直線導(dǎo)軌副五種靜剛度綜合測(cè)量裝置及其方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種可同時(shí)測(cè)量直線導(dǎo)軌副垂直、側(cè)向、俯仰、偏擺和傾斜靜剛度的裝置及方法。本發(fā)明的下夾具固定在水平臺(tái)面板上，其上表面相對(duì)水平面傾斜θ角，并安裝有基準(zhǔn)板和導(dǎo)軌；上夾具固定安裝于滑塊上表面，并安裝用于測(cè)量導(dǎo)軌副變形的位移傳感器組；加載裝置通過(guò)連接件連接力傳感器，力傳感器通過(guò)螺紋連接壓盤(pán)，從而使加載裝置帶動(dòng)壓盤(pán)下降，通過(guò)受力裝置，在上夾具施加一個(gè)豎直向下的偏心載荷F，將測(cè)得的變形量換算為五個(gè)方向的變形分量，將偏心載荷F分解為五種等效載荷分量。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了在一次加載中，同時(shí)測(cè)量導(dǎo)軌副的五種靜剛度，大幅提高直線導(dǎo)軌副靜剛度測(cè)評(píng)的效率，對(duì)導(dǎo)軌副多種靜剛度綜合測(cè)量裝置的研制和發(fā)展有重要意義。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
直線導(dǎo)軌副五種靜剛度綜合測(cè)量裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別是直線導(dǎo)軌副五種靜剛度綜合測(cè)量裝置及其方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 直線導(dǎo)軌副具有精度高、磨擦系數(shù)小、耐磨損等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于高精度數(shù)控機(jī)床 和加工中心。靜剛度是直線導(dǎo)軌副的重要指標(biāo)，是指導(dǎo)軌副承載恒定載荷時(shí)抵抗變形的能 力，導(dǎo)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(dǎo)軌副在實(shí)際工作中不只是受垂直載荷作用，尤其是在重型機(jī)床、有振動(dòng)和沖擊的機(jī) 床或工作速度較快的機(jī)床中，導(dǎo)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(shí)，垂直、側(cè)向、俯仰、偏擺及傾斜靜剛度指標(biāo)分別體現(xiàn)導(dǎo)軌副抵抗相應(yīng)方 向的位移變形的能力，對(duì)導(dǎo)軌副的精度和壽命等產(chǎn)生重要影響。雖然目前我國(guó)直線導(dǎo)軌副 垂直靜剛度測(cè)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(cè)量裝置的研制還 處于起步階段。
[0003] 檢索現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利公開(kāi)號(hào)CN103017992A，名稱(chēng)為直線導(dǎo)軌 副靜剛度測(cè)量裝置及方法，該專(zhuān)利介紹了一種通過(guò)更換裝夾組件來(lái)測(cè)量直線導(dǎo)軌副垂直、 傾斜、俯仰及偏擺靜剛度的試驗(yàn)裝置，該裝置根據(jù)所需測(cè)量靜剛度種類(lèi)的不同，改變安裝夾 具、載荷方向、和測(cè)點(diǎn)位置，進(jìn)而試驗(yàn)測(cè)得不同系列導(dǎo)軌副的垂直、傾斜、俯仰及偏擺靜剛度 曲線，該試驗(yàn)裝置需要多套夾具組件，測(cè)量直線導(dǎo)軌副靜剛度時(shí)，需要頻繁更換夾具，改變 裝夾方式，實(shí)驗(yàn)繁瑣效率低，并且容易引進(jìn)安裝誤差使測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利公開(kāi) 號(hào)CN104075886A，名稱(chēng)為模塊化直線導(dǎo)軌副結(jié)合部靜剛度測(cè)試方法與裝置，該專(zhuān)利介紹了 一種模塊化直線導(dǎo)軌副靜剛度測(cè)試裝置，通過(guò)三個(gè)定位孔單獨(dú)施加拉壓偏心載荷，分別測(cè) 量出直線導(dǎo)軌副多種靜剛度，該方法需要不斷轉(zhuǎn)換載荷施加方式，實(shí)驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)，并且沒(méi)考 慮多種載荷作用下，導(dǎo)軌副多種變形之間的耦合關(guān)系，不能保證測(cè)量結(jié)果的真實(shí)可靠性。中 國(guó)發(fā)明專(zhuān)利公開(kāi)號(hào)CN104034522A，名稱(chēng)為一種檢測(cè)直線導(dǎo)軌副靜剛度的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，該專(zhuān)利介 紹了一種測(cè)量直線導(dǎo)軌副靜剛度的裝置，該裝置通過(guò)三個(gè)螺孔分別施加垂直載荷、滾動(dòng)力 矩和水平載荷，移動(dòng)測(cè)試導(dǎo)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(shí)現(xiàn)了在多種載荷作用下直線導(dǎo)軌副的靜剛度檢測(cè)，但是難以保證多種載荷同時(shí)加載，實(shí) 驗(yàn)過(guò)程中無(wú)法避免裝置間隙導(dǎo)致的誤差，并且需移動(dòng)滑塊和壓板，不能保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的重 復(fù)性和準(zhǔn)確性。
