滚动导轨结合面动态特性参数识别系统及识别方法

摘要

一种滚动导轨结合面动态特性参数识别系统及控制方法，为双导轨连接板对称式结构，法向加压装置以及切向加压装置避免刚性接触，实现不同预压力状态的法向和切向动态参数的识别；基座由实验台以及与相应滚动导轨组对应的可换调整块组成；实验台上设有O型槽或对称的凹槽结构，不同规格的可换调整块与实验台连接的安装位置一致，每组可换调整块对称安装在试验台上，一侧紧靠在试验台上的凹槽加工侧面上，保证其平行度，定位可换调整块；实现了一个实验台不同预压力状态的多导轨、多连接板的单自由度系统设计，完成了法向和切向结合面参数的识别；排除了实验装置本身的影响。可靠的控制方法和数据处理系统使得该实验系统更加完善。

说明书

技术领域

本发明为一种获取通用性结合面基础特性参数的试验识别系统，涉及不同规格、型号的滚动导轨在不同预压力状态下的结合面特性参数识别。

背景技术

数控机床是要求非常高的精密、高效、柔性化、自动化加工设备，机械结构非常复杂，其设计技术涉及很多学科领域，刚度模型很难准确反映实际状况，主要原因是结合面对机床整机动态特性的影响非常明显，组成机床零部件的结合面的动态特性具有非线性、多因素相关、依附机械系统等特点，其刚度、阻尼等参数难以精确确定。据统计，机床上出现振动问题有60％以上是源自结合面，界面弹性对机床结构总柔度的贡献达40～60％，阻尼值90％以上来自于结合部的阻尼。承载能力大，精度高，调速范围宽的直线滚动导轨副在数控机床的床身、工作台、立柱上下工作台广泛应用。导轨副结合面的动态特性就成了机床动态特性的关键因素。而且以点接触的滚动导轨副结合面相对于滑动导轨及其它结合面刚度差，成为了数控机床的薄弱环节，因此对滚动导轨结合面的研究成为了数控机床的关键因素。

虽然滚动导轨的生产厂家不同，型号各异，但是基本的安装尺寸对于同一规格而言基本一致，现在广大学者一致认可结合部等效为若干弹簧和阻尼器的动力学模型。获得通用性的结合面基础特性数据，提取结合部刚度和阻尼的基础特性数据，成为了精密数控机床动态解析和结构优化的重要技术。

随着电子测试技术的发展，频域的振动测试技术取得了很大的进步。以双通道跟踪滤波技术为基础的“机械阻抗测试仪”和以数字相关技术为基础的“频率特性分析仪”，“数据采集卡”的发展，使机械阻抗的研究更加成熟。

发明内容

本发明的目的是提供一种滚动导轨结合面动态特性参数识别系统及其识别方法，为数控机床结构的快速优化、动态解析提供重要的参数数据。

本发明是采用以下技术手段实现的：

一种滚动导轨结合面动态特性识别系统，包括基座、施耐博格导轨组、连接板、导轨夹具装置、法向加压装置、切向加压装置、驱动执行模块七部分组成；动态特性识别装置整体为双导轨连接板对称式结构，所述的法向加压装置以及切向加压装置针对不同预压力的结合面特性进行法向和切向动态参数的识别；

以实验台的对称中心面为中心左右对称；基座由实验台以及与相应滚动导轨组对应的可换调整块组成；实验台上设有O型孔和对称的凹槽结构，不同规格的可换调整块定位螺纹孔的位置与实验台连接的安装位置一致，每组可换调整块对称安装在试验台上，其定位面紧靠在试验台上的凹槽加工侧面上，保证其平行度，定位可换调整块；

所述的滚动导轨组由不同规格的导轨和滑块组成，导轨一侧通过有精度保证的实验台凹槽的加工侧面，与可换调整块连接，滑块与导轨配合构成导轨副；

所述的连接板的两翼的重心作用面与导轨副结合面同高，连接板法向和侧向设有对称的中心孔，连接板与滑块连接；

所述的导轨夹具装置通过调节螺栓、螺母、橡胶垫在实验台O型槽的位置调整夹具的作用中心，使其作用于导轨的重心面；

所述的识别装置还进一步设有检测模块、信号通道模块、动态信号频谱分析处理模块；其中，

检测模块包括阻抗头的力传感器、加速度传感器、采振点加速度传感器，采振点加速度传感器以连接板的几何中心为中心在连接板和导轨上均匀布置，检测模块的信号通过电荷放大器的处理送到动态信号分析处理模块；

