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       摘 要: 針對(duì)滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副精度保持性問題，對(duì)滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副精度保持性的測(cè)量方法與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究。基于布爾沙－沃爾夫模型對(duì)精度的檢測(cè)方法進(jìn)行了分析。設(shè)計(jì)了試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)的硬件和軟件，并對(duì)測(cè)試結(jié)果的數(shù)據(jù)分析進(jìn)行了介紹。該測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副精度保持性試驗(yàn)提供了軟硬件基礎(chǔ)。
 
      關(guān)鍵詞: 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副; 測(cè)試系統(tǒng); 硬件設(shè)計(jì); 軟件設(shè)計(jì)
 
     0 引言
 
     滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副具有定位精度高、動(dòng)靜摩擦系數(shù)小、精度保持性高等優(yōu)點(diǎn)［1］，作為機(jī)床和機(jī)械裝置中的導(dǎo)向承載部件，能在保證機(jī)床和機(jī)械裝置的運(yùn)行精度的同時(shí)降低驅(qū)動(dòng)功率消耗，已成為高速精密數(shù)控設(shè)備的一個(gè)關(guān)鍵功能部件［2］。然而，高精度保持性的滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副 80%以上依賴進(jìn)口，嚴(yán)重影響到我國(guó)高端數(shù)控裝備的自主研發(fā)與國(guó)產(chǎn)化［3］。針對(duì)這種現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)出滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副精度保持性試驗(yàn)臺(tái)，在此基礎(chǔ)上對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析。
 
     1 、精度保持性測(cè)量方法
 
     1． 1 精度檢測(cè)方法
 
     滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的精度檢驗(yàn)主要檢測(cè)滑塊移動(dòng)對(duì)基準(zhǔn)面的平行度: 1) 對(duì)導(dǎo)軌底面基準(zhǔn) A 的平行度; 2) 對(duì)導(dǎo)軌側(cè)面基準(zhǔn) B 的平行度。將直線導(dǎo)軌緊固在專用平臺(tái)上，專用表架的一側(cè)平面緊靠在直線導(dǎo)軌的側(cè)面基準(zhǔn)上，在專用表架上固定指示器，使其測(cè)頭觸及: a) 滑塊頂面中心處; b) 與導(dǎo)軌側(cè)面基準(zhǔn) B 同側(cè)的滑塊側(cè)面中心處，如圖1。移動(dòng)滑塊與專用表架，在導(dǎo)軌全長(zhǎng)上檢測(cè)。a) 、b) 誤差分別計(jì)算，誤差以指示器讀數(shù)的最大差值計(jì)［4］。
 

        圖 1 導(dǎo)軌基準(zhǔn)簡(jiǎn)圖
 
      1． 2 平行度變化測(cè)量與分析
 
      導(dǎo)軌直線度誤差是被測(cè)導(dǎo)軌實(shí)際線對(duì)其理想直線的變動(dòng)量［5］。滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副在使用一定時(shí)間后，導(dǎo)軌、滑塊及滾動(dòng)體之間會(huì)產(chǎn)生接觸變形和磨損，導(dǎo)致滾動(dòng)體接觸角改變及滑塊位移。以滑塊幾何中心處為原點(diǎn)，分別以垂直滑塊側(cè)面、頂面、端面為 X、Y、Z 軸建立基準(zhǔn)坐標(biāo)系，假設(shè)基準(zhǔn)坐標(biāo)系在 X 軸和 Y 軸方向有偏移，并繞 Y 軸和 Z 軸產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，如圖2所示。根據(jù)精度的檢測(cè)方法，在 X 軸和 Y 軸的偏移 ΔX、ΔY 即為平行度的變化量，在導(dǎo)軌全長(zhǎng)上測(cè)得的 ΔX、ΔY 中，最大的變化量即為滑塊對(duì)基準(zhǔn)面的平行度。
 