[0004] 可見(jiàn)，目前直線導(dǎo)軌副多種靜剛度的測(cè)量方法不夠完善，均需改變導(dǎo)軌副裝夾方 式或施加載荷的方式，實(shí)驗(yàn)裝置復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)過(guò)程繁瑣，且將引入安裝間隙帶來(lái)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(cè)量結(jié)果的重復(fù)性和準(zhǔn)確性，給直線導(dǎo) 軌副靜剛度的全面測(cè)評(píng)工作帶來(lái)困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種操作簡(jiǎn)單，能在一次加載實(shí)驗(yàn)中，同時(shí)自動(dòng)精確測(cè)量 出導(dǎo)軌副垂直、側(cè)向、俯仰、偏擺和傾斜靜剛度的裝置及方法。
[0006] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:一種直線導(dǎo)軌副五種靜剛度綜合測(cè)量裝置及 其方法，包括加載裝置、力傳感器、壓盤(pán)、位移傳感器組、位移傳感器夾具、滑塊、導(dǎo)軌、下夾 具、臺(tái)面板、基準(zhǔn)板、上夾具、受力裝置，其中下夾具固定在水平臺(tái)面板上，該下夾具上表面 相對(duì)水平面傾斜Θ角，基準(zhǔn)板和導(dǎo)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(dǎo)軌上滑動(dòng)，滑塊和導(dǎo)軌為被測(cè)導(dǎo)軌副；加載裝 置通過(guò)連接件固定連接力傳感器，該力傳感器連接壓盤(pán)，從而使加載裝置帶動(dòng)壓盤(pán)升降，壓 盤(pán)擠壓安裝在上夾具上的受力裝置，給上夾具施加一個(gè)豎直向下的偏心載荷F，通過(guò)對(duì)與下 夾具上表面夾角為Θ的偏心載荷F分解和對(duì)位移傳感器組測(cè)量值的分離提起，可同時(shí)精確直 線導(dǎo)軌副垂直、側(cè)向、俯仰、偏擺和傾斜靜剛度。
[0007] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)：（1)下夾具上表面設(shè)計(jì)為斜面，導(dǎo)軌副及上 夾具固定安裝在下夾具上，壓盤(pán)通過(guò)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(gè)位移傳感器，優(yōu)選對(duì)稱(chēng)布置方式，簡(jiǎn)化了測(cè)量裝置，避免了在測(cè)量不同 種靜剛度時(shí)配套多種夾具工裝，降低導(dǎo)軌副靜剛度測(cè)評(píng)的成本;并且下夾具固定安裝有基 準(zhǔn)板，基準(zhǔn)板無(wú)需重復(fù)安裝，提高了測(cè)量基準(zhǔn)的一致性，最大程度的減小了基準(zhǔn)不重合和安 裝誤差，提高測(cè)量精度，使測(cè)量結(jié)果具有高重復(fù)性和準(zhǔn)確性。（2)對(duì)導(dǎo)軌副空間變形量建立 數(shù)學(xué)計(jì)算模型，數(shù)據(jù)處理過(guò)程規(guī)格化、程序化，將偏心載荷F分解為垂直、側(cè)向、俯仰、偏擺和 傾斜五種等效載荷分量，將測(cè)得的變形量換算為垂直、側(cè)向、俯仰、偏擺和傾斜五個(gè)方向的 變形分量，再通過(guò)靜剛度基本公式，從而實(shí)現(xiàn)了在一次加載中，同時(shí)測(cè)量導(dǎo)軌副的垂直、側(cè) 向、俯仰、偏擺和傾斜靜剛度，解決了目前國(guó)內(nèi)直線導(dǎo)軌副多種靜剛度不能同時(shí)測(cè)評(píng)的技術(shù) 問(wèn)題，大幅提高了垂直、側(cè)向、俯仰、偏擺和傾斜靜剛度測(cè)量效率，為進(jìn)一步推進(jìn)國(guó)內(nèi)導(dǎo)軌副 高剛性設(shè)計(jì)做出貢獻(xiàn)。（3)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(yuǎn)遠(yuǎn)小于被測(cè)導(dǎo)軌副的位移變形量，使位移傳感器測(cè)量值可準(zhǔn)確等效為導(dǎo)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(wèn)題，增強(qiáng)試 驗(yàn)裝置測(cè)評(píng)結(jié)果公信度。
[0008] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
【附圖說(shuō)明】
[0009] 圖1為本發(fā)明直線導(dǎo)軌副五種靜剛度綜合測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0010] 圖2為圖1的三維視圖。
