高效的直線導軌副摩擦力與精度自動化檢測方法的研究與實現*

連宇臣，馮虎田，歐　屹

(南京理工大學 機械工程學院，南京　210094)

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高效的直線導軌副摩擦力與精度自動化檢測方法的研究與實現*

連宇臣，馮虎田，歐屹

(南京理工大學 機械工程學院，南京210094)

摘要：針對滾動直線導軌副驗收技術條件，對直線導軌副摩擦力與精度的自動化檢測方法進行研究，并設計加工相應的試驗裝置。首先對比傳統的檢測方法，研究相對測量與絕對測量兩種檢測原理。然后根據測量原理選用傳感器及設計工裝，最后使用PRO/ENGINEER對試驗臺進行整體三維設計，設計測控系統。試驗臺加工完成后，驗證試驗臺各項性能參數，分析試驗臺誤差。

關鍵詞：滾動直線導軌副；精度檢測；儀器設計

0引言

滾動直線導軌副憑借其摩擦阻力小，行走精度高，使用壽命長等優點在數控系統等自動化加工裝置中運用廣泛。在高精度的高檔數控機床所用導軌副中，國外企業生產的導軌副占據市場約80%的份額，而國內企業生產的導軌副主要面向中低端市場，導致產能過剩，競爭激烈。國內企業生產的導軌副質量與國外企業，例如THK，NSK等相比仍存在一定的差異。在國外，用于測量導軌副性能的試驗臺研發較早，產品較成熟，且不對外銷售，所以國內大部分生產廠家對于導軌副性能的檢測水平依然停留在手工檢測階段，國內實驗室也沒有基于相對測量原理的導軌副精度檢測試驗臺，所以急切需要自主研究一種高效，高精度的檢測設備來檢驗國內企業生產的導軌副的各項性能，故本文著重研究一種高效自動化的檢測方法，設計加工試驗裝置，為滾動直線導軌制造商提供一種全新的檢測方法，為產品的改進提供技術支撐。

1常用的檢測方法

目前國內常用的檢測方法有兩種，手動檢測及自動化檢測。手動檢測多見于小型企業，而越來越多的大型企業開始投入使用自動化檢測設備。

1.1手動檢測

(1)摩擦力檢測方法

圖1　直線導軌副摩擦力手工測量方法

滾動直線導軌副摩擦力的手動測量方法使用的是彈簧拉力秤，其原理圖如圖1所示。由于人工操作時拉力方向不能保持與滑塊運動方向一致，且運動速度無法保證勻速，故無法真實地反應出滾動直線導軌副在運動時的摩擦力狀況。

(2)精度檢測方法

圖2　直線導軌副精度手工測量方法

運動精度即為空間一點在運動過程中的實際位移與理論位移的趨近程度[1]，如圖2所示是廠家通常使用的對導軌的精度進行測量的方法。該方法主要依托測量表架，將被測導軌用螺釘固定在檢測平臺上，把表架的測頭放置于滑塊頂面基準及側面基準的中心，將表盤調零后通過手動推動滑塊移動固定距離，記錄下表盤的偏差值[2]。這種測量方法對檢測平臺的平面度及粗糙度要求非常高，因為檢測平臺的精度將直接影響測量的準確度。故這種測量方法檢測效率較低，對測試人員操作要求高，重復性也較差。當測量批量生產的導軌時被測導軌需要反復安裝在檢測平臺上，拆卸時較為不便。

1.2自動化檢測

(1)摩擦力檢測方法

常見的測量原理如下：工控機控制電機帶動工作臺運動，工作臺通過力傳感器拉動滑塊沿導軌勻速運動。由牛頓力學可知驅動力等于導軌副的動摩擦力，由拉力傳感器記錄摩擦力數值大小[3],缺點為工裝設計不能兼容多種型號導軌，檢測效率相對較低。

