專利名稱：加工中心直線導軌結合面動態特性測試設備及分析方法
技術領域：
本發明屬于機械領域，特別涉及一種加工中心直線導軌結合面動態特性測試設備及分析方法。
背景技術：
通常我們對新開發的加工中心整機需要做動態的理論分析，主要分析其受力和模態。分析方法主要用ANSYS等有限元分析軟件對整機三維模型進行分析。整機三維模型是由眾多部件組裝而成，各個部件在軟件里組裝時均有結合面；如果將結合面特性(彈性模量、泊松比等)設置與部件相同，則相當于兩個部件固聯在一起；然而在加工中心工作時， 滑塊中的滾珠和導軌間將產生動壓潤滑油膜，油膜的特性(彈性模量、泊松比等)明顯與部件不同，而且油膜的存在使結合面間存在阻尼。油膜對整機的動態特性(剛度系數、模態等)產生了重大影響，因此在進行動態分析時必須對結合面特性進行設置。結合面的動態特性與結合面兩表面表面粗糙度、運動速度、載荷均有較大關系，因此，在實際分析中必須對其進行實驗方能確定結合面相關參數。

發明內容
本發明利用油膜的動態特性與結合面兩表面表面粗糙度、運動速度、載荷間存在的關系，發明一種加工中心直線導軌結合面動態特性測試設備及分析方法。本發明技術方案是這樣實現的一種加工中心直線導軌結合面動態特性測試設備，其特征在于測試設備包括平臺、絲桿絲母、滑塊、電機、傳感器、導軌座和待測導軌；導軌座固定在平臺上，其上面設有兩條平行和等高的導軌槽，兩條待測導軌分別固定在導軌槽上，所述兩條待測導軌的兩端分別各設一個力傳感器；絲桿處于兩條導軌槽的中心面上， 其兩端通過支撐軸座定位在平臺上，其中一端與電機輸出軸軸接；待測導軌分別配設有一滑塊，兩滑塊通過一連接板固定成一體，該連接板中央位置朝上凸設有一心軸，在該心軸上能疊加載荷塊，所述滑塊的三個面上裝設有加速度傳感器，而在滑塊行程的兩端也分別設有加速度傳感器；旋接在絲桿上的絲母與連接板間設有一連接片。所述平臺表面加工有復數道平行的倒T形槽；導軌座通過螺栓鎖固在所述平臺表面的倒T形槽上。所述導軌座截面成凹形結構，導軌槽設在兩側的凸脊部，待測導軌與導軌槽間設有對應的螺栓孔，通過螺栓將待測導軌鎖固在導軌槽中；導軌槽的一側還設有水平調整塊， 該水平調整塊通過螺栓鎖定在導軌槽底部；絲桿處于導軌座凹部。加工中心直線導軌結合面動態特性的分析方法一、用表面輪廓測量儀測量待測導軌與滑塊表面粗糙度，根據測量結果輪廓測量儀測試軟件可計算出兩表面的最小間距和微觀不平度十點高度；二、在測試設備上安裝待測導軌和對應的滑塊，并在滑塊和待測導軌間上有油潤滑；
三、開啟電機，使絲桿驅動滑塊運動；運用油膜厚度測試儀與薄膜測試系統測量滑塊中滾珠與待測導軌間的油膜厚度；并對比油膜厚度與步驟一計算出的最小間距，如果油膜厚度比最小間距小則無法形成動壓潤滑油膜；是否有油膜存在對滑塊與導軌結合面的動態特性，也即比例阻尼和剛度系數影響很大；四、PV值測試，通過電機改變絲桿轉動速度，以此改變載荷狀態滑塊的移動速度， 用V表示，單位m/s ；通過改變載荷塊的數量來改變滑塊及待測導軌承載力，用P表示，單位 