      因此，可根據(jù)布爾沙－沃爾夫模型［6－7］對(duì)偏轉(zhuǎn)后的坐標(biāo)系與基準(zhǔn)坐標(biāo)系建立聯(lián)系。試驗(yàn)中，滑塊相對(duì)于導(dǎo)軌的偏轉(zhuǎn)根據(jù)布爾沙－沃爾夫模型可由以下幾步完成:
1) 以 Z’軸正方向看，以 O’為固定旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，將 O’－X’Y’Z’繞 Z’軸旋轉(zhuǎn) ，使經(jīng)過旋轉(zhuǎn)后的 X”與 XOZ 面平行;2) 以 Y”軸正方向看，以 O’為固定旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，將 O’－X”Y”Z”繞 Y”軸旋轉(zhuǎn) δ，使經(jīng)過旋轉(zhuǎn)后的 Z”與 YOZ 面平行;3) 將 O’－X#Y#Z#的原點(diǎn)分別沿 X#、Y#和 Z#軸移動(dòng)ΔX，ΔY，O，使其與基準(zhǔn)坐標(biāo) O－XYZ 的原點(diǎn)重合。
 

      圖 2 導(dǎo)軌副偏轉(zhuǎn)示意圖
 
      因?yàn)樵囼?yàn)中 ωX、ωY、ωZ 都是小角度，因此 sinω≈ω，cosω= 1，由布爾沙－沃爾夫坐標(biāo)轉(zhuǎn)化模型可知，如圖 3。
  
     
 

    
     圖 3 布爾沙－沃爾夫模型示意圖
  
     

其中: L1－2———位移傳感器 Ｒ1、Ｒ2 激光間的距離;L3－4———位移傳感器 Ｒ3、Ｒ4 激光間的距離;X1 －X2———傳感器 Ｒ1、Ｒ2 初始測(cè)量值之差;Y3 －X4———傳感器 Ｒ3、Ｒ4 初始測(cè)量值之差。
 
      因此，由式( 2) 和式( 3) 可得平行度變化量 ΔX、ΔY 和轉(zhuǎn)角變化量 、δ，分別取其最大值即為滑塊對(duì)基準(zhǔn)面的行度。

      2 、測(cè)量系統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
 
      滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副精度保持性試驗(yàn)臺(tái)由南京理工大學(xué)自主研發(fā)，主要包括支撐結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、加載機(jī)構(gòu)、潤(rùn)滑裝置、防撞裝置等［8］，如圖 4。2 根被測(cè)導(dǎo)軌副安裝在兩側(cè)的轉(zhuǎn)接板上，轉(zhuǎn)接板可根據(jù)不同的導(dǎo)軌型號(hào)進(jìn)行更換，采用對(duì)稱加載機(jī)構(gòu)模擬實(shí)際工況對(duì)被測(cè)導(dǎo)軌副進(jìn)行側(cè)向加載。滑塊工作臺(tái)面配置 4 個(gè)位移傳感器和 2 個(gè)振動(dòng)傳感器，實(shí)時(shí)測(cè)試導(dǎo)軌副 2 個(gè)方向精度變化情況以及精度喪失時(shí)的振動(dòng)信號(hào)，以提取精度喪失特征。
  
    

     
      圖 4 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副精度保持性試驗(yàn)臺(tái)
 
      3 、測(cè)量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
 
      3． 1 測(cè)控系統(tǒng)的基本組成
 
      滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副精度保持性試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)控系統(tǒng)主要包括控制系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)，具體組成如圖 5。
 
      3． 2 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)
  
     試驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由數(shù)控系統(tǒng)、伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、限位開關(guān)等部分組成。試驗(yàn)臺(tái)在不同階段以不同的當(dāng)量速度長(zhǎng)期往復(fù)運(yùn)動(dòng)，數(shù)控系統(tǒng)可以控制龍門的行程、速度、加速度等，能夠使龍門按照一定的要求往復(fù)運(yùn)行。當(dāng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)出現(xiàn)緊急情況，超出預(yù)期的行程時(shí)，龍門首先會(huì)碰到數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置的 2 個(gè)軟限位開關(guān)停止運(yùn)動(dòng); 若軟限位開關(guān)同時(shí)失效，龍門繼續(xù)前行會(huì)碰到床身兩側(cè)的硬限位開關(guān)，并可向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，使伺服電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖 6。
  