信号通道模块包括电荷放大器、功率放大器，动态信号频谱分析处理模块包括数据采集卡、计算机；动态信号频谱分析处理模块产生纯随机激励信号和快速正弦扫频两种激励信号经功率放大器的放大处理，作用到激振器产生相应的激励信号，用于粗扫和精扫；

所述的驱动执行模块，包括激振器、阻抗头、连接板和导轨组，激振器通过激振杆与阻抗头连接，阻抗头则粘贴或吸贴在连接板的法向中心线的表面处或与导轨结合面水平的连接板侧面中心线处，由激振器产生的激振力作用于连接板上。

前述的导轨夹具装置通过调节螺栓、螺母、橡胶垫在实验台O型槽的位置调整夹具的作用中心，使其作用于导轨的重心面。

前述的切向加压装置采用对称的结构，通过连接板的螺纹连接和橡胶圈对导轨组加压。

一种滚动导轨动态特性识别方法，包括以下步骤：

1.将相应的可换调整块、滚动导轨组，及连接板安装好，布置阻抗头和加速度传感器，用两根软绳将激振器头挂起，调整激振器，通过激振杆对正阻抗头；

2.动态信号频谱分析模块产生激励信号，经功率放大器调理后，作用到激振器上，阻抗头上的力传感器测得法向或切向激振力f，连接板上的加速度传感器测得位移信号为X，导轨上传感器测得的位移信号为X_s，这些信号经电荷放大器B1调理后将送到动态信号频谱分析处理模块处理；

3.该装置等效为一个具有有效质量M_e、等效阻尼C_e、等效刚度K_e的单自由度系统的频响函数，由公式①得到滚动导轨副的动态特性频响函数：

式中：H_e(w)为该装置的等效单自由度系统的频响函数；、H_x(w)为导轨副的相对振动频响函数、导轨副重心处的频响函数；m为主振质量；k为调节系数；

$H_{{x-x}_s}\left(w\right)=\frac{X\left(w\right)-X_s\left(w\right)}{F\left(w\right)}$         ②

H_x(w)＝X(w)/F(w)    ③

4.根据产生的等效单自由度系统频谱曲线，如公式①所示，由峰值共振法、半功率带宽识别方法得到公式等效刚度系数K_e，等效阻尼系数C_e：

K_e＝km(2πf_n)²      ④

C_e＝2πkmΔf        ⑤

式中：f_n为等效单自由度系统的固有频率；Δf为半功率带宽；k为调节系数；单个滚动导轨副的刚度与阻尼系数为：

K＝K_e/2             ⑥

C＝C_e/2             ⑦。

本发明在结合面刚度与阻尼系数与现有技术有突出的优点：

(1)实验装置简单可靠，安装方便，实现了机械结构无样机分析与设计，为动态解析提供重要的基础数据。双导轨连接板设计，导轨的夹具装置，提高了动态特性参数的识别精度；实验装置中的加压装置避免了刚性接触对实验结果的影响，实现了分析压力对法向和切向结合面动态特性的影响；

(2)单自由度实验分析模型使实验的复杂程度大为下降，通过调节系数k容易获得与理论单自由度频响函数曲线一致的实测频响函数曲线，影响识别精度的干扰因素在单自由度系统中也比在多自由度系统中更容易排除，获得高信噪比的等效单自由度系统的实测频响函数曲线；

