本發(fā)明屬于測量
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別是直線導軌副五種靜剛度綜合測量裝置。
背景技術(shù)：
：直線導軌副具有精度高、磨擦系數(shù)小、耐磨損等優(yōu)點，被廣泛用于高精度數(shù)控機床和加工中心。靜剛度是直線導軌副的重要指標，是指導軌副承載恒定載荷時抵抗變形的能力，導軌副靜剛度具體可分為垂直靜剛度、側(cè)向靜剛度、俯仰靜剛度、偏擺靜剛度及傾斜靜剛度。導軌副在實際工作中不只是受垂直載荷作用，尤其是在重型機床、有振動和沖擊的機床或工作速度較快的機床中，導軌副受到側(cè)向力、俯仰力矩力、偏擺力矩和傾斜力矩作用的效果更加明顯，此時，垂直、側(cè)向、俯仰、偏擺及傾斜靜剛度指標分別體現(xiàn)導軌副抵抗相應(yīng)方向的位移變形的能力，對導軌副的精度和壽命等產(chǎn)生重要影響。雖然目前我國直線導軌副垂直靜剛度測量裝置的研制取得了一定的成果，但是五種靜剛度的綜合測量裝置的研制還處于起步階段。檢索現(xiàn)有技術(shù)的文獻發(fā)現(xiàn)，中國發(fā)明專利公開號CN103017992A，名稱為直線導軌副靜剛度測量裝置及方法，該專利介紹了一種通過更換裝夾組件來測量直線導軌副垂直、傾斜、俯仰及偏擺靜剛度的試驗裝置，該裝置根據(jù)所需測量靜剛度種類的不同，改變安裝夾具、載荷方向、和測點位置，進而試驗測得不同系列導軌副的垂直、傾斜、俯仰及偏擺靜剛度曲線，該試驗裝置需要多套夾具組件，測量直線導軌副靜剛度時，需要頻繁更換夾具，改變裝夾方式，實驗繁瑣效率低，并且容易引進安裝誤差使測量結(jié)果不準確。中國發(fā)明專利公開號CN104075886A，名稱為模塊化直線導軌副結(jié)合部靜剛度測試方法與裝置，該專利介紹了一種模塊化直線導軌副靜剛度測試裝置，通過三個定位孔單獨施加拉壓偏心載荷，分別測量出直線導軌副多種靜剛度，該方法需要不斷轉(zhuǎn)換載荷施加方式，實驗時間較長，并且沒考慮多種載荷作用下，導軌副多種變形之間的耦合關(guān)系，不能保證測量結(jié)果的真實可靠性。中國發(fā)明專利公開號CN104034522A，名稱為一種檢測直線導軌副靜剛度的實驗臺，該專利介紹了一種測量直線導軌副靜剛度的裝置，該裝置通過三個螺孔分別施加垂直載荷、滾動力矩和水平載荷，移 動測試導軌的滑塊和壓板，可以施加傾覆力矩和旋轉(zhuǎn)力矩。該裝置雖然能實現(xiàn)了在多種載荷作用下直線導軌副的靜剛度檢測，但是難以保證多種載荷同時加載，實驗過程中無法避免裝置間隙導致的誤差，并且需移動滑塊和壓板，不能保證實驗結(jié)果的重復性和準確性?？梢姡壳爸本€導軌副多種靜剛度的測量方法不夠完善，均需改變導軌副裝夾方式或施加載荷的方式，實驗裝置復雜，實驗過程繁瑣，且將引入安裝間隙帶來的誤差，一定程度上將影響垂直、側(cè)向、俯仰、偏擺和傾斜靜剛度測量結(jié)果的重復性和準確性，給直線導軌副靜剛度的全面測評工作帶來困難。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于提供一種操作簡單，能在一次加載實驗中，同時自動精確測量出導軌副垂直、側(cè)向、俯仰、偏擺和傾斜靜剛度的裝置。實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種直線導軌副五種靜剛度綜合測量裝置，包括加載裝置、力傳感器、壓盤、位移傳感器組、位移傳感器夾具、滑塊、導軌、下夾具、臺面板、基準板、上夾具、受力裝置，其中下夾具固定在水平臺面板上，該下夾具上表面相對水平面傾斜θ角，基準板和導軌設(shè)置在下夾具的上表面；上夾具上安裝位移傳感器組，該上夾具固定連接在滑塊上表面，該滑塊在導軌上滑動，滑塊和導軌為被測導軌副；加載裝置通過連接件固定連接力傳感器，該力傳感器連接壓盤，從而使加載裝置帶動壓盤升降，壓盤擠壓安裝在上夾具上的受力裝置，給上夾具施加一個豎直向下的偏心載荷F。