高速滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副綜合性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)的研發(fā)*

趙佳佳，宋現(xiàn)春，姜洪奎，陳明緣，榮伯松，杜 偉

(1.山東建筑大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，濟(jì)南 250101;2. 山東博特精工股份有限公司，山東 濟(jì)寧272071)

0 引言

隨著裝備制造業(yè)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床及機(jī)電一體化系統(tǒng)正在向高精度、高速度、高可靠性及智能化、數(shù)字化方向發(fā)展［1］。作為數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵功能部件，滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的優(yōu)劣直接影響著數(shù)控機(jī)床的壽命及加工工件的精度［2］。高性能的數(shù)控機(jī)床離不開(kāi)高性能的功能部件，先進(jìn)的功能部件需要有超前的檢測(cè)設(shè)備［3］。目前基于國(guó)內(nèi)對(duì)滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副性能指標(biāo)的檢測(cè)還不夠完善，檢測(cè)設(shè)備還不夠成熟，使理論研究和實(shí)踐應(yīng)用均受到限制［4］。針對(duì)此種現(xiàn)狀，結(jié)合前人的研究成果開(kāi)發(fā)了一套完善的滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副綜合性能試驗(yàn)臺(tái)，可對(duì)滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副綜合性能參數(shù)(運(yùn)動(dòng)精度、摩擦力、速度、加速度、溫升及噪聲)進(jìn)行檢測(cè)分析，為開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品，提高產(chǎn)品質(zhì)量提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)臺(tái)總體方案

滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)基本原理是在借助直線電機(jī)牽引下對(duì)試驗(yàn)導(dǎo)軌進(jìn)行模擬跑和，得到模擬工況下滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的綜合性能參數(shù)。主要由機(jī)械試驗(yàn)臺(tái)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)四部分組成。其中，試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1 所示，本試驗(yàn)臺(tái)能測(cè)量滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的最大安裝長(zhǎng)度為6000mm，實(shí)際測(cè)試長(zhǎng)度小于4500mm，測(cè)量時(shí)工作臺(tái)移動(dòng)速度可達(dá)150m/min;運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)采用高分辨率單軸數(shù)控系統(tǒng)，可靠性高，易于維護(hù);性能參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)完成各個(gè)傳感器的連接和配置，達(dá)到滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副綜合性能參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量;計(jì)算機(jī)軟件由Visual Basic 6.0 開(kāi)發(fā)，可實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺(tái)各傳感器的調(diào)試及滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副綜合性能參數(shù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)控機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理

該試驗(yàn)臺(tái)由直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)試驗(yàn)兩副導(dǎo)軌。直線電機(jī)動(dòng)子安裝于滑臺(tái)底部，滑臺(tái)由直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在高速靜音導(dǎo)軌上做往返運(yùn)動(dòng);被測(cè)試驗(yàn)導(dǎo)軌的滑塊上安裝稱重傳感器，通過(guò)聯(lián)接板與移動(dòng)滑臺(tái)浮動(dòng)聯(lián)接，實(shí)時(shí)測(cè)量和記錄移動(dòng)滑塊的綜合性能信息。

2.2 硬件構(gòu)成及關(guān)鍵參數(shù)測(cè)量設(shè)計(jì)

測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)硬件整體結(jié)構(gòu)如圖2 所示，主要由工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、傳感器、儀表顯示器、數(shù)控系統(tǒng)等組成，工控機(jī)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)控工作，除了完成直線導(dǎo)軌副數(shù)據(jù)的顯示、處理、分析及保存，還要完成單軸數(shù)控系統(tǒng)的控制工作。硬件測(cè)控系統(tǒng)是試驗(yàn)臺(tái)的關(guān)鍵裝置，其性能直接影響直線導(dǎo)軌副的參數(shù)測(cè)量結(jié)果［5］。直線導(dǎo)軌副關(guān)鍵參數(shù)測(cè)量原理如下:

(1)運(yùn)動(dòng)精度:Mahr P2004M 雙測(cè)量頭分別通過(guò)磁力表座安裝于被測(cè)量滑塊的頂面和側(cè)面，調(diào)節(jié)MahrC1216 為電感模式，該模式下Mahr 顯示屏上可同時(shí)顯示兩個(gè)測(cè)量特性。當(dāng)滑塊運(yùn)動(dòng)時(shí)，每隔一定距離或一段時(shí)間，信號(hào)調(diào)理器會(huì)準(zhǔn)確的同時(shí)記錄該時(shí)刻滑塊兩個(gè)方向的浮動(dòng)量并通過(guò)RS232 串口將測(cè)量數(shù)據(jù)傳遞到工控機(jī)［6］。

(2)摩擦力:稱重傳感器安裝在移動(dòng)滑塊頂面，測(cè)量時(shí)通過(guò)聯(lián)接板與被測(cè)滑塊浮動(dòng)聯(lián)接;當(dāng)直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)滑臺(tái)帶動(dòng)被測(cè)滑塊勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，由牛頓力學(xué)定律可知，被測(cè)滑塊的驅(qū)動(dòng)力F等于被測(cè)導(dǎo)軌副滑動(dòng)摩擦力。該測(cè)力系統(tǒng)采用間接比較法，將待測(cè)力通過(guò)稱重傳感器轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)，信號(hào)經(jīng)XST 智能數(shù)字顯示儀的分析處理，將電壓值變成摩擦力數(shù)值，從而測(cè)得滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副摩擦力動(dòng)態(tài)變化情況。

(3)速度:雷尼紹光柵尺由讀頭和尺帶組合，讀頭通過(guò)螺栓與滑臺(tái)固定在一起，光柵尺帶與床身固定。其測(cè)量輸出信號(hào)為脈沖信號(hào)，通過(guò)PCI-1784 計(jì)數(shù)卡對(duì)測(cè)量信號(hào)計(jì)數(shù)，用于速度和位置檢測(cè)。速度測(cè)量具體計(jì)算如式(1):

式中:V—滑臺(tái)的速度，f—光柵尺輸出頻率，T—光柵尺信號(hào)周期。

(4)加速度:測(cè)試平臺(tái)中，滑塊的加速度的變化情況反應(yīng)導(dǎo)軌副動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的振動(dòng)狀況。在該測(cè)試系統(tǒng)中，把三軸加速度傳感器通過(guò)磁座固定在被測(cè)滑塊的外側(cè)，由于加減速時(shí)間非常短，大概在40～100ms之間，計(jì)算機(jī)無(wú)法完成加速度實(shí)時(shí)的采集與描繪［7］。先將測(cè)量信號(hào)經(jīng)由瑞博華高速數(shù)據(jù)采集卡AD8201 處理，存放在采集卡的緩沖區(qū)中，待采樣完成后逐一取出處理后的數(shù)據(jù)，從而完成滑塊振動(dòng)曲線的繪制。

(5)溫度:對(duì)于溫度測(cè)量，采用手持式紅外熱像儀Ti400，其顯示分辨率1000°C 以上為1°C，1000°C 以下為0.1°C。紅外測(cè)溫原理是通過(guò)測(cè)溫儀光學(xué)系統(tǒng)匯聚其視場(chǎng)內(nèi)目標(biāo)物體表面紅外輻射能量，紅外能量聚焦在光電探測(cè)器上并轉(zhuǎn)變電壓信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)分析處理轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y(cè)目標(biāo)的溫度值［8］。通過(guò)紅外熱像儀可動(dòng)態(tài)測(cè)量滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的溫度，并且借助其配套的溫度分析軟件提取滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副溫度場(chǎng)的分布情況。

(6)噪聲:噪聲測(cè)量系統(tǒng)選用丹麥B＆K2250L 聲級(jí)計(jì)，該聲級(jí)計(jì)內(nèi)置高靈敏度傳感器、功率放大模塊、信號(hào)處理模塊、A/D 轉(zhuǎn)換模塊，能按時(shí)間歷程獲取滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副在不同的運(yùn)行工況下的噪聲信息，可通過(guò)配套的軟件進(jìn)行1/1 和1/3 倍頻帶寬頻譜分析。

圖2 測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)硬件整體結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)

3.1 軟件模塊構(gòu)成

本試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控軟件以Visual Basic 6.0 為主要工具，采用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(DDL)與串行通信技術(shù)混合編程，并結(jié)合Matlab 數(shù)值分析模塊開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。