(2)精度檢測方法

2高效的摩擦力及精度檢測方法

2.1摩擦力測量原理

將應變式壓力傳感器安裝在工作臺面上，測量時通過連桿與被測直線導軌副滑塊連接。當伺服電機驅動工作臺帶動滑塊做勻速直線運動時，根據牛頓第一定律，此時做勻速直線運動的滑塊所受到的外力之和為零，由此推導出驅動力等于滑塊受到的摩擦力，將傳感器采集到的信號進行簡單處理即可得出滑塊實時所受到的摩擦力。

2.2精度測量原理

(1)相對測量原理

此方法直接將導軌的底面基準作為參照，如圖3所示，設計一個剛性良好的框架，上面安裝4個激光位移傳感器，分別測量其到滑塊頂面，導軌底面，滑塊側面，導軌側面的距離。

滑塊的H及W兩個參數計算公式如下：

(1)

記錄n組數值，取第一組為初始值可得:

(2)

根據驗收技術條件，平行度誤差為豎直方向和水平方向的最大偏差值，故可以得出兩個方向的平行度誤差為[9-10]：

(3)

其中，μH為垂直誤差μW為水平誤差。

圖3　直線導軌副精度相對測量原理

(2)絕對測量原理

此方法將被測導軌副與制造商提供的標準尺寸對比，具體方法為在任意位置與尺寸等于H公稱值的標準量塊比較，如圖4所示，計算公式如下：

ΔHi=(H1i+H22)-(H10+H20)

(4)

測得滑塊頂面與導軌底面高度H的尺寸偏差：

μH=MAX(|ΔHi|)

(5)

圖4　直線導軌副精度絕對測量原理

與導軌側面基準同側的滑塊側面與導軌側面基準間距離W的尺寸偏差測量原理與豎直方向上相同，可得：

ΔWi=(W10-W20)-(W1i-W2i)

(6)

μW=MAX(|ΔWi|)

(7)

3測試儀器工裝結構設計

常見的精度測量自動化測量方式需要將傳感器或接收器安裝在滑塊上，這種方法需要根據不同型號的滑塊設計不同的工裝，同樣也會降低生產效率，提高生產成本。本試驗臺為激光位移傳感器設計了可調節裝置，在測量不同型號的滑塊時可以調節激光位移傳感器到測量面的距離，能夠滿足激光位移傳感器所需的安裝距離。調節機構采用斜齒輪及斜齒條調節，采用微型導軌進行導向，結構圖如圖5所示。

圖5　調節機構結構圖

剛性支架采用黑色花崗巖制造，具有剛性強，絕緣，美觀等特點。激光位移傳感器使用光點式傳感器頭，光源信號為紅色半導體激光，測量范圍為±3mm，線性度為滿量程的±0.02%(F.S.=6mm)。調節機構的整體裝配圖如圖6所示。

圖6　精度測量裝置裝配圖

4試驗平臺搭建

4.1試驗臺總體結構設計

使用PRO/ENGINEER對試驗臺進行整體三維設計，效果如圖7所示，由伺服電機、減速器、滾輪、齒條及導向導軌構成驅動系統，可實現變速與反向，工控機通過控制卡驅動工作臺做直線往復運動，并用光柵尺定位工作臺位置。試驗臺共有傳感器6個，其中激光位移傳感器4個，壓力傳感器2個。傳感器信號通過數據線接入研華1713數據采集板卡，數據采集板卡通過PCI總線接入工控機，構成一套完整的數據采集系統。床身上布置多個防撞及限位裝置，防撞裝置采用液壓緩沖器及尼龍塊，限位裝置采用非接觸式限位開關，能夠在儀器發生故障時及時切斷電源，且防止工作臺飛車，保障操作人員的安全。床身主體采用黑色花崗巖材料，黑色花崗巖具有較高的剛性及熱穩定性，可以減少由于機械變形及熱變形帶來的誤差，同時使整個試驗臺美觀大方。

