CN202974605U - 滚动直线导轨副静刚度测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种滚动直线导轨副静刚度测量装置，采用伺服电机驱动一根梯形丝杠带动加载螺母对滚动直线导轨副进行加载，通过改变导轨副安装位置及导轨上夹具的类型可对导轨副进行垂直、偏转及俯仰加载三种加载方式，导轨上、下夹具上分布有对应不同载荷方式的测量点，用于测定加载时导轨副的变形位移情况。本实用新型分别实现了对滚动直线导轨副垂直静刚度、偏转静刚度和俯仰静刚度的自动测量，加载载荷大，测量精度高，能够满足不同导轨系列对不同加载方式的需要。

Description

滚动直线导轨副静刚度测量装置

技术领域

本实用新型属于测量技术领域，特别是一种滚动直线导轨副静刚度测量装置。

背景技术

滚动直线导轨副一般由导轨、滑块、返向器、滚动体和保持架等组成，它是一种作相对往复直线运动的滚动支承，能以滑块和导轨间的钢球滚动来代替直接的滑动接触，并且滚动体可以借助反向器在滚道和滑块内实现无限循环。滚动直线导轨副具有磨擦系数小、运行精度高、无爬行、耐磨损、刚度高、热变形小等优点，被广泛用作高精度数控机床和加工中心的导向部件。

静刚度是影响滚动功能部件性能和承载能力的重要指标，是滚动直线导轨副的基本使用要求。滚动直线导轨副静刚度是指滚动直线导轨副承载恒定载荷的能力，当滚动直线导轨副受到外载荷时，将有竖直、水平方向的变形位移，以及在几个方向的角位移。这种弹性变形对机械性能有很大影响，静态变形不但会改变零部件的集合精度并影响加工质量，还会影响滚动直线导轨副的抗振性、生产率、噪声、工作寿命、运动平衡性、发热和磨损等。目前，我国关于滚动直线导轨副的静刚度理论研究方面已取得了一定的成果，但国内导轨静刚度测量装置的研制尚处于起步阶段，各厂商对相关产品实际的静刚度实验测试还远不能满足要求，一定程度上限制了产品性能的优化提高，给用户的实际选型也带来了很大困难。因此，开发出一种精度高、载荷大、通用性广滚动直线导轨副静刚度试验装置、在滚动直线导轨副设计阶段运用其对静刚度进行试验分析，对保证滚动直线导轨副的刚度有着重要的实际意义。

经对现有技术的文献检索发现，华中科技大学的方健等人于2006年设计的滚动直线导轨副静刚度试验机采用液压系统进行加载，通过力传感器与电感测微仪采集的数据生成静刚度曲线，通过T型槽安装不同型号的导轨，加载液压缸通过滚珠丝杠可左右调节加载位置；该试验机最大加载载荷为30KN，加载载荷范围小，不能满足大规格导轨副静刚度测量的需要，液压加载系统对恒压控制要求较高,加载时需要通过丝杠调整液压缸位置以便对导轨副进行加载，操作不便，且只有进行垂直加载的装置及方法。另外，中国实用新型专利公布号CN102279100A,名称为滚动直线导轨副刚度试验机，该专利介绍了一种以伺服电机带动丝杠通过横梁对滚动直线导轨副进行加载并检测静刚度的实验装置及方法；该试验装置将传动结构放置在底座内，重载时试验台底座表面在垂直方向会产生较小的变形，对测量精度产生一定影响，保持恒压加载时对伺服电机的控制较为复杂，此外此试验装置只能进行垂直拉压载荷，没有对导轨进行偏载及俯仰加载，位移传感器的安装拆卸不便，导轨夹具的设计不能满足多种导轨安装试验的需要等。因此，在滚动直线导轨副静刚度测量方面，还缺少能够进行大载荷加载及适应多种导轨、多种载荷方式的自动测量装置。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种高精度、高载荷、高通用性、能对多种加载方式进行测量的滚动直线导轨副静刚度的测量装置。