     
  
      圖 5 測(cè)控系統(tǒng)硬件基本組成圖
 
     要求往復(fù)運(yùn)行。當(dāng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)出現(xiàn)緊急情況，超出預(yù)期的行程時(shí)，龍門首先會(huì)碰到數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置的 2 個(gè)軟限位開關(guān)停止運(yùn)動(dòng); 若軟限位開關(guān)同時(shí)失效，龍門繼續(xù)前行會(huì)碰到
床身兩側(cè)的硬限位開關(guān)，并可向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，使伺服電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖 6。

      
      圖 6 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件框圖、 
 
      3． 3 加載力控制系統(tǒng)
  
      試驗(yàn)臺(tái)的加載控制系統(tǒng)由加載伺服電動(dòng)機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器、工控機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡、A/D 采集卡、壓力傳感器等部分組成。試驗(yàn)臺(tái)需要模擬實(shí)際工況對(duì)被測(cè)導(dǎo)軌副進(jìn)行加載，這種加載通過工控機(jī)控制固高運(yùn)動(dòng)控制卡驅(qū)動(dòng)加載伺服電動(dòng)機(jī)來(lái)完成，并由 2 個(gè)壓力傳感器對(duì)加載力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和反饋。當(dāng)施加的載荷超出允許范圍時(shí)，力傳感器將信號(hào)反饋給工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，進(jìn)而對(duì)加載力進(jìn)行調(diào)整，如圖 7。
  

     
  
      圖7 加載與數(shù)據(jù)采集硬件框圖
 
      3． 4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
 
      試驗(yàn)臺(tái)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由工控機(jī)、A/D 采集卡、計(jì)數(shù)卡、位移傳感器、力傳感器、振動(dòng)傳感器和長(zhǎng)光柵等部分組成。試驗(yàn)臺(tái)選用高精度激光位移傳感器來(lái)測(cè)量滑塊頂面和側(cè)面相對(duì)于導(dǎo)軌基準(zhǔn)面之間的平行度; 選用高精度力傳感器，將其固定安裝在滑塊上一起運(yùn)動(dòng)即可在線測(cè)量預(yù)緊拖動(dòng)力; 振動(dòng)傳感器用來(lái)檢測(cè)滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副精度喪失時(shí)的振動(dòng)信號(hào)，提取精度喪失特征; 將長(zhǎng)光柵的讀數(shù)頭固定安裝在被測(cè)導(dǎo)軌副上，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反饋被測(cè)導(dǎo)軌副的位置，如圖 7。

      4 、測(cè)量系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
 
      4． 1 平行度測(cè)量系統(tǒng)軟件
  
      單次平行度檢測(cè)，需在測(cè)量之前進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，以方便數(shù)據(jù)的保存與查找，再根據(jù)需要選擇合適的采樣頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。每次試驗(yàn)龍門往復(fù)運(yùn)行 2 次，即測(cè)得 4 組數(shù)
據(jù)并對(duì)其取平均值作為本次試驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果，具體流程如圖 8。
  

      
  
       圖 8 單次精度測(cè)量流程圖
 
      在整個(gè)精度保持性的試驗(yàn)過程中，每次檢測(cè)完被測(cè)導(dǎo)軌副的精度指標(biāo)，需判斷精度損失量是否達(dá)到初始精度儲(chǔ)備量的 80% 。若沒有繼續(xù)試驗(yàn)，若達(dá)到需取下被測(cè)導(dǎo)軌進(jìn)行離線檢測(cè)精度是否失效，具體流程如圖 9。
  

      
  
       圖 9 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副精度保持性試驗(yàn)流程圖
   
       4． 2 加載力測(cè)量系統(tǒng)軟件
 
       在試驗(yàn)的不同階段，根據(jù)額定動(dòng)載荷設(shè)置一個(gè)不同的加載力。加載力測(cè)量界面實(shí)時(shí)顯示 2 個(gè)壓力傳感器的值。當(dāng)壓力小于設(shè)定值時(shí)，選擇加載，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕即可加載，
當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)自動(dòng)停止加載; 當(dāng)壓力大于設(shè)定值時(shí)，選擇卸載，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕即可卸載。
 