(3)测量结合面处相对振动的频响函数，排除了实验装置其它部分对主体部分的影响，实现了法向和切向动态特性参数的识别；

(4)实现了多通道动态信号处理分析，减少了实验误差，提高了结合面刚度和阻尼系数的识别精度；

(5)可换调整块与连接板一一对应，保证了实验装置作用中心在结合面上，实现了一个实验台，不同厂家多种类型，多种型号的导轨动态信号参数精确识别实验，经济实惠。

附图说明

图1是装配图；

图2是MRB65型可换调整块；

图3是MRB65型连接板；

图4是MRA55可换调整块；

图5是MRA55型的连接板；

图6是MRA45型可换调整块；

图7是M RA45型连接板；

图8是MRA35型可换调整块；

图9是MRA35型连接板；

图10是试验台的主视图；

图11是实验台的俯视图；

图12是试验台的左视图；

图13是控制系统图；

图14是滚动导轨动态特性识别实验装置的工作原理示意图。

图中1、实验台，2、MRB65型可换调整块，3、MRA55型可换调整块，4、MRA45型可换调整块，5、MRA35型可换调整块，6、导轨，7、滑块，8、MRB65型连接板，9、MRA55型连接板，10、MRA45型连接板，11、MRA35型连接板，12、螺栓，13、螺母，14、橡胶垫，15、双头螺柱，16、加压螺母，17、橡胶圈，18、加压螺栓，19、橡胶圈，A、检测模块，B、信号通道模块，C、动态信号分析处理模块，A1、力传感器，A2、速度传感器，A3、采振点加速度传感器，B1、电荷放大器，B2、功率放大器，C1、数据采集卡，C2、计算机，A4、激振器，A5、阻抗头。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明实验装置如图1所示，由导轨6和滑块7组成的滚动导轨组在本发明装置中对应施耐博格滚动导轨组MRB65型、MRA55型、MRA45型、MRA35型四种型号。整体采用对称式结构，以实验台1的对称中心面为中心左右对称，包括基座、滚动导轨组、连接板、导轨夹具装置、法向加压装置、切向加压装置、驱动执行模块七部分组成，其中：

基座由施耐博格滚动导轨组MRB65型、MRA55型、MRA45型、MRA35型分别对应的可换调整块以及实验台1组成，可换调整块在本实验装置中对应2为可换调整块MRB65型、3为可换调整块MRA55型、4为可换调整块MRA45型、5为可换调整块MRA35型。

实验台1通过地脚螺栓固定在试验平台上，其高度为60mm，一组可换调整块用四排沉头螺钉安装在实验台1上，一面紧靠在实验台1上的凹槽加工侧面上，保证其平行度，用来定位可换调整块；滚动导轨组由导轨6和滑块7组成，导轨6通过沉头螺钉与可换调整块连接，滑块7与导轨6配合构成导轨副。可换调整块为了适应不同导轨副的使用，其对应试验台上的安装螺纹孔一致，但其对应相应导轨的定位安装螺纹孔的大小和位置不同。实验台1的结构如图10、11、12所示，如图2所示，2为可换调整块MRB65型；如图4所示3为可换调整块MRA55；如图6所示，4为可换调整块MRA45型；如图8所示，5为MRA35型可换调整块。

连接板根据相应型号的滚动导轨组包括MRB65型连接板8、MRA55型接板9、MRA45型连接板10、MRA35型连接板11，其分别与滚动导轨组MRB65型、MRA55型、MRA45型、MRA35型对应。滚动导轨组对应的滑块7通过螺栓与连接板相连，连接板的U型设计，其两翼一方面调节实验装置的重心与结合面重合，另一方面可以进行切向激振实验，但必须保证其连接板刚度的前提下。MRB65型连接板8如图3所示，MRA55连接板9如图5所示，MRA45型连接板10如图7所示，MRA35型连接板11如图9所示。

导轨夹具装置由螺栓12、螺母13、橡胶垫14组成，螺栓12与橡胶垫14粘结，导轨夹具装置通过螺栓12、螺母13、橡胶垫14在实验台1的O型槽的位置共同调节夹具体的作用中心，使其作用于导轨的重心面，O型槽适用于不同导轨副的结合面连接处。

加压装置采用对称的结构形式，使其作用中心线与对称分布的导轨副的中心线重合，预留出激振器A4的位置避免干涉。法向加压装置由双头螺柱15、加压螺母16、橡胶圈17组成，双头螺柱15通过连接板连接到实验台1上，橡胶圈17穿过双头螺柱15与连接板接触，加压螺母16通过双头螺柱15加压于导轨结合面；