实现本实用新型目的的技术解决方案为：一种滚动直线导轨副静刚度测量装置，包括加载组件、支撑组件、装夹组件、测量组件以及数据处理模块，所述的加载组件包括伺服电机、减速机、一根加载梯形丝杠、加载螺母和防转横梁；支撑组件包括底座、一对立柱、上横梁、磁性表座、台面板；装夹组件包括力传感器施力杆、上夹具连接件、导轨上夹具、导轨下夹具；测量组件包括力传感器与激光位移传感器，数据处理模块即数据处理所需的计算机处理系统；伺服电机与减速机连接，减速机安装在上横梁上，梯形丝杠通过上横梁内的轴承与减速机连接，加载螺母安装在梯形丝杠上，并随梯形丝杠的转动而上下运动，加载螺母上固定安装有防转横梁，防转横梁的两端开有通孔，可套在左右两边对称安装的一对立柱上并能够上下移动，一对立柱的上端则安装有上横梁，立柱下端则固定安装在底座上，底座上安装有台面板；加载螺母上固定安装有用于测量载荷大小的力传感器，力传感器上通过螺纹连接有力传感器施力杆，导轨上夹具通过上夹具连接件与力传感器施力杆连接，导轨下夹具安装在台面板上，磁性表座安放在台面板的表面，激光位移传感器安装在对应磁性表座的支架上，激光位移传感器的投光中心位置垂直对齐垂直、偏转或俯仰载荷方式时的对应的测点，激光位移传感器、力传感器和伺服电机分别与计算机处理系统连接；伺服电机、减速机、一根加载梯形丝杠、加载螺母、力传感器、力传感器施力杆、上夹具连接件同轴线；防转横梁、上横梁、台面板、底座的平面平行。

本实用新型与现有技术相比，其显著优点：（1）测量装置的台面板上安装有用于安装导轨副下夹具，通过切换不同的导轨上、下夹具以及改变夹具安装的位置可以实现对不同型号导轨副进行垂直、偏转和俯仰形式的加载，具有通用性强的特点。（2）由于采用了梯形丝杠进行加载，梯形丝杠具有良好的自锁性能，所以测量装置能较好的保持加载力恒定，便于测量恒定载荷下的静刚度。（3）由于加载较大，为了减小试验加载时试验台自身变形对试验精度的影响，伺服电机和减速机组成的传动部分置于测量装置上横梁上，测量装置底座作为一个整体，增加了测量装置的整体刚度，减小了变形，提高了测量结果精度。（4）本实用新型加载载荷能达到600KN，采用的高精度压力传感器精度可达0.3‰，激光位移传感器检测精度可达到μm级，该测量方法能够得到高精度导轨副静刚度测量结果。（5）.通过合理布置不同载荷方式时对应的测点，能够减少位移传感器的布置个数，采用激光位移传感器检测测点的位移量，安装调整简便，提高了测量效率。

下面结合附图对本实用新型作进一步详细描述。

附图说明

图1为本实用新型滚动直线导轨副静刚度测量装置的结构组成及连接组装示意图。

图2为垂直加载结构示意图。

图3为装夹部分三维分解视图。

图4为偏转上夹具及偏转加载结构示意图。

图5为俯仰上夹具及俯仰加载结构示意图。

图6为垂直或偏转加载测点分布示意图。

图7为俯仰加载测点分布示意图。

具体实施方式

本实用新型采用伺服电机驱动一根梯形丝杠带动加载螺母对滚动直线导轨副进行加载，通过改变导轨副安装位置及导轨上夹具的类型可对导轨副进行垂直、偏转及俯仰加载三种加载方式。力传感器和激光位移传感器分别对被测导轨副的载荷和变形进行采样，其中力传感器固定在加载螺母上，可随其上下升降，激光位移传感器的投光中心位置与不同加载方式时相应的测量点垂直对齐。通过对采集的载荷及位移数据进行处理可绘制滚动直线导轨副静刚度曲线，从而实现滚动直线导轨副静刚度的试验测量，且测量的载荷范围大、通用性强、精度高。具体内容如下：

