滾動直線導軌副摩擦力動態測量試驗研究*

周晶晶，梁　醫，馮虎田

(南京理工大學 機械工程學院，南京　210094)

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滾動直線導軌副摩擦力動態測量試驗研究*

周晶晶，梁醫，馮虎田

(南京理工大學 機械工程學院，南京210094)

滾動直線導軌副是高速高精度數控機床的重要功能部件，其摩擦特性對機床整機的力學特性具有重要影響，因此對導軌摩擦力的大小進行檢測具有重要的意義。針對摩擦力檢測要求，設計了一種自動檢測滾動直線導軌副摩擦力的試驗裝置，將測量結果與手動測量進行對比，并對某一型號的滾動直線導軌副進行重復性測試，驗證了該測量方法的可靠性。針對35和45型號的滾動直線導軌副進行不同速度條件下的摩擦力測試，試驗結果表明，隨著速度增加，導軌副摩擦力有先減小后增大的趨勢。

滾動直線導軌副；摩擦力檢測；對比試驗

0　引言

近年來，隨著國內外數控精密加工技術的發展，對機床導向系統運動精度的要求越來越高。滾動直線導軌副以其摩擦阻力小、動靜摩擦系數差小、結構簡單、運動精度高、精度保持性好、高可靠性等優點，在各種高檔數控機械及自動化設備中得到了越來越廣泛的應用[1]。

作為精密的傳動部件，滾動直線導軌副的摩擦力是導軌副的重要性能指標。任何機件在接觸狀態下相對運動(滑動、滾動或滑動和滾動)時都會產生摩擦。摩擦力作為系統快速響應的阻礙和能量消耗的主要途徑，對摩擦力進行研究對提高整個系統的響應速度及控制精度具有重要意義；摩擦力也引起導軌副的發熱，直接影響導軌副的使用壽命[2]。因此對滾動直線導軌副的摩擦力進行研究具有相當重要的實際意義。

1　摩擦力產生機理分析

滾動直線導軌副在運動過程中，其工作條件、結構參數(單圓弧、雙圓弧等)的不同，會導致它的接觸狀態、工作性能以及剛度有所不同[3]。滾動直線導軌副摩擦力產生的原因比較復雜，主要包括如下幾項[4]:

(1)滾動直線導軌副滾珠與滾道間的摩擦：

①導軌副的鋼球在滾道中運動時由于彈性滯后產生的純滾動摩擦力；

②鋼球與溝槽接觸時由于接觸面上各點運動速度不同而產生的差動滑動摩擦力[5]；

③鋼球自旋運動所產生的摩擦阻力。

(2)滾珠在返向器中的摩擦：

①滾珠與返向器壁發生碰撞產生的摩擦力；

②滾珠之間的摩擦碰撞；

③返向器壁對滾珠的摩擦阻力。

(3)滾珠之間相對滑動引起的滑動摩擦；

(4)潤滑劑的粘性作用產生的摩擦阻力；

(5)滾動直線導軌副的一些結構如密封端蓋也會產生摩擦力。

2　摩擦力檢測方法及試驗臺介紹

2.1摩擦力測試原理

摩擦力的動態測試一般采用間接比較法[6-7]。當滑塊沿導軌方向做直線運動時，在豎直方向上受到自身的重力G和導軌對滑塊的支承力F1作用；在運動方向上受到外界施加的驅動力F以及導軌滾道對其沿運動相反方向上的摩擦力Ff作用。當滑塊在電機的驅動下沿導軌做勻速運動時，由牛頓經典力學定律可知：滑塊受到的驅動力F與導軌副動摩擦力Ff大小相等，方向相反，此時滑塊受力狀態如圖1所示。

圖1　摩擦力測量原理圖

2.2摩擦力測試方法

為了對高檔數控機床滾動功能部件的共性進行研究，研制了如圖2所示的滾動直線導軌副綜合性能試驗臺[8-9]。本試驗臺床身材料使用的是花崗巖，以減小由于床身變形引起的測量誤差，保證測量精度；以直線電機作為驅動裝置，能使工作臺達到高速和高加速的要求；導向裝置采用氣浮導軌，具有壽命長、無振動、無噪音的優點；電機定子與工作滑臺相連接，滑塊在懸臂的推動作用下實現往復直線運動；控制系統采用西門子840Dsl數控系統，用以控制電機的運動速度、加速度及起止位置，從而保證了滑塊的勻速運行；在運動過程中，安裝在被測滑塊上的各傳感器進行性能參數測試。

圖2　滾動直線導軌綜合性能試驗臺

測量摩擦力時，如圖3所示，將被測導軌固定在花崗巖床身上，在導軌副上配置一個用來測量摩擦力的滑塊，該滑塊通過轉接板與拉壓力傳感器的一端連接，傳感器另一端通過雙頭螺柱與固定在工作臺上的推臂連接。當工作臺在電機的推動下做往復直線運動時，推臂通過力傳感器拉(推)動被測滑塊沿導軌勻速運動。