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點：(1)下夾具上表面設(shè)計為斜面，導軌副及上夾具固定安裝在下夾具上，壓盤通過受力裝置向上夾具施加豎直向下的偏心載荷，上夾具上最少只需安裝5個位移傳感器，優(yōu)選對稱布置方式，簡化了測量裝置，避免了在測量不同種靜剛度時配套多種夾具工裝，降低導軌副靜剛度測評的成本；并且下夾具固定安裝有基準板，基準板無需重復安裝，提高了測量基準的一致性，最大程度的減小了基準不重合和安裝誤差，提高測量精度，使測量結(jié)果具有高重復性和準確性。(2)下夾具和上夾具均具有良好的剛性和穩(wěn)定性，加載后上下夾具各自的變形量遠遠小于被測導軌副的位移變形量，使位移傳感器測量值可準確等效為導軌滑塊的整體位移變形量，解決了由于夾具工裝剛性不足 而引入較大系統(tǒng)誤差的問題，增強試驗裝置測評結(jié)果公信度。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。附圖說明圖1為本發(fā)明直線導軌副五種靜剛度綜合測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為圖1的三維視圖。圖3為載荷等效分解示意圖。圖4為位移傳感器組安裝示例圖。具體實施方式結(jié)合圖1和圖3，本發(fā)明直線導軌副五種靜剛度綜合測量裝置能夠同時測量直線導軌副垂直、側(cè)向、俯仰、偏擺和傾斜靜剛度，包括加載裝置1、力傳感器3、壓盤4、位移傳感器組5、位移傳感器夾具6、滑塊7、導軌8、下夾具9、臺面板10、基準板11、上夾具12、受力裝置13，其中下夾具9固定在水平臺面板10上，該下夾具9上表面相對水平面傾斜θ角，基準板11和導軌8設(shè)置在下夾具9的上表面；上夾具12上安裝位移傳感器組5(能夠測量位移變形量)，該上夾具12固定連接在滑塊7上表面，該滑塊7在導軌8上滑動，滑塊7和導軌8為被測導軌副；加載裝置1通過連接件2固定連接力傳感器3，該力傳感器3連接壓盤4，從而使加載裝置1帶動壓盤4升降，壓盤4擠壓安裝在上夾具12上的受力裝置13(受力裝置13可以采用剛性的金屬球)，給上夾具12施加一個豎直向下的偏心載荷F。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、實用性高，通過對與下夾具9上表面夾角為θ的偏心載荷F分解和對位移傳感器組5測量值的分離提起，可同時精確直線導軌副垂直、側(cè)向、俯仰、偏擺和傾斜靜剛度。本發(fā)明在上夾具12上開設(shè)凹槽或錐孔，受力裝置13設(shè)置在凹槽或錐孔中；在上夾具12中加工沉頭孔，將滑塊7固定在沉頭孔中。下夾具9的材料選用實心花崗巖，剛性和穩(wěn)定性好。下夾具9上表面相對水平面傾斜角θ在30°—45°之間。上夾具12的材料選用淬火鋼，剛性和穩(wěn)定性好，在上夾具12施加一個豎直向下的偏心載荷F，載荷作用位置與上夾具12中心相對坐標為(a，b)且a，b≥30mm，可以選a＝b＝40mm。本發(fā)明上夾具12上安裝位移傳感器組5主要有兩種方式，第一種方式是位 移傳感器組5有n個位移傳感器，n≥5，安裝i個位移傳感器，使i個位移傳感器均垂直于下夾具9的上表面，以該傾斜的上表面為基準測量導軌副在該方向上的相對變形量，并確保至少3個位移測量點不在同一直線上，i≥3；安裝n-i個位移傳感器，使n-i個位移傳感器均垂直于基準板11的測量基準面，測量導軌副在該方向上的相對變形量，n-i≥2，試驗有個選擇組。第二種方式是位移傳感器組5有n個位移傳感器，n≥5，安裝i個位移傳感器，使i個位移傳感器均垂直于下夾具9上表面，以該傾斜的上表面為基準測量導軌副在該方向上的相對變形量，i≥2；安裝n-i個位移傳感器，使n-i個位移傳感器均垂直于基準板11的測量基準面，測量導軌副在該方向上的相對變形量，并確保至少3個位移測量點不在同一直線上，n-i≥3，試驗有個選擇組。