滾柱直線導軌副摩擦力動態測量范文

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《組合機床與自動化加工技術雜志》2016年第二期

摘要:

在綜合分析滾柱直線導軌副動態摩擦力測量系統功能及定位的基礎上開發其測量系統，包括軟件及硬件組成、數據采集與分析系統等。基于此測量系統對滾柱直線導軌副動態摩擦力進行試驗分析，在試驗過程中發現造成某型號導軌滑塊摩擦力波動的原因，并針對此現象提出改進方法，為高性能滾柱直線導軌副的生產提供幫助。

關鍵詞:

滾柱直線導軌副;動態測量;摩擦力波動;試驗分析

滾柱直線導軌副是數控機床的關鍵功能部件，目前已在精密機床、自動化設備、重切削加工設備等方面得到廣泛的應用［1］。滾柱直線導軌副以滾柱為滾動體，因而具有超高剛性與超重負荷能力，這就決定了其高速、重載的發展方向［2］。在滾柱直線導軌副的高速、重載運行中，其溫升、噪聲、振動等性能指標會產生大的變動［3］。而摩擦作為能量消耗的主要方式，是影響滾柱直線導軌副各性能指標的重要因素［4］。針對這種情況，研究滾柱直線導軌副的摩擦力特性是必不可少的。本文通過總結前人的研究成果，開發了摩擦力動態測量系統，同時通過分析總結測量的數據，發現造成滾柱直線導軌副摩擦力波動的原因。針對這種現象進行了大量的試驗驗證，為進一步改善滾柱直線導軌副的性能提供了可行性依據。

1測量系統總體方案設計

本測量系統包括機械系統、測控系統兩大部分。其中機械系統結構如圖1所示。機械驅動系統采用直線電機驅動的方式，驅動行程可達到3000mm。采用直線電機驅動，主要是考慮到直線導軌高速度、高加速度的工作環境，以及長行程、高精度的運動要求，同時相比于傳統的滾珠絲杠驅動方法，可以實現“零傳動”，傳動剛度更高、推力更平穩［5-7］。測控系統主要由工控機、運動控制卡、PCI數據采集卡、拉壓式稱重傳感器、稱重傳感器測量儀表等組成，其組成如圖2所示。工控機通過運動控制卡控制直線電機的往復運動，試驗臺裝有光柵尺，可以實時反饋運動位置，稱重傳感器儀表負責采集稱重傳感器數據并傳送至工控機。本測量系統的工作原理是由直線電機驅動被測導軌的滑塊進行直線往復運動，直線電機滑臺上固定有聯接板，聯接板通過稱重傳感器與滑塊相連，當直線電機做勻速運動時，稱重傳感器所測得的數據就是被測滑塊的實時摩擦力［8］。

2測控系統軟件設計

本測控系統軟件以Labview編寫，采用程序框圖結構，通過相應的硬件驅動提供的動態鏈接庫函數及VISA驅動對相關儀器進行操作。VISA驅動是儀器編程中的標準I/OAPI，可以控制串口、以太網等，并根據使用儀器的類型調用相應的驅動程序，本系統中主要用來通過串口對摩擦力進行讀取操作［9］。軟件主界面如圖3所示。軟件相關的操作包括:(1)直線電機的運行控制。包括直線電機的運行速度大小的控制，直線電機行程的控制，直線電機往復運動的控制(2)光柵尺位置信號的采集處理。采用PCI計數卡，采集光柵尺脈沖信號，并進行轉換，轉換為相應的位置信號，反饋給直線電機控制系統。(3)摩擦力信號的采集處理。摩擦力信號經稱重傳感器儀表低通濾波、放大、A/D轉換后，通過串口基于RS232通訊協議傳送至工控機，為保證采集數據的準確性，在工控機端軟件上再對數據進行遞推平均濾波，消除干擾信號的影響［10］。采集完成的數據可以通過軟件進行存取操作，并生成檢測報表后打印。

