滚珠丝杠副旋转的角度。旋转编码器读出的数值换算成直线位移，再与光栅尺得到的数值比较，得到滚珠丝杠副的定位精度。
Claims (1)
1.一种用于数控机床组合直线进给单元磨损规律的试验方法，实现该方法的装置中，床身(1)为试验装置的主体结构，U轴驱动丝杠副(21)与X轴滚珠丝杠副(15)并列平行布置，U轴驱动丝杠副(21)与X轴滚珠丝杠副(15)的一端分别与伺服电机相连，U轴驱动丝杠副(21)与X轴滚珠丝杠副(15)的另一端分别与轴承(16)配合；轴承支架(19)用于支撑轴承套(17)，轴承支架(19)上设有线性导轨(2)、线性滑块(25)；线性导轨(2)布置在床身(1)的顶部，线性导轨(2)上设有施力拖板(5)、X轴向施力油缸体(6)，X轴向施力油缸体(6)安装在施力拖板(5)的中间，X轴交流伺服电机(3)、U轴交流伺服电机(4)分别安装在施力拖板(5)的一侧；X轴向施力油缸体(6)与运动拖板(7)连接，运动拖板盖板(8)安装在运动拖板(7)的顶部，横梁(11)的两端由横梁支撑臂(9)支撑连接，横梁支撑臂(9)固定在床身(1)的两侧；横梁盖板(13)设置在横梁(11)的顶部，Y轴施力油缸体A(10)和Y轴施力油缸体B(22)对称布设在横梁支撑臂(9)上，Z轴施力油缸体A(12)和Z轴施力油缸体B(14)对称布置在横梁(11)上；液压系统(23)通过液压油管道(24)连接至X轴向施力油缸体(6)、Y轴施力油缸体A(10)、Y轴施力油缸体B(22)、Z轴施力油缸体A(12)、Z轴施力油缸体B(14)五个施力油缸体；U轴驱动丝杠副(21)通过U轴轴承(20)、U轴轴承套(18)安装在轴承支架(19)上；
其特征在于：该试验方法实施的步骤有，
步骤1：试验台进行空载跑合；对试验台床身(1)上的线性导轨(2)进行润滑，启动电机，试验台在空载情况下运行，同时能够通过控制板调节试验台的运行速度；线性导轨(2)预热后，确保试验台运行正常，在100个往复运行后停止；
步骤2：X轴交流伺服电机(3)的尾部同轴装有圆光栅，运动拖板(7)和线性导轨(2)之间装有直线光栅尺；
步骤3：进行加速试验，液压和丝杠伺服电机能够实现试验台的单程加载以及往复加载；能够进行单方向加载和多方向加载的方式模拟实际工况；运动拖板(7)通过丝杠的伺服电机来进行往复运行，同时轴向加载方式也是往复运行；单方向加载指的是运动拖板(7)在靠近丝杠的伺服电机时，X轴向施力油缸体(6)对试验台不施加载荷，而当运动拖板(7)远离丝杠的伺服电机时，X轴向施力油缸体(6)对试验台进行施压；往复加载指的是，在进行往复运动时，运动拖板(7)始终会受到油缸的载荷；
步骤4：激光干涉仪进行架设并测量；单方向加载时，进行单方向形成测量；往复运行加载时，采用的是往复进行测量；
步骤5：基准为线性导轨；测量试验台精度的变化，通过激光干涉仪监测系统测量导向误差，激光干涉仪的一端固定在直线滚动导轨上，激光干涉仪的另一端随着运动拖板(7)进行往复运动；
步骤6：进行运动拖板(7)与滚珠丝杠之间的间隙测量；在运动拖板(7)运动之前，利用直线光栅尺将运动拖板(7)的位置设定为零，滚珠丝杠副的位置通过编码器设置为零，当运动结束后，读取直线光栅尺的长度值，再通过编码器读出滚珠丝杠副旋转的角度；旋转编码器读出的数值换算成直线位移，再与光栅尺得到的数值比较，得到滚珠丝杠副的定位精度。
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