[0011]圖3為載荷等效分解不意圖。
[0012] 圖4為位移傳感器組安裝示例圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013] 結(jié)合圖1和圖3,本發(fā)明直線導(dǎo)軌副五種靜剛度綜合測(cè)量裝置能夠同時(shí)測(cè)量直線導(dǎo) 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(pán)4、位移傳感器 組5、位移傳感器夾具6、滑塊7、導(dǎo)軌8、下夾具9、臺(tái)面板10、基準(zhǔn)板11、上夾具12、受力裝置 13,其中下夾具9固定在水平臺(tái)面板10上，該下夾具9上表面相對(duì)水平面傾斜Θ角，基準(zhǔn)板11 和導(dǎo)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(cè)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(dǎo)軌8上滑動(dòng)，滑塊7和導(dǎo)軌8為被測(cè)導(dǎo)軌 副;加載裝置1通過(guò)連接件2固定連接力傳感器3,該力傳感器3連接壓盤(pán)4,從而使加載裝置1 帶動(dòng)壓盤(pán)4升降，壓盤(pán)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(gè)豎直向下的偏心載荷F。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用性高，通過(guò)對(duì) 與下夾具9上表面夾角為Θ的偏心載荷F分解和對(duì)位移傳感器組5測(cè)量值的分離提起，可同時(shí) 精確直線導(dǎo)軌副垂直、側(cè)向、俯仰、偏擺和傾斜靜剛度。
[0014] 本發(fā)明在上夾具12上開(kāi)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(shí)心花崗巖，剛性和穩(wěn)定 性好。下夾具9上表面相對(duì)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(gè)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(duì)坐標(biāo)為(a，b)且a，b^30mm，可以選a = b = 40mm。
[0015] 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η個(gè)位移傳感器，η多5,安裝i個(gè)位移傳感器，使i個(gè)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(zhǔn)測(cè)量導(dǎo)軌副在該方向上的相對(duì)變形量，并確保至少3個(gè)位 移測(cè)量點(diǎn)不在同一直線上，i彡3;安裝n-i個(gè)位移傳感器，使n-i個(gè)位移傳感器均垂直于基準(zhǔn) 板11的測(cè)量基準(zhǔn)面，測(cè)量導(dǎo)軌副在該方向上的相對(duì)變形量，n-i多2,試驗(yàn)有％ 選擇組。
[0016] 第二種方式是位移傳感器組5有η個(gè)位移傳感器，η多5，安裝i個(gè)位移傳感器，使i個(gè) 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(zhǔn)測(cè)量導(dǎo)軌副在該方向上的 相對(duì)變形量，i多2;安裝n-i個(gè)位移傳感器，使n-i個(gè)位移傳感器均垂直于基準(zhǔn)板11的測(cè)量基 準(zhǔn)面，測(cè)量導(dǎo)軌副在該方向上的相對(duì)變形量，并確保至少3個(gè)位移測(cè)量點(diǎn)不在同一直線上， n-i彡3，試驗(yàn)有1? = if 個(gè)選擇組。
[0017] 結(jié)合圖1，本發(fā)明直線導(dǎo)軌副五種靜剛度綜合測(cè)量方法，步驟如下：
[0018] 第一步，下夾具9固定在水平臺(tái)面板10上，該下夾具9上表面相對(duì)水平面傾斜Θ角， 基準(zhǔn)板11和導(dǎo)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(dǎo)軌8上滑動(dòng)，滑塊7和導(dǎo)軌8為被測(cè)導(dǎo)軌副；加載裝置1通 過(guò)連接件2固定連接力傳感器3,該力傳感器3連接壓盤(pán)4,從而使加載裝置1帶動(dòng)壓盤(pán)4升降， 壓盤(pán)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(gè)豎直向下的偏心載荷F; 按照上述要求安裝被測(cè)導(dǎo)軌副，使壓盤(pán)4中心正對(duì)受力裝置13中心，夾緊位移傳感器組5,保 證測(cè)量期間不松動(dòng)。
[0019] 第二步，將力傳感器3與位移傳感器組5進(jìn)行標(biāo)定，并做回零初始化處理，根據(jù)樣本 手冊(cè)確定最大加載載荷和被測(cè)直線導(dǎo)軌副額定動(dòng)載荷，進(jìn)行預(yù)加載，消除各部件的間隙帶 來(lái)的誤差。
