專利名稱：加工中心直線導(dǎo)軌結(jié)合面動(dòng)態(tài)特性測試設(shè)備及分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)械領(lǐng)域，特別涉及一種加工中心直線導(dǎo)軌結(jié)合面動(dòng)態(tài)特性測試設(shè)備及分析方法。
背景技術(shù)：
通常我們對(duì)新開發(fā)的加工中心整機(jī)需要做動(dòng)態(tài)的理論分析，主要分析其受力和模態(tài)。分析方法主要用ANSYS等有限元分析軟件對(duì)整機(jī)三維模型進(jìn)行分析。整機(jī)三維模型是由眾多部件組裝而成，各個(gè)部件在軟件里組裝時(shí)均有結(jié)合面；如果將結(jié)合面特性(彈性模量、泊松比等)設(shè)置與部件相同，則相當(dāng)于兩個(gè)部件固聯(lián)在一起；然而在加工中心工作時(shí)， 滑塊中的滾珠和導(dǎo)軌間將產(chǎn)生動(dòng)壓潤滑油膜，油膜的特性(彈性模量、泊松比等)明顯與部件不同，而且油膜的存在使結(jié)合面間存在阻尼。油膜對(duì)整機(jī)的動(dòng)態(tài)特性(剛度系數(shù)、模態(tài)等)產(chǎn)生了重大影響，因此在進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析時(shí)必須對(duì)結(jié)合面特性進(jìn)行設(shè)置。結(jié)合面的動(dòng)態(tài)特性與結(jié)合面兩表面表面粗糙度、運(yùn)動(dòng)速度、載荷均有較大關(guān)系，因此，在實(shí)際分析中必須對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方能確定結(jié)合面相關(guān)參數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明利用油膜的動(dòng)態(tài)特性與結(jié)合面兩表面表面粗糙度、運(yùn)動(dòng)速度、載荷間存在的關(guān)系，發(fā)明一種加工中心直線導(dǎo)軌結(jié)合面動(dòng)態(tài)特性測試設(shè)備及分析方法。本發(fā)明技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的一種加工中心直線導(dǎo)軌結(jié)合面動(dòng)態(tài)特性測試設(shè)備，其特征在于測試設(shè)備包括平臺(tái)、絲桿絲母、滑塊、電機(jī)、傳感器、導(dǎo)軌座和待測導(dǎo)軌；導(dǎo)軌座固定在平臺(tái)上，其上面設(shè)有兩條平行和等高的導(dǎo)軌槽，兩條待測導(dǎo)軌分別固定在導(dǎo)軌槽上，所述兩條待測導(dǎo)軌的兩端分別各設(shè)一個(gè)力傳感器；絲桿處于兩條導(dǎo)軌槽的中心面上， 其兩端通過支撐軸座定位在平臺(tái)上，其中一端與電機(jī)輸出軸軸接；待測導(dǎo)軌分別配設(shè)有一滑塊，兩滑塊通過一連接板固定成一體，該連接板中央位置朝上凸設(shè)有一心軸，在該心軸上能疊加載荷塊，所述滑塊的三個(gè)面上裝設(shè)有加速度傳感器，而在滑塊行程的兩端也分別設(shè)有加速度傳感器；旋接在絲桿上的絲母與連接板間設(shè)有一連接片。所述平臺(tái)表面加工有復(fù)數(shù)道平行的倒T形槽；導(dǎo)軌座通過螺栓鎖固在所述平臺(tái)表面的倒T形槽上。所述導(dǎo)軌座截面成凹形結(jié)構(gòu)，導(dǎo)軌槽設(shè)在兩側(cè)的凸脊部，待測導(dǎo)軌與導(dǎo)軌槽間設(shè)有對(duì)應(yīng)的螺栓孔，通過螺栓將待測導(dǎo)軌鎖固在導(dǎo)軌槽中；導(dǎo)軌槽的一側(cè)還設(shè)有水平調(diào)整塊， 該水平調(diào)整塊通過螺栓鎖定在導(dǎo)軌槽底部；絲桿處于導(dǎo)軌座凹部。加工中心直線導(dǎo)軌結(jié)合面動(dòng)態(tài)特性的分析方法一、用表面輪廓測量儀測量待測導(dǎo)軌與滑塊表面粗糙度，根據(jù)測量結(jié)果輪廓測量儀測試軟件可計(jì)算出兩表面的最小間距和微觀不平度十點(diǎn)高度；二、在測試設(shè)備上安裝待測導(dǎo)軌和對(duì)應(yīng)的滑塊，并在滑塊和待測導(dǎo)軌間上有油潤滑；