结合图1~图5，本实用新型滚动直线导轨副静刚度测量装置，包括加载组件、支撑组件、装夹组件、测量组件以及数据处理模块，所述的加载组件包括伺服电机5、减速机6、一根加载梯形丝杠7、加载螺母8和防转横梁3；支撑组件包括底座1、一对立柱2、上横梁4、磁性表座14（即图2中的附图标记1401、1402、1403、1404所指皆为磁性表座）（垂直、俯仰静刚度检测时需要四个磁性表座1401、1402、1403、1404，偏转静刚度检测时需要两个磁性表座）、台面板16；装夹组件包括力传感器施力杆10、上夹具连接件11、导轨上夹具12、导轨下夹具15；测量组件包括力传感器9与激光位移传感器13（即图2中的附图标记1301、1302、1303及1304所指皆为激光位移传感器，个数与磁性表座相对应），数据处理模块即数据处理所需的计算机处理系统；伺服电机5与减速机6连接，减速机6安装在上横梁4上，梯形丝杠7通过上横梁4内的轴承与减速机6连接，加载螺母8安装在梯形丝杠7上，并随梯形丝杠7的转动而上下运动，加载螺母8上固定安装有防转横梁3，防转横梁3的两端开有通孔，可套在左右两边对称安装的一对立柱2上并能够上下移动，一对立柱2的上端则安装有上横梁4，立柱2下端则固定安装在底座1上，底座1上安装有台面板16；加载螺母8上固定安装有用于测量载荷大小的力传感器9，力传感器9上通过螺纹连接有力传感器施力杆10，导轨上夹具12通过上夹具连接件11与力传感器施力杆10连接，导轨下夹具15安装在台面板16上，磁性表座14安放在台面板16的表面，激光位移传感器13安装在对应磁性表座14的支架上，激光位移传感器13的投光中心位置垂直对齐垂直、偏转或俯仰载荷方式时的对应的测点，激光位移传感器 13、力传感器9和伺服电机5分别与计算机处理系统连接；伺服电机5、减速机6、一根加载梯形丝杠7、加载螺母8、力传感器9、力传感器施力杆10、上夹具连接件11同轴线；防转横梁3、上横梁4、台面板16、底座1的平面平行。

结合图1，本实用新型滚动直线导轨副静刚度测量装置的底座1通过铸造方式加工，上表面两端开孔，用于安装一对立柱2，通过退火、淬火等方式进行热处理，其内部焊接有加强筋，用于增强底座1的整体刚度。

结合图3，本实用新型滚动直线导轨副静刚度测量装置的上夹具连接件11上部为一盘类零件，其上沿圆周方向均布螺栓孔，用于与力传感器施力杆10通过螺栓连接，其位置和大小与力传感器施力杆10上螺栓孔对应，其下部为一螺柱，用于与下部的导轨上夹具12通过螺纹进行连接。

结合图3~图5，所述导轨上夹具12为垂直加载上夹具1201、偏转加载上夹具1202或俯仰加载上夹具1203，垂直加载上夹具1201、偏转加载上夹具1202或俯仰加载上夹具1203的下表面分布有测量垂直、偏转及俯仰加载时变形位移量的测量点；导轨上夹具12上设置螺钉孔与沉头孔，根据导轨副17滑块上的螺纹孔来确定螺钉孔与沉头孔的位置与直径，同时垂直加载上夹具1201上表面的对称中心位置处还开有螺纹孔，或者偏转加载上夹具1202在螺钉孔的左或右侧还开有螺纹孔，或者俯仰加载上夹具1203在螺钉孔的前或后侧还开有螺纹孔，这些螺纹孔用于与力传感器施力杆10下部的螺杆连接，如对导轨副需施加1.5KNm以上的偏转力矩或俯仰力矩，螺纹上需垂直施加10KN以上的力，则螺纹孔中心距导轨滑块上螺钉孔的对称中心的偏距应以150mm为宜，螺纹孔工称直径应以至少为30mm。

结合图3，所述导轨下夹具15的形状为一工字形，其上部设置螺纹孔，下部设置螺钉孔，根据导轨副17导轨的螺钉孔分布情况来确定螺纹孔，根据台面板16的螺纹孔分布情况来确定螺钉孔位置，其上部两侧突出部分的下表面上分布有测量垂直加载时位移的测量点。

结合图2~图7，本实用新型使用上述的滚动直线导轨副静刚度测量装置，通过切换不同的导轨上夹具及检测特定位置测量点的位移来测量滚动直线导轨副静刚度，其工作使用步骤如下：

（1）在测量前截取一段导轨副17作为测量对象：被截取滚动直线导轨副17的导轨长度比导轨下夹具15的长度短。

（2）进行测量前的准备工作：按照需要测量的垂直、偏转或俯仰加载方式将导轨下夹具15及导轨副17安装到台面板16的对应位置，依次安装导轨上夹具12、上夹具连接件11，调整加载螺母8的位置，将上夹具连接件11连接到力传感器施力杆10上，激光位移传感器13的投光中心位置分别垂直对齐不同载荷方式相应的测量点，开启计算机处理系统，并检测连接完毕的系统工作是否正常。