      4． 3 數(shù)控系統(tǒng)軟件
 
      滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副精度保持性試驗(yàn)臺(tái)采用西門子數(shù)控系統(tǒng)802C 來(lái)控制龍門的往復(fù)運(yùn)行狀態(tài)。在其程序命令中自主編程，控制龍門的行程、速度、往復(fù)次數(shù)等。
 
      5 、測(cè)試結(jié)果分析
 
      平行度測(cè)量界面實(shí)時(shí)顯示 8 個(gè)激光位移傳感器的測(cè)量值，并在一個(gè)行程中實(shí)時(shí)更新測(cè)量的最大值與最小值。通過計(jì)算實(shí)時(shí)顯示兩組導(dǎo)軌副的滑塊頂面對(duì)導(dǎo)軌底面基準(zhǔn)的平行度、滑塊側(cè)面對(duì)同側(cè)導(dǎo)軌側(cè)面基準(zhǔn)的平行度以及偏擺角、俯仰角相對(duì)初始狀態(tài)的變化量及在一個(gè)行程中偏擺角、俯仰角變化量的最大值，如圖 10 所示。
  
       
  
       圖 10 平行度測(cè)量界面
 

      滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副精度保持性試驗(yàn)臺(tái)將采集到的數(shù)據(jù)以及分析處理后得到的結(jié)果分別保存到 2 個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，以便按不同的查找方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的查找與分析。當(dāng)查找傳感器采集的原始數(shù)據(jù)時(shí)，在綜合查詢中選擇要查詢的數(shù)據(jù)表，再根據(jù)查找要求進(jìn)行查找，若查找條件滿足導(dǎo)軌唯一性即確定被測(cè)導(dǎo)軌的檢測(cè)日期、型號(hào)和位置時(shí)，將同時(shí)顯示導(dǎo)軌信息、試驗(yàn)信息、檢測(cè)信息，如圖 11 所示。
  
  

     
      圖 11 原始數(shù)據(jù)查詢界面
 
 
      查詢部分或全部結(jié)果時(shí)，在打印報(bào)表界面執(zhí)行。當(dāng)按某一次的測(cè)量結(jié)果查找時(shí)，可按日期和位置確定唯一的一根導(dǎo)軌進(jìn)行查找，將只出現(xiàn)那天的一條記錄，并顯示該導(dǎo)軌的導(dǎo)軌信息、試驗(yàn)時(shí)的試驗(yàn)信息及檢測(cè)時(shí)的檢測(cè)信息，此時(shí)打印的報(bào)表即為一次試驗(yàn)的報(bào)表; 若查找指定一根導(dǎo)軌的試驗(yàn)結(jié)果時(shí)，按導(dǎo)軌編號(hào)查找( 導(dǎo)軌編號(hào)具有唯一性) ，將顯示指定導(dǎo)軌的全部試驗(yàn)結(jié)果及此導(dǎo)軌的導(dǎo)軌信息，此時(shí)打印的報(bào)表為單根滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副精度保持性試驗(yàn)的全部結(jié)果，包括整個(gè)試驗(yàn)過程中側(cè)面平行度、頂面平行度、偏擺角變化量、俯仰角變化量、當(dāng)量載荷、當(dāng)量速度等隨里程的變化，如圖 12 所示。
  

    
  
      圖12 單根試驗(yàn)導(dǎo)軌結(jié)果查詢界面
 
 
      6 、結(jié)語(yǔ)
 
      針對(duì)滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副精度保持性問題，對(duì)精度保持性的檢測(cè)方法和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究。所取得的主要成果如下: 對(duì)精度保持性的檢測(cè)方法進(jìn)行了分析; 對(duì)滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副精度保持性試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了軟、硬件設(shè)計(jì)。為滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副精度保持性試驗(yàn)臺(tái)的研制提供了參考，為滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副精度保持性試驗(yàn)提供了試驗(yàn)基礎(chǔ)。