三、開啟電機(jī)，使絲桿驅(qū)動(dòng)滑塊運(yùn)動(dòng)；運(yùn)用油膜厚度測試儀與薄膜測試系統(tǒng)測量滑塊中滾珠與待測導(dǎo)軌間的油膜厚度；并對(duì)比油膜厚度與步驟一計(jì)算出的最小間距，如果油膜厚度比最小間距小則無法形成動(dòng)壓潤滑油膜；是否有油膜存在對(duì)滑塊與導(dǎo)軌結(jié)合面的動(dòng)態(tài)特性，也即比例阻尼和剛度系數(shù)影響很大；四、PV值測試，通過電機(jī)改變絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)速度，以此改變載荷狀態(tài)滑塊的移動(dòng)速度， 用V表示，單位m/s ；通過改變載荷塊的數(shù)量來改變滑塊及待測導(dǎo)軌承載力，用P表示，單位 N;測試在不同載荷下的油膜厚度，并與步驟一計(jì)算出的最小間距對(duì)比，看是否存在動(dòng)壓潤滑油膜；最終得到不存在動(dòng)壓潤滑油膜的PV極限最小值，也即承載力P與速度V的乘積；五、比例阻尼測試，在第四步驟測試的同時(shí)，通過待測導(dǎo)軌兩端的力傳感器，測試待測導(dǎo)軌在不同載荷下，實(shí)際承載力大小，計(jì)算出載荷損失，并通過有限元分析軟件計(jì)算出比例阻尼；六、剛度系數(shù)測試，在第四步驟測試的同時(shí)，利用滑塊上的三個(gè)加速度傳感器和滑塊行程兩端的加速度傳感器，測量出滑塊的加速度，并由模態(tài)分析軟件計(jì)算出結(jié)合面的剛度系數(shù)；七、改變第四步驟中的PV值，得到不同狀態(tài)下的比例阻尼和剛度系數(shù)，對(duì)比各不同計(jì)算結(jié)果，得出存在動(dòng)壓潤滑油膜時(shí)的結(jié)合面特性，以及不存在動(dòng)壓潤滑油膜時(shí)結(jié)合面特性；同時(shí)也可得到能否形成動(dòng)壓潤滑油膜的邊界條件，也即PV值；八、將測試分析結(jié)果對(duì)比擬分析的加工中心的工作條件，分析其在工作條件下的 PV值，是否能形成動(dòng)壓潤滑油膜；不同的工作條件將對(duì)應(yīng)不同的動(dòng)態(tài)特性；九、將步驟七的計(jì)算結(jié)果代入整機(jī)有限元模型中，運(yùn)用有限元分析軟件可得到準(zhǔn)確的整機(jī)動(dòng)態(tài)特性和受力分析結(jié)果。本發(fā)明的測試設(shè)備，能根據(jù)測試需要，模擬出滑塊在待測導(dǎo)軌上移動(dòng)速度和載荷量的變化，通過測試滑塊與待測導(dǎo)軌間油膜的變化，分析并計(jì)算加工中心導(dǎo)軌結(jié)合面的動(dòng)態(tài)特性，包括比例阻尼和剛度系數(shù)，并將其帶入到整機(jī)有限元模型中進(jìn)行計(jì)算，即可得到準(zhǔn)確的整機(jī)動(dòng)態(tài)特性和受力分析結(jié)果。


下面結(jié)合具體圖例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明圖1測試設(shè)備局部剖面示意2測試設(shè)備導(dǎo)軌座與待測導(dǎo)軌間關(guān)系剖面示意3測試設(shè)備俯視示意圖其中ι-平臺(tái)11-倒T形槽2-導(dǎo)軌座21-導(dǎo)軌槽
22-水平調(diào)整塊3-待測導(dǎo)軌4-滑塊41-連接板
42-心軸5-絲桿51-絲母52-支撐軸座
53-連接片6-電機(jī)7-載荷塊8-加速度傳感器
81-力傳感器9-螺栓
具體實(shí)施例方式