該系統(tǒng)軟件分為四個(gè)主要模塊，軟件模塊構(gòu)成如圖3 所示，儀器調(diào)試模塊主要對(duì)各個(gè)傳感器進(jìn)行測(cè)試前校準(zhǔn)，減小系統(tǒng)誤差，保證測(cè)試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性;參數(shù)設(shè)置模塊主要完成輸入導(dǎo)軌的型號(hào)、測(cè)量點(diǎn)數(shù)、測(cè)量間隔，根據(jù)導(dǎo)軌型號(hào)自動(dòng)讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)應(yīng)導(dǎo)軌副參數(shù)的功能;動(dòng)態(tài)測(cè)量模塊主要分定時(shí)采集和位置采集兩個(gè)部分，定時(shí)采集應(yīng)用VB 中Timer 控件等時(shí)間間隔的獲得采集數(shù)據(jù)，而位置采集借助高速計(jì)數(shù)卡PCI—1784 計(jì)算光柵尺脈沖數(shù)等位置間隔獲得采集數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)處理模塊主要運(yùn)用最小二乘法進(jìn)行曲線擬合，形成測(cè)量導(dǎo)軌的誤差分析報(bào)告。

圖3 軟件模塊構(gòu)成

3.2 軟件關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

該測(cè)控系統(tǒng)采集兩類關(guān)鍵信號(hào)，一類是光柵尺的位置信號(hào)，另一類為各個(gè)傳感器的測(cè)量信號(hào)，光柵位置信號(hào)經(jīng)放大細(xì)分后，接入PCI—1784 計(jì)數(shù)卡，計(jì)數(shù)卡對(duì)光柵信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。采集方法采用位置比較中斷法，預(yù)先配置計(jì)數(shù)卡產(chǎn)生比較中斷的基數(shù)。中斷基數(shù)計(jì)算公式如式(2):

式中:J—中斷基數(shù)，N—光柵尺刻線數(shù)，n—采樣點(diǎn)數(shù)。

每當(dāng)光柵尺產(chǎn)生脈沖數(shù)達(dá)到計(jì)數(shù)卡配置基數(shù)的整數(shù)倍時(shí)產(chǎn)生中斷，此刻采集各個(gè)傳感器測(cè)量信息最新數(shù)據(jù)點(diǎn)，逐次比較光柵位置信號(hào)完成直線導(dǎo)軌副性能參數(shù)的數(shù)據(jù)采集。為保證各個(gè)傳感器信號(hào)采集的實(shí)時(shí)性，計(jì)數(shù)卡產(chǎn)生的最小中斷時(shí)間間隔應(yīng)大于測(cè)量信號(hào)的存儲(chǔ)周期［9-10］。例如在系統(tǒng)初始化配置計(jì)數(shù)中斷基數(shù)為100，光柵路脈沖計(jì)數(shù)到100，200，300…時(shí)產(chǎn)生比較中斷，每一次比較中斷時(shí)刻調(diào)取中斷處理程序(即獲取高速緩沖區(qū)中測(cè)量信號(hào)值)，此時(shí)高速數(shù)據(jù)緩沖區(qū)應(yīng)為測(cè)量信息的最新數(shù)據(jù)點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集流程框圖如圖4 所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集流程框圖

4 結(jié)論

介紹了高速滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副測(cè)控試驗(yàn)臺(tái)的組成及設(shè)計(jì)方法，分析了關(guān)鍵性能參數(shù)(運(yùn)動(dòng)精度、摩擦力、速度、加速度、溫升、噪聲)的測(cè)量原理，利用Visual Basic 6.0 開(kāi)發(fā)了試驗(yàn)臺(tái)綜合性能測(cè)試系統(tǒng)軟件。該測(cè)控試驗(yàn)臺(tái)已在企業(yè)投入運(yùn)行，性能穩(wěn)定，運(yùn)行可靠，能夠滿足高速滾動(dòng)直線導(dǎo)軌綜合性能測(cè)試的要求，為新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)試驗(yàn)以及產(chǎn)品性能提高提供了保證。

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