[0020] 第三步，在額定動(dòng)載荷量程范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，加載到導(dǎo)軌副額定動(dòng)載荷的20-60% 后，開(kāi)始卸載，過(guò)程中實(shí)時(shí)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。
[0021] 第四步，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)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(biāo)變換原理，建立由位移傳感器組 5所測(cè)變形量換算得到的變換矩陣的數(shù)學(xué)模型，并折算成垂直、側(cè)向、俯仰、偏擺及傾斜五個(gè) 方向的變形分量，再根據(jù)剛度計(jì)算公式，同時(shí)計(jì)算出垂直、側(cè)向、俯仰、偏擺及傾斜靜剛度， 具體過(guò)程如下。
[0022] 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(pán)4通過(guò)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(diǎn)，建立參考坐標(biāo)系，X軸垂直基準(zhǔn)板11基準(zhǔn)面，Y軸沿導(dǎo)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(diǎn)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Me:
[0023]
[0024] 2.根據(jù)坐標(biāo)變換原理，建立由位移傳感器組5所測(cè)變形量換算得到的變換矩陣的 數(shù)學(xué)模型，即位移傳感器組5的傳感器測(cè)點(diǎn)采用規(guī)格化齊次坐標(biāo)矩陣表示，根據(jù)坐標(biāo)變換原 理，則有：
[0025]
(2)
[0026]式中P!為無(wú)載荷時(shí)位移傳感器組5測(cè)點(diǎn)的規(guī)格化齊次坐標(biāo)矩陣；
[0027] P2為施加載荷時(shí)位移傳感器組5測(cè)點(diǎn)的規(guī)格化齊次坐標(biāo)矩陣；
[0028] δχ、δγ、δζ為分別為X、Y、Z方向的位移變化量；
[0029] ΘΑ為俯仰角；ΘΒ為偏擺角；為傾斜角。
[0030] 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(gè)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(shí)有以下方式：
[0031] 3.1第一種方式為:所述位移傳感器組5有η個(gè)位移傳感器，η多5，安裝i個(gè)位移傳感 器，使i個(gè)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(zhǔn)測(cè)量導(dǎo)軌副在 該方向上的相對(duì)變形量，并確保至少3個(gè)位移測(cè)量點(diǎn)不在同一直線上，i多3;安裝n-i個(gè)位移 傳感器，使n-i個(gè)位移傳感器均垂直于基準(zhǔn)板11的測(cè)量基準(zhǔn)面，測(cè)量導(dǎo)軌副在該方向上的相 對(duì)變形量，n-i>2,試驗(yàn)有巧=個(gè)選擇組；
[0032] 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(gè)方向的變形分量的折算模型，根據(jù)公式(2)，在他個(gè)選擇組中，第j個(gè)選擇組的感器測(cè)點(diǎn) 坐標(biāo)矩陣可表不為公式(3);五個(gè)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):
[0033]
[0034]
[0035]
[0036] 式中上標(biāo)1代表第一種方式；
[0037]下標(biāo)jx代表第j個(gè)選擇組中的第X個(gè)位移傳感器；
[0038] Xjx，Yjx，Zjx分別代表相應(yīng)位移傳感器的測(cè)量點(diǎn)空間坐標(biāo)值；
[0039] δ」χ代表相應(yīng)傳感器的測(cè)量值；
[0040] △ i為方案（1)的五種變形量的矩陣表示；
[0041] 根據(jù)剛度計(jì)算公式，結(jié)合公式（1)，按照公式(9)計(jì)算出第一種方式中的五種靜剛 度：
[0042] R=F · ΔΓ1 (9)
[0043] 3.2第二種方式為:所述位移傳感器組5有η個(gè)位移傳感器，η多5,安裝i個(gè)位移傳感 器，使i個(gè)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(zhǔn)測(cè)量導(dǎo)軌副在該 方向上的相對(duì)變形量，i多2;安裝n-i個(gè)位移傳感器，使n-i個(gè)位移傳感器均垂直于基準(zhǔn)板11 的測(cè)量基準(zhǔn)面，測(cè)量導(dǎo)軌副在該方向上的相對(duì)變形量，并確保至少3個(gè)位移測(cè)量點(diǎn)不在同一 直線上，n-i彡3，試驗(yàn)有馬=Cf 個(gè)選擇組；