N;測試在不同載荷下的油膜厚度，并與步驟一計算出的最小間距對比，看是否存在動壓潤滑油膜；最終得到不存在動壓潤滑油膜的PV極限最小值，也即承載力P與速度V的乘積；五、比例阻尼測試，在第四步驟測試的同時，通過待測導軌兩端的力傳感器，測試待測導軌在不同載荷下，實際承載力大小，計算出載荷損失，并通過有限元分析軟件計算出比例阻尼；六、剛度系數測試，在第四步驟測試的同時，利用滑塊上的三個加速度傳感器和滑塊行程兩端的加速度傳感器，測量出滑塊的加速度，并由模態分析軟件計算出結合面的剛度系數；七、改變第四步驟中的PV值，得到不同狀態下的比例阻尼和剛度系數，對比各不同計算結果，得出存在動壓潤滑油膜時的結合面特性，以及不存在動壓潤滑油膜時結合面特性；同時也可得到能否形成動壓潤滑油膜的邊界條件，也即PV值；八、將測試分析結果對比擬分析的加工中心的工作條件，分析其在工作條件下的 PV值，是否能形成動壓潤滑油膜；不同的工作條件將對應不同的動態特性；九、將步驟七的計算結果代入整機有限元模型中，運用有限元分析軟件可得到準確的整機動態特性和受力分析結果。本發明的測試設備，能根據測試需要，模擬出滑塊在待測導軌上移動速度和載荷量的變化，通過測試滑塊與待測導軌間油膜的變化，分析并計算加工中心導軌結合面的動態特性，包括比例阻尼和剛度系數，并將其帶入到整機有限元模型中進行計算，即可得到準確的整機動態特性和受力分析結果。


下面結合具體圖例對本發明做進一步說明圖1測試設備局部剖面示意2測試設備導軌座與待測導軌間關系剖面示意3測試設備俯視示意圖其中ι-平臺11-倒T形槽2-導軌座21-導軌槽
22-水平調整塊3-待測導軌4-滑塊41-連接板
42-心軸5-絲桿51-絲母52-支撐軸座
53-連接片6-電機7-載荷塊8-加速度傳感器
81-力傳感器9-螺栓
具體實施例方式
參照圖1、圖2和圖3，加工中心直線導軌結合面動態特性測試設備，包括平臺1、 導軌座2、待測導軌3、滑塊4、傳感器、絲桿5、絲母51和電機6 ；平臺1使用厚鋼板，其表面加工有復數道平行的倒T形槽11 ；導軌座2通過螺栓9鎖固在所述平臺表面的倒T形槽11 上，可保證其穩定。導軌座2截面成凹形結構，導軌槽21設在兩側的凸脊部，并保持加工出的兩條導軌槽21的平行和等高；待測導軌3與導軌槽21間設有對應的螺栓孔，通過螺栓9 將待測導軌3鎖固在導軌槽21中；導軌槽21的一側還設有水平調整塊22，該水平調整塊 22通過螺栓9鎖定在導軌槽21的底部，利用水平調整塊22能將待測導軌3擠到導軌機理 21的一側。兩條待測導軌3分別配設有一滑塊4，兩滑塊4通過一連接板41固定成一體，該連接板41中央位置朝上凸設有一心軸42，在該心軸42上能疊加載荷塊7，所述滑塊4的三個面上裝設有加速度傳感器8，而在滑塊4行程的兩端也分別設有加速度傳感器8，可安裝固定在滑塊4行程兩端的任一固定物上；所述兩條待測導軌3的兩端分別各設一個力傳感器 81。所述絲桿5處于兩條導軌槽21的中心面上，準確地說是處于導軌座2的中央凹部，其兩端通過支撐軸座52定位在平臺1上，其中一端與電機6輸出軸軸接；絲桿5上旋接有一絲母51，該絲母51與連接板41間設有一連接片53，借助該連接片53，使得滑塊4與絲母51同步，由絲桿5驅動。本測試設備根據需要，既可改變載荷塊的重量，也能通過調節電機6的轉速，改變滑塊4滑動的速度。