所述按照需要测量的加载方式将导轨下夹具15及导轨副17安装到台面板16的对应位置是：垂直加载时，将导轨下夹具15安装到试验台的台面板16的对称平面位置处，将导轨副17安装到导轨下夹具15上，移动导轨副17滑块的位置，使其位于力传感器施力杆10的正下方；偏转加载时，将导轨下夹具15安装到距力传感器施力杆10 轴线偏心位置处，将导轨副17安装到导轨下夹具15上，移动导轨副17滑块的位置，使其位于导轨的中间位置（保证加载载荷作用线位于导轨副17的滑块区域外）；俯仰加载时，将导轨下夹具15安装到台面板16的对称平面位置处，将导轨副17安装到导轨下夹具15上，移动导轨副17滑块的位置，使其位于导轨副17的导轨一端的俯仰加载位置处（保证加载载荷作用线位于导轨副17的滑块区域外）。

所述依次安装导轨上夹具12、上夹具连接件11，调整加载螺母8的位置，将上夹具连接件11连接到力传感器施力杆10上是：在导轨副17的滑块上通过螺钉安装导轨上夹具12，在导轨上夹具12的螺纹孔中旋入上夹具连接件11的螺杆，且使上夹具连接件11与力传感器施力杆10螺栓孔的轴线对齐，旋入长度为螺杆螺纹长度的                                                

，驱动伺服电机5调整加载螺母8的位置使力传感器施力杆10下表面与上夹具连接件11紧贴并产生预紧力作用，通过螺栓连接上夹具连接件11与力传感器施力杆10。

所述将激光位移传感器13的投光中心位置分别垂直对齐不同载荷方式相应的测量点是：垂直加载时，测量点为：关于导轨副17的滑块左右面对称平面A对称，垂直加载上夹具1201下表面的测点1和测点2分别距导轨副17的滑块左右面为5~10mm，导轨下夹具15下表面的测点3和测点4距该导轨下夹具15左右侧面C、D为 5~10mm，这4个测点都位于滑块前后面对称平面B上；偏转加载时，测量点为：关于导轨副17的滑块左右面对称平面A对称, 偏转加载上夹具1202下表面的测点1和测点2分别距滑块左右两表面为5~10mm，该测点1和测点2位于滑块前后面对称平面B上；俯仰加载时，测量点为：关于导轨副17的滑块前后面对称平面B对称，俯仰加载上夹具1203下表面的测点5、6、7、8距滑块左右两表面为5~10mm，测点5、6与测点7、8分别位于导轨副17的导轨两侧。

（3）先对被测导轨副17进行预加载，预加载的载荷值为导轨副17额定动载荷的1~5%，主要用于消除各部件的间隙。

（4）在预加载的基础上，将力传感器9与激光位移传感器13的示值置于初始值，再进行测量加载，并在5%-50%的额定动载荷量程范围内，按不大于5%的间隔依次加载并保持恒压30-60s，同时采集各恒压阶段的载荷和不同载荷方式时对应的位移数据。所述不同载荷方式时对应的位移数据是：垂直加载时，导轨副17在垂直方向的变形位移为

，其中

、

为垂直加载上夹具1201的下表面相对于台面板16上表面的位移量，

、

为导轨下夹具15的下表面相对于台面板16上表面的位移量；偏转加载时，导轨副在偏转方向的变形角位移为

，其中，

、

为偏转加载上夹具1202相对于台面板16上表面的位移量，测点1、2之间的距离为

；俯仰加载时，导轨副在俯仰方向的变形角位移为

，其中，

、

、、

为俯仰上夹具1203的下表面相对于台面板16上表面的位移量，测点5、6或测点7、8之间的距离为L,且L不小于导轨副17滑块长度的

。

（5）对采样的数据进行处理，对所有数据点进行拟合，剔除异常点，绘制不同载荷方式下滚动直线导轨副17的静刚度曲线（垂直静刚度以N为横坐标单位，

为纵坐标单位绘制静刚度曲线；偏转、俯仰静刚度以Nm为横坐标单位，mrad为纵坐标单位绘制静刚度曲线），曲线斜率的倒数即为导轨副17静刚度值。

（6）加载到导轨副17的额定动载荷的50%后，进行卸载工况，同时实时测定载荷与位移的变化情况，直到卸载为零为止，同时结束数据采集工作。

 通过以上实施过程，采用本实用新型中的装置实现了对滚动直线导轨副垂直静刚度、偏转静刚度和俯仰静刚度的自动测量，加载载荷大，测量精度高，能够满足不同导轨系列对垂直、偏转、俯仰不同加载方式的需要。