參照?qǐng)D1、圖2和圖3，加工中心直線導(dǎo)軌結(jié)合面動(dòng)態(tài)特性測試設(shè)備，包括平臺(tái)1、 導(dǎo)軌座2、待測導(dǎo)軌3、滑塊4、傳感器、絲桿5、絲母51和電機(jī)6 ；平臺(tái)1使用厚鋼板，其表面加工有復(fù)數(shù)道平行的倒T形槽11 ；導(dǎo)軌座2通過螺栓9鎖固在所述平臺(tái)表面的倒T形槽11 上，可保證其穩(wěn)定。導(dǎo)軌座2截面成凹形結(jié)構(gòu)，導(dǎo)軌槽21設(shè)在兩側(cè)的凸脊部，并保持加工出的兩條導(dǎo)軌槽21的平行和等高；待測導(dǎo)軌3與導(dǎo)軌槽21間設(shè)有對(duì)應(yīng)的螺栓孔，通過螺栓9 將待測導(dǎo)軌3鎖固在導(dǎo)軌槽21中；導(dǎo)軌槽21的一側(cè)還設(shè)有水平調(diào)整塊22，該水平調(diào)整塊 22通過螺栓9鎖定在導(dǎo)軌槽21的底部，利用水平調(diào)整塊22能將待測導(dǎo)軌3擠到導(dǎo)軌機(jī)理 21的一側(cè)。兩條待測導(dǎo)軌3分別配設(shè)有一滑塊4，兩滑塊4通過一連接板41固定成一體，該連接板41中央位置朝上凸設(shè)有一心軸42，在該心軸42上能疊加載荷塊7，所述滑塊4的三個(gè)面上裝設(shè)有加速度傳感器8，而在滑塊4行程的兩端也分別設(shè)有加速度傳感器8，可安裝固定在滑塊4行程兩端的任一固定物上；所述兩條待測導(dǎo)軌3的兩端分別各設(shè)一個(gè)力傳感器 81。所述絲桿5處于兩條導(dǎo)軌槽21的中心面上，準(zhǔn)確地說是處于導(dǎo)軌座2的中央凹部，其兩端通過支撐軸座52定位在平臺(tái)1上，其中一端與電機(jī)6輸出軸軸接；絲桿5上旋接有一絲母51，該絲母51與連接板41間設(shè)有一連接片53，借助該連接片53，使得滑塊4與絲母51同步，由絲桿5驅(qū)動(dòng)。本測試設(shè)備根據(jù)需要，既可改變載荷塊的重量，也能通過調(diào)節(jié)電機(jī)6的轉(zhuǎn)速，改變滑塊4滑動(dòng)的速度。具體的分析方法如圖所示，加工中心直線導(dǎo)軌結(jié)合面動(dòng)態(tài)特性測試平臺(tái)，主要測試并計(jì)算出滑塊4 和導(dǎo)軌3結(jié)合面之間的動(dòng)態(tài)特性，也即比例阻尼和剛度系數(shù)。本實(shí)例中，待測導(dǎo)軌3采用臺(tái)灣PMI直線導(dǎo)軌，型號(hào)MSB-TE-25-E ；初始載荷20KN，每次以IOKN遞增載荷塊7 ；電機(jī)6轉(zhuǎn)速為3000r/m，可實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速；滑塊4最大直線移動(dòng)速度為20M/m，可實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速。測試和分析的步驟如下第一步安裝前，用哈量集團(tuán)2302A型表面輪廓測量儀分別測量滑塊4和導(dǎo)軌3的表面粗糙度，根據(jù)測量結(jié)果輪廓測量儀測試軟件可計(jì)算出兩表面的最小間距和微觀不平度十點(diǎn)高度；第二步在測試設(shè)備上安裝待測導(dǎo)軌3和對(duì)應(yīng)的滑塊4，并在滑塊4和待測導(dǎo)軌3 間上有油潤滑；第三步開啟電機(jī)6，使絲桿5驅(qū)動(dòng)滑塊4運(yùn)動(dòng)；運(yùn)用PCS EHD2油膜厚度測試儀與 EHL Ultra薄膜測試系統(tǒng)(生產(chǎn)廠商上海邦安檢測工程有限公司)測量滑塊4中滾珠與待測導(dǎo)軌3間的油膜厚度；并對(duì)比油膜厚度與步驟一計(jì)算出的最小間距，如果油膜厚度比最小間距小則無法形成動(dòng)壓潤滑油膜；是否有油膜存在對(duì)滑塊4與待測導(dǎo)軌3結(jié)合面的動(dòng)態(tài)特性，也即比例阻尼和剛度系數(shù)影響很大；第四步通過心軸42施加載荷塊7，記錄下載荷P，單位N;通過電機(jī)6驅(qū)動(dòng)絲桿5， 使滑塊4相對(duì)于待測導(dǎo)軌3移動(dòng)，記錄下速度V，單位m/s ；運(yùn)動(dòng)過程中記錄下加速度傳感器 8和力傳感器81的數(shù)值；根據(jù)測量出的油膜厚度與最小間距對(duì)比可判斷是否存在潤滑油膜；實(shí)驗(yàn)記錄的滑塊4的載荷P和速度V的乘積，也即PV值，可作為是否存在潤滑油膜的判斷依據(jù)；根據(jù)測出的加速度值，用上海宏勤科技公司的Modalview模態(tài)分析軟件計(jì)算出滑塊4和待測導(dǎo)軌3結(jié)合面之間的剛度系數(shù)，根據(jù)施加載荷P和力傳感器測出載荷值，計(jì)算出載荷損失，并通過美國ANSYS公司的ANSYS有限元分析軟件計(jì)算出比例阻尼；第五步第四步驟的每改變一次PV值測試，對(duì)應(yīng)計(jì)算出不同速度和載荷下的比例阻尼和剛度系數(shù)，可作為該P(yáng)V值狀態(tài)下結(jié)合面的動(dòng)態(tài)特性系數(shù)。第六比較上述計(jì)算結(jié)果，得出存在動(dòng)壓潤滑油膜時(shí)的結(jié)合面特性，以及不存在動(dòng)壓潤滑油膜時(shí)結(jié)合面特性；同時(shí)也可得到能否形成動(dòng)壓潤滑油膜的邊界條件，也即PV值；第七步將測試分析結(jié)果對(duì)比擬分析的加工中心的工作條件，分析其在工作條件下的PV值，是否能形成動(dòng)壓潤滑油膜；不同的工作條件將對(duì)應(yīng)不同的動(dòng)態(tài)特性；第八步將步驟五的計(jì)算結(jié)果代入整機(jī)有限元模型中，運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件可得到準(zhǔn)確的整機(jī)動(dòng)態(tài)特性和受力分析結(jié)果。加工中心在進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析時(shí)，先根據(jù)工作情況得出PV值，然后判斷是否存在動(dòng)壓潤滑油膜，并分別代入通過實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)合面動(dòng)態(tài)特性(是否存在動(dòng)態(tài)潤滑油膜動(dòng)態(tài)特性是不同的)，以得到較為精確的求解。
權(quán)利要求
1.一種加工中心直線導(dǎo)軌結(jié)合面動(dòng)態(tài)特性測試設(shè)備及分析方法，其特征在于測試設(shè)備包括平臺(tái)、絲桿絲母、滑塊、電機(jī)、傳感器、導(dǎo)軌座和待測導(dǎo)軌；導(dǎo)軌座固定在平臺(tái)上，其上面設(shè)有兩條平行和等高的導(dǎo)軌槽，兩條待測導(dǎo)軌分別固定在導(dǎo)軌槽上，所述兩條待測導(dǎo)軌的兩端分別各設(shè)一個(gè)力傳感器；絲桿處于兩條導(dǎo)軌槽的中心面上，其兩端通過支撐軸座定位在平臺(tái)上，其中一端與電機(jī)輸出軸軸接；待測導(dǎo)軌分別配設(shè)有一滑塊，兩滑塊通過一連接板固定成一體，該連接板中央位置朝上凸設(shè)有一心軸，在該心軸上能疊加載荷塊，所述滑塊的三個(gè)面上裝設(shè)有加速度傳感器，而在滑塊行程的兩端也分別設(shè)有加速度傳感器；旋接在絲桿上的絲母與連接板間設(shè)有一連接片。分析方法一、表面輪廓測量儀測量待測導(dǎo)軌與滑塊表面粗糙度，根據(jù)測量結(jié)果輪廓測量儀測試軟件計(jì)算出兩表面的最小間距和微觀不平度十點(diǎn)高度；二、在測試設(shè)備上安裝待測導(dǎo)軌和對(duì)應(yīng)的滑塊，并在滑塊和待測導(dǎo)軌間上加潤滑油進(jìn)行潤滑；三、開啟電機(jī)，使絲桿驅(qū)動(dòng)滑塊運(yùn)動(dòng)；運(yùn)用油膜厚度測試儀與薄膜測試系統(tǒng)測量滑塊中滾珠與待測導(dǎo)軌間的油膜厚度；并對(duì)比油膜厚度與步驟一計(jì)算出的最小間距，如果油膜厚度比最小間距小則無法形成動(dòng)壓潤滑油膜；四、PV值測試，通過電機(jī)改變絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)速度，以此改變載荷狀態(tài)滑塊的移動(dòng)速度，用V 