傳感器所采集到的信號即為摩擦力的動態信號，傳感器輸出的電壓信號經過信號放大器、低通濾波器及數據采集板卡作模數轉換, 將測量結果傳輸至工控機， 最終通過測量軟件實時顯示并保存采樣數據，計算并繪制曲線，如圖4所示。

圖3　摩擦力動態測量裝置

圖4摩擦力信號處理系統

3　滾動直線導軌副摩擦力試驗

3.1試驗目的

分別以國外和國內某廠家生產的35和45型號的滾動直線導軌副為試驗對象，對滑塊的摩擦力進行動態測試，對比分析不同的廠家、型號等條件下導軌副摩擦性能的差異，并研究速度對滾動直線導軌副摩擦性能的影響規律。

3.2試驗方法

以滾動直線導軌副綜合性能試驗臺為測量平臺，動態測量軟件采集傳感器數據的時間間隔為30ms。

首先，為驗證測試原理，將速度4m/min時的摩擦力在線測量值與手動測量值進行對比。手動測量方法為：用彈簧拉力計緩慢的拉動滑塊使之勻速運動，拉力計的讀數即為該速度下的摩擦力大小。

其次，在低速和高速下分別對直線導軌副的摩擦力進行10次在線測量，對測量數據進行重復性分析以驗證測量系統的可靠性。

然后，改變運行速度值，分別對導軌副的正向摩擦力和反向摩擦力進行三次測量，取3次測量結果的平均值為該速度條件下導軌副摩擦力的測試結果。

最后，對不同型號和廠家的直線導軌分別進行摩擦力測試，得到對比結果。

3.3試驗結果

利用滾動直線導軌綜合性能試驗臺對導軌副進行摩擦力測試，測量滑塊一個往返過程中的摩擦力。由于電機在啟動和停止時，滑塊處于加速和減速的階段，并且存在輕微沖擊力，因此試驗時僅選取滑塊勻速運動段的數據，滑塊有效行程為1m，測量結果曲線如圖5所示。

圖5　摩擦力測量曲線圖

手動測量和在線測量結果如表1、表2所示。

表1　手動測量結果

表2　在線測量結果

速度為4m/min和80m/min時分別進行10次測量，為保證采樣數據量相同，設置4m/min時采樣周期為600ms,80m/min時采樣周期為30ms,測量結果如表3、表4所示。

表3　摩擦力測量結果

表4　摩擦力測量結果

依次改變數控程序里速度設定值，35、45型號摩擦力隨速度變化曲線圖分別如圖6所示。

圖6　摩擦力變化曲線圖

分別選擇45型號國內和國外的導軌進行摩擦力測量，得到如圖7所示的對比曲線圖。

圖7　國內外摩擦力試驗結果對比圖

4　試驗結果分析

4.1重復性分析

動態測量數據重復性一般用不確定度來表示[10]，不確定度愈小，所述結果與被測量的真實值愈接近，質量越高，水平越高，其使用價值越高。不確定度計算公式：

根據公式對4m/min和80m/min的摩擦力測量數據分別進行計算得：

4m/min時：u正=0.0544u反=0.0667

80m/min時：u正=0.3741u反=0.2921

從不確定度計算結果可以看出低速和高速時不確定度均小于0.4，可以說明本試驗具有較高的重復性，因此實驗數據具有較高的可靠性。4m/min時的不確定度值比80m/min時的小，是由于速度越高，滑塊振動越大，試驗結果也會產生波動。

4.2對比分析

4.2.1手動測量與動態測量對比分析

由表1可以看出，自動測量與手動測量數據很接近，手動測量正反向摩擦力相差很小。手動測量時，試驗員本身操作會產生一定的誤差，因此自動測量結果會與手動測量有較小的差異。

4.2.2單根導軌數據分析

(1)從圖6a中可以看出隨著滑塊運動速度的增大，導軌副摩擦力測量值先小幅度減小后呈現線性增大趨勢。分析產生這種結果的原因有：

①隨著速度增加，滾珠的運動速度也會相應的增加，進出承載區的頻率增加，并且與返向器的碰撞也會加快，從而導致摩擦阻力增大；

②滑動摩擦系數與物體的相對滑動速度有關，在一定范圍內，隨著運動速度的增大，滑動摩擦系數增大，而滾珠在滾道中的滑動摩擦力與滑動摩擦系數成正比的關系，因此增大速度，總摩擦力增加；