具體的分析方法如圖所示，加工中心直線導軌結合面動態特性測試平臺，主要測試并計算出滑塊4 和導軌3結合面之間的動態特性，也即比例阻尼和剛度系數。本實例中，待測導軌3采用臺灣PMI直線導軌，型號MSB-TE-25-E ；初始載荷20KN，每次以IOKN遞增載荷塊7 ；電機6轉速為3000r/m，可實現無級變速；滑塊4最大直線移動速度為20M/m，可實現無級變速。測試和分析的步驟如下第一步安裝前，用哈量集團2302A型表面輪廓測量儀分別測量滑塊4和導軌3的表面粗糙度，根據測量結果輪廓測量儀測試軟件可計算出兩表面的最小間距和微觀不平度十點高度；第二步在測試設備上安裝待測導軌3和對應的滑塊4，并在滑塊4和待測導軌3 間上有油潤滑；第三步開啟電機6，使絲桿5驅動滑塊4運動；運用PCS EHD2油膜厚度測試儀與 EHL Ultra薄膜測試系統(生產廠商上海邦安檢測工程有限公司)測量滑塊4中滾珠與待測導軌3間的油膜厚度；并對比油膜厚度與步驟一計算出的最小間距，如果油膜厚度比最小間距小則無法形成動壓潤滑油膜；是否有油膜存在對滑塊4與待測導軌3結合面的動態特性，也即比例阻尼和剛度系數影響很大；第四步通過心軸42施加載荷塊7，記錄下載荷P，單位N;通過電機6驅動絲桿5， 使滑塊4相對于待測導軌3移動，記錄下速度V，單位m/s ；運動過程中記錄下加速度傳感器 8和力傳感器81的數值；根據測量出的油膜厚度與最小間距對比可判斷是否存在潤滑油膜；實驗記錄的滑塊4的載荷P和速度V的乘積，也即PV值，可作為是否存在潤滑油膜的判斷依據；根據測出的加速度值，用上海宏勤科技公司的Modalview模態分析軟件計算出滑塊4和待測導軌3結合面之間的剛度系數，根據施加載荷P和力傳感器測出載荷值，計算出載荷損失，并通過美國ANSYS公司的ANSYS有限元分析軟件計算出比例阻尼；第五步第四步驟的每改變一次PV值測試，對應計算出不同速度和載荷下的比例阻尼和剛度系數，可作為該PV值狀態下結合面的動態特性系數。第六比較上述計算結果，得出存在動壓潤滑油膜時的結合面特性，以及不存在動壓潤滑油膜時結合面特性；同時也可得到能否形成動壓潤滑油膜的邊界條件，也即PV值；第七步將測試分析結果對比擬分析的加工中心的工作條件，分析其在工作條件下的PV值，是否能形成動壓潤滑油膜；不同的工作條件將對應不同的動態特性；第八步將步驟五的計算結果代入整機有限元模型中，運用ANSYS有限元分析軟件可得到準確的整機動態特性和受力分析結果。加工中心在進行動態分析時，先根據工作情況得出PV值，然后判斷是否存在動壓潤滑油膜，并分別代入通過實驗得到的結合面動態特性(是否存在動態潤滑油膜動態特性是不同的)，以得到較為精確的求解。
權利要求
1.一種加工中心直線導軌結合面動態特性測試設備及分析方法，其特征在于測試設備包括平臺、絲桿絲母、滑塊、電機、傳感器、導軌座和待測導軌；導軌座固定在平臺上，其上面設有兩條平行和等高的導軌槽，兩條待測導軌分別固定在導軌槽上，所述兩條待測導軌的兩端分別各設一個力傳感器；絲桿處于兩條導軌槽的中心面上，其兩端通過支撐軸座定位在平臺上，其中一端與電機輸出軸軸接；待測導軌分別配設有一滑塊，兩滑塊通過一連接板固定成一體，該連接板中央位置朝上凸設有一心軸，在該心軸上能疊加載荷塊，所述滑塊的三個面上裝設有加速度傳感器，而在滑塊行程的兩端也分別設有加速度傳感器；旋接在絲桿上的絲母與連接板間設有一連接片。