3數據采集與分析

完成相應的軟硬件安裝調試后開始對被測導軌副進行摩擦力測量。本試驗對象采用某型號的45滾柱直線導軌副，被測導軌副安裝完成后先進行初期跑合，跑合完成后再進行動態摩擦力測量。進行摩擦力測量時應注意導軌副的潤滑情況，避免潤滑不良引起的摩擦力過大現象。在直線電機分別以6m/min、12m/min的速度運行時測量其摩擦力動態信號，現取一側導軌副的摩擦力信號進行分析，如圖4和圖5所示。其中軟件設置讀取頻率為20Hz，橫坐標已轉換為滑塊運行時位置坐標。由以上兩圖可知，在不同速度下運行時導軌副摩擦力相差不大，摩擦力變化是一個隨機過程，但是存在連續的周期性波動。對該連續周期性波動進行分析可以發現該波動間隔距離基本為600mm，排除導軌制造精度問題后分析波動成因應是滑塊內滾柱或保持鏈所造成。通過對滑塊進行拆解發現，滾柱不存在問題，而保持鏈接頭處間隙過大或是造成摩擦力波動的主要因素。為了驗證摩擦力周期波動問題成因，將保持鏈拆下，讓滾柱在滾道內自由運動，重新測量摩擦力，結果如圖6所示。由圖可見，拆除保持鏈的滑塊摩擦力波動沒有明顯的周期性，但因為沒有保持鏈的約束，使滾柱之間產生直接摩擦造成摩擦力有明顯的增大。針對保持鏈接頭間隙過大造成摩擦力波動這一問題，可以考慮減小保持鏈接頭之間距離或者在保持鏈接頭處增加一個滾柱來加以解決。

4結論

本文針對滾柱直線導軌副摩擦力動態測量設計了測量系統的軟硬件，該系統已在山東博特精工股份有限公司投入使用，運行可靠，性能穩定，能夠滿足工廠實際生產試驗測量的要求。該系統為摩擦力測量過程中出現的一些問題，提供了可靠的試驗驗證，為提升企業生產滾柱型導軌的品質和產品的競爭力提供了有力的保證，也為滾柱直線導軌副摩擦力測量領域的相關后續研究工作提供了一個新的平臺。

［參考文獻］

［1］張雪．滾柱直線導軌副綜合性能檢測系統開發［D］．大連:大連理工大學，2012．

［2］榮伯松．高速、重載滾柱直線導軌副優化設計［D］．濟南:山東建筑大學，2012．

［3］張允良，王肇貴，趙順利，等．滾柱直線導軌副綜合性能檢測系統開發［J］．裝備制造技術，2013(5):46－48．

［4］馮虎田，楊艷國，王小牧，等．滾動直線導軌副摩擦力動態測量系統［J］．金屬加工，2010(20):54－56．

［5］趙佳佳，宋現春，姜洪奎，等．高速滾動直線導軌副綜合性能測試試驗臺的研發［J］．組合機床與自動化加工技術，2014(11):75－77．

［6］郭慶鼎，趙希梅．數控機床直線伺服驅動控制的若干問題與展望［J］．沈陽工業大學學報，2006，28(3):273－277．

［7］葉云岳．直線電機在現代機床業中的應用與發展［J］．電機技術，2010(3):1－5．

［8］趙佳佳．高速滾動直線導軌副綜合性能試驗臺的開發及其實驗研究［D］．濟南:山東建筑大學，2014．

［9］張雪天，宋現春，唐文成，等．基于LabVIEW的高速滾珠絲杠副溫升測試系統設計［J］．組合機床與自動化加工技術，2009(11):50－51．

［10］伍靈杰．數據采集系統中數字濾波算法的研究［D］．北京:北京林業大學，2010．

作者：韓清忠 宋現春 姜洪奎 馬洪君 王軍崗 榮伯松 單位：山東建筑大學 機電工程學院 山東博特精工股份有限公司