③彈性滯后損失與滾珠的滾動速率有關，也就是材料的變形速率相關，低速接觸時，接觸區后部材料有足夠的時間恢復變形。而在高速滾動時接觸區后部材料變形恢復速度慢導致滾珠后部脫離接觸時，軌道變形仍未完全恢復，產生額外的滾動阻力。

(2)在速度低于時，反向測量數據的平均值明顯比正向測量的值大。將導軌換向安裝后重新測量，得到相反的結果，此時反向摩擦力均值大于正向摩擦力均值。說明對于導軌其正反向摩擦力數值上會存在不同。這種現象的產生可能是由導軌滾道的加工工藝引起，導軌滾道通常采用磨削的加工方式來完成，導軌加工完成后，其滾道上沿砂輪前進方向上的摩擦系數比相反方向要小，在預緊力一定的情況下，該方向上的測量值相對反方向要偏小。

(3)在高速運行時，摩擦力隨速度的變化波動較大，且正反向的摩擦力差值比低速時明顯有所減小。高速時由于碰撞、彈性滯后等引起的摩擦力增加，而滾道加工引起的摩擦力所占的比例相應會減小，因此高速試驗時會出現與之前相反的結果；另外對于相同行程，速度越高，計算機采集的點數會減少，導致實驗結果的誤差增大。

4.2.3不同型號摩擦力對比分析

將35和45型號摩擦力測量數據進行對比得到如圖8所示的曲線圖。

圖8　不同型號摩擦力試驗結果對比圖

由上圖可以發現，相同速度下，45型號導軌摩擦力明顯大于35型號導軌。說明導軌結構尺寸增大，摩擦力增大。

4.2.4國內外導軌副摩擦力對比

由圖7可以看出相同型號的滾動直線導軌副，其摩擦力大小國內比國外的大。目前，國內滾動功能部件的加工工藝、材質、結構設計等與國外有一定的差距，滾道和鋼球的加工精度、適應度的大小等多種因素共同作用導致了其性能的差異。

5　結論

對滾動直線導軌副摩擦力進行檢測是提高滾動直線導軌副性能與產品質量的關鍵。本文通過測量不同速度下滾動直線導軌副的摩擦力，實驗結果分析表明：隨著滑塊運動速度的增大，導軌副摩擦力測量值先減小隨后呈線性增大趨勢；對比不同型號尺寸的導軌副摩擦力，結果表明尺寸越大，摩擦力越大。

[1] 馮虎田.滾動功能部件綜合性能檢測機可靠性研究發展趨勢[J].金屬加工，2012(5):10-12.

[2] 高飛.直線滾動導軌預加載荷的應用研究[D].無錫：江南大學，2007.

[3] 石川義雄，須田稔.直動玉軸受の摩擦力變動[J].精密機械，1981，47(12):58-63.

[4] 孫健利，張朝輝．關于滾動直線導軌摩擦力與預緊力關系的研究．1997,25(3)：47-49.

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[6] 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.

[7] JB/T7175.4-2006,滾動直線導軌副第4部分：驗收技術條件[S].2006.

[8] 梁醫,馮虎田,周保安.滾動直線導軌副綜合精度及性能測試裝置[P].發明,2012(9):2-8.

[9] 周保安.基于ABAQUS的精密滾動直線導軌副測試臺有限元分析[J].組合機床與自動化加工技術，2014(2):24-27.

[10] 石照耀，費業泰.基于均值平移的動態測量重復性的評定方法研究 [J].光學精密工程,2003,11(4)：363-367.

(編輯趙蓉)

Study of Experiment and Characteristics of Friction for Linear Rolling Guide

ZHOU Jing-jing, LIANG Yi, FENG Hu-tian

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

Linear rolling guide is an important Functional part of high-speed high-precision CNC machine, its great influence on the mechanical properties of the friction characteristics of the whole machine, so the size of rail friction detection is of great significance. For friction test requirements, This paper presents a automatic detection of roller linear guides friction testing device, the measurement results were compared with manual measurements, and repetitive testing for a certain type of linear Rolling guide, verify the reliability of the measurement method. The friction testing conditions at different speeds for 35 and 45 models rolling linear rolling guide, test results show that with the increase in speed, the friction have after the first decreases and then increases.

roller linear guide; friction experiment; contrast test

1001-2265(2016)04-0124-03DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.04.033

2015-05-10

國家自然科學基金、青年基金(51405233)；國家科技重大專項(2012ZX04002021)

周晶晶(1991—)，女，湖北黃岡人，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、機械設計，(E-mail)15850578932@163.com；通訊作者：梁醫(1974— )，女，西安人,南京理工大學副教授，研究方向為機構的運動學和動力學分析,精密機械測試測量,機械優化設計以及摩擦磨損與潤滑，(E-mail)liangyi@mail.njust.edu.cn。

TH166;TG506

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