表示，單位m/s ；通過改變載荷塊的數(shù)量來改變滑塊及待測導(dǎo)軌承載力，用P表示，單位N ； 測試在不同載荷下的油膜厚度，并與步驟一計(jì)算出的最小間距對(duì)比，看是否存在動(dòng)壓潤滑油膜；最終得到不存在動(dòng)壓潤滑油膜的PV極限最小值，也即承載力P與速度V的乘積；五、比例阻尼測試，在第四步驟測試的同時(shí)，通過待測導(dǎo)軌兩端的力傳感器，測試待測導(dǎo)軌在不同載荷下，實(shí)際承載力大小，計(jì)算出載荷損失，并通過有限元分析軟件計(jì)算出比例阻尼；六、剛度系數(shù)測試，在第四步驟測試的同時(shí)，利用滑塊上的三個(gè)加速度傳感器和滑塊行程兩端的加速度傳感器，測量出滑塊的加速度，并由模態(tài)分析軟件計(jì)算出結(jié)合面的剛度系數(shù)；七、改變第四步驟中的PV值，得到不同狀態(tài)下的比例阻尼和剛度系數(shù)，對(duì)比各不同計(jì)算結(jié)果，得出存在動(dòng)壓潤滑油膜時(shí)的結(jié)合面特性，以及不存在動(dòng)壓潤滑油膜時(shí)結(jié)合面特性； 同時(shí)也可得到能否形成動(dòng)壓潤滑油膜的邊界條件，也即PV值；八、將測試分析結(jié)果對(duì)比擬分析的加工中心的工作條件，分析其在工作條件下的PV 值，是否能形成動(dòng)壓潤滑油膜；不同的工作條件將對(duì)應(yīng)不同的動(dòng)態(tài)特性；九、將步驟七的計(jì)算結(jié)果代入整機(jī)有限元模型中，運(yùn)用有限元分析可得到準(zhǔn)確的整機(jī)動(dòng)態(tài)特性和受力分析結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加工中心直線導(dǎo)軌結(jié)合面動(dòng)態(tài)特性測試設(shè)備，其特征在于 平臺(tái)表面加工有復(fù)數(shù)道平行的倒T形槽；導(dǎo)軌座通過螺栓鎖固在所述平臺(tái)表面的倒T形槽上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的加工中心直線導(dǎo)軌結(jié)合面動(dòng)態(tài)特性測試設(shè)備，其特征在于導(dǎo)軌座截面成凹形結(jié)構(gòu)，導(dǎo)軌槽設(shè)在兩側(cè)的凸脊部，待測導(dǎo)軌與導(dǎo)軌槽間設(shè)有對(duì)應(yīng)的螺栓孔，通過螺栓將待測導(dǎo)軌鎖固在導(dǎo)軌槽中；導(dǎo)軌槽的一側(cè)還設(shè)有水平調(diào)整塊，該水平調(diào)整塊通過螺栓鎖定在導(dǎo)軌槽底部；絲桿處于導(dǎo)軌座凹部。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種加工中心直線導(dǎo)軌結(jié)合面動(dòng)態(tài)特性測試設(shè)備及分析方法，其測試設(shè)備包括平臺(tái)、絲桿絲母、滑塊、電機(jī)、傳感器、導(dǎo)軌座和待測導(dǎo)軌等；通過測試分析滑塊在不同載荷和移動(dòng)速度下，滑塊與待測導(dǎo)軌間油膜的狀況，利用公知計(jì)算手段和分析軟件計(jì)算出加工中心導(dǎo)軌結(jié)合面的動(dòng)態(tài)特性，包括比例阻尼和剛度系數(shù)，并將其帶入到整機(jī)有限元模型中進(jìn)行計(jì)算，即可得到準(zhǔn)確的整機(jī)動(dòng)態(tài)特性和受力分析結(jié)果。
文檔編號(hào)G01N3/40GK102313643SQ201110258129
公開日2012年1月11日 申請(qǐng)日期2011年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月1日
發(fā)明者周景亮, 彭晉民, 李強(qiáng), 李濟(jì)澤, 鄭偉, 陳世輝 申請(qǐng)人:福建工程學(xué)院