分析方法一、表面輪廓測量儀測量待測導軌與滑塊表面粗糙度，根據測量結果輪廓測量儀測試軟件計算出兩表面的最小間距和微觀不平度十點高度；二、在測試設備上安裝待測導軌和對應的滑塊，并在滑塊和待測導軌間上加潤滑油進行潤滑；三、開啟電機，使絲桿驅動滑塊運動；運用油膜厚度測試儀與薄膜測試系統測量滑塊中滾珠與待測導軌間的油膜厚度；并對比油膜厚度與步驟一計算出的最小間距，如果油膜厚度比最小間距小則無法形成動壓潤滑油膜；四、PV值測試，通過電機改變絲桿轉動速度，以此改變載荷狀態滑塊的移動速度，用V 表示，單位m/s ；通過改變載荷塊的數量來改變滑塊及待測導軌承載力，用P表示，單位N ； 測試在不同載荷下的油膜厚度，并與步驟一計算出的最小間距對比，看是否存在動壓潤滑油膜；最終得到不存在動壓潤滑油膜的PV極限最小值，也即承載力P與速度V的乘積；五、比例阻尼測試，在第四步驟測試的同時，通過待測導軌兩端的力傳感器，測試待測導軌在不同載荷下，實際承載力大小，計算出載荷損失，并通過有限元分析軟件計算出比例阻尼；六、剛度系數測試，在第四步驟測試的同時，利用滑塊上的三個加速度傳感器和滑塊行程兩端的加速度傳感器，測量出滑塊的加速度，并由模態分析軟件計算出結合面的剛度系數；七、改變第四步驟中的PV值，得到不同狀態下的比例阻尼和剛度系數，對比各不同計算結果，得出存在動壓潤滑油膜時的結合面特性，以及不存在動壓潤滑油膜時結合面特性； 同時也可得到能否形成動壓潤滑油膜的邊界條件，也即PV值；八、將測試分析結果對比擬分析的加工中心的工作條件，分析其在工作條件下的PV 值，是否能形成動壓潤滑油膜；不同的工作條件將對應不同的動態特性；九、將步驟七的計算結果代入整機有限元模型中，運用有限元分析可得到準確的整機動態特性和受力分析結果。
2.根據權利要求1所述的加工中心直線導軌結合面動態特性測試設備，其特征在于 平臺表面加工有復數道平行的倒T形槽；導軌座通過螺栓鎖固在所述平臺表面的倒T形槽上。
3.根據權利要求1或2所述的加工中心直線導軌結合面動態特性測試設備，其特征在于導軌座截面成凹形結構，導軌槽設在兩側的凸脊部，待測導軌與導軌槽間設有對應的螺栓孔，通過螺栓將待測導軌鎖固在導軌槽中；導軌槽的一側還設有水平調整塊，該水平調整塊通過螺栓鎖定在導軌槽底部；絲桿處于導軌座凹部。
全文摘要
本發明涉及一種加工中心直線導軌結合面動態特性測試設備及分析方法，其測試設備包括平臺、絲桿絲母、滑塊、電機、傳感器、導軌座和待測導軌等；通過測試分析滑塊在不同載荷和移動速度下，滑塊與待測導軌間油膜的狀況，利用公知計算手段和分析軟件計算出加工中心導軌結合面的動態特性，包括比例阻尼和剛度系數，并將其帶入到整機有限元模型中進行計算，即可得到準確的整機動態特性和受力分析結果。
文檔編號G01N3/40GK102313643SQ201110258129
公開日2012年1月11日 申請日期2011年9月1日 優先權日2011年9月1日
發明者周景亮, 彭晉民, 李強, 李濟澤, 鄭偉, 陳世輝 申請人:福建工程學院