切向加压装置由加压螺栓18、橡胶圈19组成，加压螺栓通过连接板的螺纹连接和橡胶圈19作用于导轨组结合面处；

滚动导轨结合面动态特性参数识别系统的驱动执行机构有激振器A4、阻抗头A5、连接板和导轨组，激振器(A4)通过激振杆与阻抗头(A5)连接，阻抗头则粘贴或吸贴在连接板的法向中心线的表面处或与导轨结合面水平的连接板侧面中心线处，激振器A4通过激振杆与阻抗头A5连接，由激振器(A4)产生的激振力作用于连接板上，导轨副结合面将产生相应的微小位移。

滚动导轨结合面动态特性参数识别系统的控制系统如图13所示，包括检测模块A、信号通道模块B、动态信号分析处理模块C，检测模块A包括阻抗头A5的力传感器A1、加速度传感器A2，采振点加速度传感器A3，采振点加速度传感器A3以连接板的几何中心为中心在连接板和导轨上均匀布置，测试激励响应的频响函数，信号通道模块B包括电荷放大器B1、功率放大器B2，动态信号分析处理模块C包括数据采集卡C1、计算机C2。动态信号分析处理模块产生正弦扫频信号经功率放大器A2的放大处理，作用到激振器产生正弦激励信号，相应的检测模块A激励响应的信号通过电荷放大器B 1的处理送到动态信号分析处理模块进行后处理。

请参阅图14所示，该滚动导轨动态特性识别实验装置的工作方法和工作原理如下：

1)用两根软绳将激振器头挂起，将实验台、可换调整块、滚动导轨副，及连接板搭建好，布置阻抗头和加速度传感器，控制调整激振器使激振杆对中阻抗头A5；

2)控制动态信号频谱分析模块产生大频率范围内的纯随机激励信号，经功率放大器B2调理后，作用到激振器A4上，力传感器A1测得法向或切向激振力f，连接板上的加速度传感器测得位移信号为X，导轨上传感器测得的位移信号为X_s，这些信号经电荷放大器B1调理将送到动态信号频谱分析模块处理，原理如图14所示，结合部等效为弹簧和阻尼器的动力学模型，该系统的运动方程为：

$m\stackrel{··}{x}\left(t\right)+C_e(\stackrel{·}{x}\left(t\right)-{\stackrel{·}{x}}_s\left(t\right))+K_e(x\left(t\right)-x_s\left(t\right))=f\left(t\right)$⑧

式中：m为系统的主振质量，K_e、C_e为结合面的等效刚度与阻尼系数。等效为单自由度系统的频响函数为：

H_e(w)＝1/(-M_ew²+jwC_e+K_e)    ⑨

3)动态信号频谱分析模块处理过程如下：

I)由力传感器、加速度传感器测得的响应信号经过电荷放大器调理后进行频谱分析得到响应的频响函数、H_x(w)，分别为导轨副的相对振动频响函数，导轨副重心处的频响函数；

II)该装置等效简化为一个具有有效质量M_e、等效阻尼C_e、等效刚度K_e的单自由度系统频响函数，其它部分结合面的刚度远远大于此几何面的刚度，忽略不计。公式⑨为该实验装置滚动导轨副的等效单自由度系统的动态特性频响函数；

III)由公式①的等效单自由度系统频谱曲线，根据峰值共振法估计通过频谱分析图得到较精细的频率带宽；

IV)针对这一小频率段控制动态信号频谱分析模块对该实验装置进行快速正弦激励，进行精扫，得出其等效单自由度系统的频谱分析图。根据峰值共振法由公式④得到该系统结合面的等效刚度K_e，再由半功率带宽识别法根据公式⑤得到该系统结合面的等效阻尼系数C_e，即两条导轨副的刚度和阻尼系数。单个滚动导轨副的刚度K_e与阻尼系数C公式⑥、⑦得出；

V)根据所给的导轨参数验证实验结果的正确，并调节加压装置压力，重复以上步骤，观察压力对结合面参数的影响。

以上所述仅为本发明的一个实例，只针对MRB65型、MRA55型、MRA45型、MRA35型四种施耐博格滚动导轨组设计其实验装置，我们还可对实验装置进行一些变换，以应用于其它型号、其它类型的滚动导轨的动态特性识别。只要其动态特性识别装置的机械结构设计思想以及整体控制思想同本发明所叙述的一致，均应视为本发明所包括的范围。