結(jié)合圖1，本發(fā)明直線導軌副五種靜剛度綜合測量方法，步驟如下：第一步，下夾具9固定在水平臺面板10上，該下夾具9上表面相對水平面傾斜θ角，基準板11和導軌8設(shè)置在下夾具9的上表面；上夾具12上安裝位移傳感器組5，該上夾具12固定連接在滑塊7上表面，該滑塊7在導軌8上滑動，滑塊7和導軌8為被測導軌副；加載裝置1通過連接件2固定連接力傳感器3，該力傳感器3連接壓盤4，從而使加載裝置1帶動壓盤4升降，壓盤4擠壓安裝在上夾具12上的受力裝置13，給上夾具12施加一個豎直向下的偏心載荷F；按照上述要求安裝被測導軌副，使壓盤4中心正對受力裝置13中心，夾緊位移傳感器組5，保證測量期間不松動。第二步，將力傳感器3與位移傳感器組5進行標定，并做回零初始化處理，根據(jù)樣本手冊確定最大加載載荷和被測直線導軌副額定動載荷，進行預加載，消除各部件的間隙帶來的誤差。第三步，在額定動載荷量程范圍內(nèi)進行測量，加載到導軌副額定動載荷的20-60％后，開始卸載，過程中實時采集力傳感器3與位移傳感器組5上的數(shù)據(jù)，直到卸載為零。第四步，對采集的數(shù)據(jù)進行處理和參數(shù)分離，即將上夾具12受到的偏心載荷F，等效分解為垂直、側(cè)向、俯仰、偏擺及傾斜載荷分量；根據(jù)坐標變換原理， 建立由位移傳感器組5所測變形量換算得到的變換矩陣的數(shù)學模型，并折算成垂直、側(cè)向、俯仰、偏擺及傾斜五個方向的變形分量，再根據(jù)剛度計算公式，同時計算出垂直、側(cè)向、俯仰、偏擺及傾斜靜剛度，具體過程如下。1.將上夾具12受到的偏心載荷F，等效分解為垂直、側(cè)向、俯仰、偏擺及傾斜載荷分量，結(jié)合圖3，壓盤4通過受力裝置13施加集中載荷到上夾具12上，以上夾具12的幾何中心為原點，建立參考坐標系，X軸垂直基準板11基準面，Y軸沿導軌安裝方向，Z軸垂直于下夾具9傾斜θ角的上表面，集中力F等效作用點為(a，b，0)，依據(jù)公式(1)將載荷分解成X軸向力FX、Z軸向力FZ、俯仰扭矩MA、偏擺扭矩MB和傾斜扭矩MC：F=FXFZMAMBMC=FsinθFcosθbFcosθbFsinθaFcosθ---(1)]]>2.根據(jù)坐標變換原理，建立由位移傳感器組5所測變形量換算得到的變換矩陣的數(shù)學模型，即位移傳感器組5的傳感器測點采用規(guī)格化齊次坐標矩陣表示，根據(jù)坐標變換原理，則有：P2=P1ΔT=X1Y1Z11X2Y2Z21X3Y3Z31X4Y4Z41X5Y5Z51............XnYnZn11θB-θC0-θB1θA0θC-θA10δXδYδZ1---(2)]]>式中P1為無載荷時位移傳感器組5測點的規(guī)格化齊次坐標矩陣；P2為施加載荷時位移傳感器組5測點的規(guī)格化齊次坐標矩陣；δX、δY、δZ為分別為X、Y、Z方向的位移變化量；θA為俯仰角；θB為偏擺角；θC為傾斜角。3.根據(jù)位移傳感器組5的分布方式，建立垂直、側(cè)向、俯仰、偏擺及傾斜五個方向的變形分量的折算模型。位移傳感器組5安裝在上夾具12時有以下方式：3.1第一種方式為：所述位移傳感器組5有n個位移傳感器，n≥5，安裝i個位移傳感器，使i個位移傳感器均垂直于下夾具9的上表面，以該傾斜的上表面為基準測量導軌副在該方向上的相對變形量，并確保至少3個位移測量點不在同一直線上，i≥3；安裝n-i個位移傳感器，使n-i個位移傳感器均垂直于基準板11的測量基準面，測量導軌副在該方向上的相對變形量，n-i≥2，試驗有個選擇組；在第一種方式中，根據(jù)位移傳感器組5的分布，建立垂直、側(cè)向、俯仰、偏擺及傾斜五個方向的變形分量的折算模型，根據(jù)公式(2)，在N1個選擇組中，第j個選擇組的感器測點坐標矩陣可表示為公式(3)；五個方向的位移分量如公式(4)；所有選擇組平均位移分量如公式(5)：P2=P1ΔT=Xj1Yj1Zj11Xj2Yj2Zj21Xj3Yj3Zj31Xj4Yj4Zj41Xj5Yj5Zj511θ1Bj-θ1Cj0-θ1Bj1θ1Aj0θ1Cj-θ1Aj10δ1Xjδ1Yjδ1Zj1---(3)]]>δ1Xjδ1Zjθ1Ajθ1Bjθ1Cj=01Yj10-Xj101Yj20-Xj201Yj30-Xj3100-Yj4Zj4100-Yj5Zj5-1δj1δj2