1.導軌放置架 2.摩擦力測量裝置 3.被測導軌副 4.精度測量裝置 5.工作臺 6.伺服電機 7.減速器 8.滾輪 9.齒條 10.拖鏈 11.防撞裝置 12.床身

圖7試驗臺總體結構

4.2試驗臺精度分析與驗證

圖8　試驗臺實物圖

設計中，床身導軌安裝面與導軌放置架安裝面平行度誤差為0.05mm，導軌放置架底面與被測導軌放置面平行度誤差為0.05mm，工作臺滑塊安裝面與工作臺面平行度誤差為0.01mm，根據誤差累加原理，可以得出導向導軌安裝面與被測導軌放置面的最大誤差為0.11mm，在裝配過程中，通過調整最終測得工作臺面與被測導軌放置面平行度誤差為0.02mm。導軌放置架設計直線度誤差為0.05mm，裝配后實測直線度誤差為0.02mm。平行度與直線度誤差均滿足設計要求。裝配完成后的試驗臺如圖8所示。

試驗臺的各項性能參數如表1所示。

表1　試驗平臺各項性能參數

4.3試驗臺測控系統設計

直線導軌副摩擦力與精度檢測試驗臺檢測的信號分為位置信號，力信號，位移信號。首先利用傳感器把物理信號轉換成電壓信號和脈沖信號，再利用數據采集卡及計數器將數據傳輸到工控機。通過編寫軟件來控制整個測控系統。其測試原理如圖9所示，用戶界面使用MFC平臺搭建，集運動控制，數據采集，數據處理，數據分析，精度評級于一體，滿足測量儀器實時性與可靠性的要求。

圖9　測控系統設計

5結束語

導軌以其精度高、定位精度好等優點被越來越多地應用于各種數控機械及自動化設備[9],導軌的行走精度是評定滾動直線導軌副性能的重要參照，本文在對目前常用直線導軌副精度檢測方法深入分析的基礎上，設計出了直線導軌副摩擦力與精度檢測試驗臺，本試驗臺采用自動化測量方式，能夠快捷準確地測量直線導軌副的各項性能。試驗臺采用快速安裝方式，對于不同型號的導軌有較高的兼容性。其選取高精度傳感器，能夠精密地分析直線導軌副的摩擦力及精度。本試驗臺可用于國內各大直線導軌副制造商的生產活動中，對于提高直線導軌副的檢測精度及節省檢測時間具有較強的實際作用。

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(編輯李秀敏)

Study an Effective Method for Automatic Detection of the Linear Guide’s Friction and Precision

LIAN Yu-chen,FENG Hu-tian,OU Yi

(School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094,China)

Abstract：According to the current technical conditions of the linear guide’s acceptance, we attempt to study a method for automatic detection of the linear guide’s friction and precision, and design appropriate test equipment. Firstly, on the basis of the relative measurement and absolute measurement principle, traditional testing methods should be com- pared in the study. Secondly, according to the measurement principle, the sensors should be selected and the design of the tooling should be finished. Finally, the overall three-dimensional design of the test bench should be completed by using the ‘PRO / ENGINEER’ technology, and design of the monitoring and control system should be finished at the same time.After the test bench is completed, verify test bench’s performance parameters, and analys test bench’s deviation.

Key words：linear rolling guide; the accuracy of detection; instrument design

中圖分類號：TH166；TG65

文獻標識碼：A

作者簡介：連宇臣(1990—)，男，江蘇江陰人，南京理工大學碩士研究生，研究方向為滾動功能部件試驗技術、精密機電測控技術，(E-mail)460420171@qq.com；通訊作者：馮虎田(1965—)，男，遼寧義縣人，南京理工大學教授，博士，研究方向為機器人技術、精密機電測控技術，(E-mail)fenght@mail.njust.edu.cn。

*基金項目：國家科技重大專項(2012ZX04002021)

收稿日期：2015-05-25;修回日期：2015-06-24

文章編號：1001-2265(2016)03-0067-04

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.03.019