Claims (4)

1.一种滚动直线导轨副静刚度测量装置，其特征在于包括加载组件、支撑组件、装夹组件、测量组件以及数据处理模块，所述的加载组件包括伺服电机（5）、减速机（6）、一根加载梯形丝杠（7）、加载螺母（8）和防转横梁（3）；支撑组件包括底座（1）、一对立柱（2）、上横梁（4）、磁性表座（14）、台面板（16）；装夹组件包括力传感器施力杆（10）、上夹具连接件（11）、导轨上夹具（12）、导轨下夹具（15）；测量组件包括力传感器（9）与激光位移传感器（13），数据处理模块即数据处理所需的计算机处理系统；伺服电机（5）与减速机（6）连接，减速机（6）安装在上横梁（4）上，梯形丝杠（7）通过上横梁（4）内的轴承与减速机（6）连接，加载螺母（8）安装在梯形丝杠（7）上，并随梯形丝杠（7）的转动而上下运动，加载螺母（8）上固定安装有防转横梁（3），防转横梁（3）的两端开有通孔，可套在左右两边对称安装的一对立柱（2）上并能够上下移动，一对立柱（2）的上端则安装有上横梁（4），立柱（2）下端则固定安装在底座（1）上，底座（1）上安装有台面板（16）；加载螺母（8）上固定安装有用于测量载荷大小的力传感器（9），力传感器（9）上通过螺纹连接有力传感器施力杆（10），导轨上夹具（12）通过上夹具连接件（11）与力传感器施力杆（10）连接，导轨下夹具（15）安装在台面板（16）上，磁性表座（14）安放在台面板（16）的表面，激光位移传感器（13）安装在对应磁性表座（14）的支架上，激光位移传感器（13）的投光中心位置垂直对齐垂直、偏转或俯仰载荷方式时的对应的测点，激光位移传感器（13）、力传感器（9）和伺服电机（5）分别与计算机处理系统连接；伺服电机（5）、减速机（6）、一根加载梯形丝杠（7）、加载螺母（8）、力传感器（9）、力传感器施力杆（10）、上夹具连接件（11）同轴线；防转横梁（3）、上横梁（4）、台面板（16）、底座（1）的平面平行。

2.根据权利要求1所述的滚动直线导轨副静刚度测量装置，其特征在于所述上夹具连接件（11）上部为一盘类零件，其上沿圆周方向均布螺栓孔，用于与力传感器施力杆（10）通过螺栓连接，其位置和大小与力传感器施力杆（10）上螺栓孔对应，其下部为一螺柱，用于与下部的导轨上夹具（12）通过螺纹进行连接。

3.根据权利要求1所述的滚动直线导轨副静刚度测量装置，其特征在于所述导轨上夹具（12）为垂直加载上夹具（1201）、偏转加载上夹具（1202）或俯仰加载上夹具（1203），垂直加载上夹具（1201）、偏转加载上夹具（1202）或俯仰加载上夹具（1203）的下表面分布有测量垂直、偏转及俯仰加载时变形位移量的测量点；导轨上夹具（12）上设置螺钉孔与沉头孔，根据导轨副（17）滑块上的螺纹孔来确定螺钉孔与沉头孔的位置与直径，同时垂直加载上夹具（1201）上表面的对称中心位置处还开有螺纹孔，或者偏转加载上夹具（1202）在螺钉孔的左或右侧还开有螺纹孔，或者俯仰加载上夹具（1203）在螺钉孔的前或后侧还开有螺纹孔，这些螺纹孔用于与力传感器施力杆（10）下部的螺杆连接。

4.根据权利要求1所述的滚动直线导轨副静刚度测量装置，其特征在于所述导轨下夹具（15）的形状为一工字形，其上部设置螺纹孔，下部设置螺钉孔，根据导轨副（17）导轨的螺钉孔分布情况来确定螺纹孔，根据台面板（16）的螺纹孔分布情况来确定螺钉孔位置，其上部两侧突出部分的下表面上分布有测量垂直加载时位移的测量点。

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