δj3δj4δj5---(4)]]>Δ1=1N1Σ1N1δ1Xjδ1Zjθ1Ajθ1Bjθ1Cj---(5)]]>式中上標1代表第一種方式；下標jx代表第j個選擇組中的第x個位移傳感器；Xjx，Yjx，Zjx分別代表相應(yīng)位移傳感器的測量點空間坐標值；δjx代表相應(yīng)傳感器的測量值；Δ1為方案(1)的五種變形量的矩陣表示；根據(jù)剛度計算公式，結(jié)合公式(1)，按照公式(9)計算出第一種方式中的五種靜剛度：R＝F·Δ1-1(9)3.2第二種方式為：所述位移傳感器組5有n個位移傳感器，n≥5，安裝i個位移傳感器，使i個位移傳感器均垂直于下夾具9上表面，以該傾斜的上表面為基準測量導軌副在該方向上的相對變形量，i≥2；安裝n-i個位移傳感器，使n-i個位移傳感器均垂直于基準板11的測量基準面，測量導軌副在該方向上的相對變形量，并確保至少3個位移測量點不在同一直線上，n-i≥3，試驗有個選擇組；在第二種方式中，根據(jù)公式(2)，在N2個選擇組中，第j個選擇組的感器測點坐標矩陣可表示為公式(6)；五個方向的位移分量如公式(7)；所有選擇組平均位移分量如公式(8)：P2=P1ΔT=Xj1Yj1Zj11Xj2Yj2Zj21Xj3Yj3Zj31Xj4Yj4Zj41Xj5Yj5Zj511θ2Bj-θ2Cj0-θ2Bj1θ2Aj0θ2Cj-θ2Aj10δ2Xjδ2Yjδ2Zj1---(6)]]>δ2Xjδ2Zjθ2Ajθ2Bjθ2Cj=01Yj10-Xj101Yj20-Xj2100-Yj3Zj3100-Yj4Zj4100-Yj5Zj5-1δj1δj2δj3δj4δj5---(7)]]>Δ2=1N2Σ1N2δ2Xjδ2Zjθ2Ajθ2Bjθ2Cj---(8)]]>式中上標2代表第二種方式；下標jx代表第j個選擇組中的第x個位移傳感器；Xjx，Yjx，Zjx分別代表相應(yīng)位移傳感器的測量點空間坐標值；δjx代表相應(yīng)傳感器的測量值；Δ2為方案(2)的五種變形量的矩陣表示。根據(jù)剛度計算公式，結(jié)合公式(1)，按照公式(10)計算出五種靜剛度：R＝F·Δ2-1(10)3.3如果根據(jù)剛度計算公式，同時計算出垂直、側(cè)向、俯仰、偏擺及傾斜靜剛度，即當上夾具上分布安裝位移傳感器個數(shù)滿足i>3且n-i>3時，兩種方式同時存在，五個方向的變形量取兩種方式的平均值，根據(jù)剛度計算公式(11)，結(jié)合公式(1)，即同時計算出五種靜剛度：兩種方案同時存在：R＝2F·(Δ1+Δ2)-1(11)式中R為測得五種靜剛度的矩陣表示：R=RXRZRARBRC]]>RX為側(cè)向靜剛度；RZ為垂直靜剛度；RA為俯仰靜剛度；RB為偏擺靜剛度；RX為傾斜靜剛度。所述位移傳感器組5分布最優(yōu)方案可以(以第一種方式為例進行說明)為：選用6個位移傳感器，其中4個位移傳感器垂直于下夾具9的傾斜表面，并確保任意3個位移測量點不在同一直線上；2個位移傳感器垂直于基準板11的測量基準面，選取5個組成一組，試驗選擇組為4，保證實驗準確性同時試驗數(shù)據(jù)量適中：為能減少設(shè)計參數(shù)，方便研究計算，便于優(yōu)化測量裝置結(jié)構(gòu)，在安排傳感其安裝具體位置時，優(yōu)先選擇對稱布置方式。結(jié)合圖4，根據(jù)上述的位移傳感器布置方案，舉例說明對稱安裝5個位移傳感器組成一個試驗選擇組，其中5個測量點坐標分別為51:(A,-B,-C)、52:(A,B,-C)、53:(-A,B,-C)、54:(-D,0,F)、55:(-D,-E,-F)，傳感器測點用規(guī)格化齊次坐標矩陣表示，根據(jù)坐標變換原理，則有:P2=P1ΔT=A-B-C1AB-C1-AB-C1-D0F1-D-E-F11θB-θC0-θB1θA0θC-θA10δXδYδZ1---(12)]]>根據(jù)公式(2)，該選擇組，五個方向的位移分量如公式(13)。δXδZθAθBθC=01-B0-A01B0-A01B0A1000F100E-F-1δ1δ2δ3δ4δ5---(13)]]>當前第1頁1 2 3