[0044] 在第二種方式中，根據(jù)公式(2)，在犯?jìng)€(gè)選擇組中，第j個(gè)選擇組的感器測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)矩 陣可表不為公式（6);五個(gè)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)：
[0045] (6)
[0046]
[0047]
[0048] 式中上標(biāo)2代表第二種方式；
[0049] 下標(biāo)jx代表第j個(gè)選擇組中的第X個(gè)位移傳感器；
[0050] Xjx，Yjx，2>分別代表相應(yīng)位移傳感器的測(cè)量點(diǎn)空間坐標(biāo)值；
[0051] δ」χ代表相應(yīng)傳感器的測(cè)量值；
[0052] Δ2為方案(2)的五種變形量的矩陣表示。
[0053]根據(jù)剛度計(jì)算公式，結(jié)合公式(1)，按照公式(10)計(jì)算出五種靜剛度：
[0054] R=F.A2-1 (10)
[0055] 3.3如果根據(jù)剛度計(jì)算公式，同時(shí)計(jì)算出垂直、側(cè)向、俯仰、偏擺及傾斜靜剛度，即 當(dāng)上夾具上分布安裝位移傳感器個(gè)數(shù)滿(mǎn)足i>3且n_i>3時(shí)，兩種方式同時(shí)存在，五個(gè)方向的 變形量取兩種方式的平均值，根據(jù)剛度計(jì)算公式（11)，結(jié)合公式（1)，即同時(shí)計(jì)算出五種靜 剛度：
[0056] 兩種方案同時(shí)存在:R = 2F · ( Ai+A2)-1 (11)
[0057]
[0058] 式中R為測(cè)得五種靜剛度的矩陣表示：
[0059]
[0000] Rx為側(cè)向靜剛度；
[0061 ] Rz為垂直靜剛度；
[0062] Ra為俯仰靜剛度；
[0063] Rb為偏擺靜剛度；
[0064] Rx為傾斜靜剛度。
[0065]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(jìn)行說(shuō)明）為:選用6個(gè) 位移傳感器，其中4個(gè)位移傳感器垂直于下夾具9的傾斜表面，并確保任意3個(gè)位移測(cè)量點(diǎn)不 在同一直線上;2個(gè)位移傳感器垂直于基準(zhǔn)板11的測(cè)量基準(zhǔn)面，選取5個(gè)組成一組，試驗(yàn)選擇 組為4，保證實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性同時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)量適中：為能減少設(shè)計(jì)參數(shù)，方便研究計(jì)算，便于優(yōu)化 測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)，在安排傳感其安裝具體位置時(shí)，優(yōu)先選擇對(duì)稱(chēng)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(shuō)明對(duì)稱(chēng)安裝5個(gè)位移傳感器組成一個(gè)試驗(yàn)選擇組，其中5個(gè) 測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)分別為51:(厶，-8，-〇、52:(厶，8，-〇、53:(-厶，8，-〇、54 :(-0,0，卩）、55:(-0,4，-F)，傳感器測(cè)點(diǎn)用規(guī)格化齊次坐標(biāo)矩陣表示，根據(jù)坐標(biāo)變換原理，則有：
[0066]
(12)
[0067] 根據(jù)公式(2)，該選擇組，五個(gè)方向的位移分量如公式(13)。
[0068]
(13)
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種直線導(dǎo)軌副五種靜剛度綜合測(cè)量裝置，其特征在于包括加載裝置（1)、力傳感器 (3)、壓盤(pán)(4)、位移傳感器組(5)、位移傳感器夾具(6)、滑塊(7)、導(dǎo)軌(8)、下夾具(9)、臺(tái)面 板（10)、基準(zhǔn)板（11)、上夾具（12)、受力裝置（13)，其中下夾具(9)固定在水平臺(tái)面板（10) 上，該下夾具(9)上表面相對(duì)水平面傾斜Θ角，基準(zhǔn)板（11)和導(dǎo)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(dǎo)軌(8)上滑動(dòng)，滑塊(7)和導(dǎo)軌(8)為被測(cè)導(dǎo)軌副；加載裝置（1)通過(guò)連接件(2)固 定連接力傳感器(3)，該力傳感器(3)連接壓盤(pán)(4)，從而使加載裝置（1)帶動(dòng)壓盤(pán)(4)升降， 壓盤(pán)(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(gè)豎直向下的偏 屯、載荷F。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于在上夾具（12)上開(kāi)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。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于上夾具（12)上安裝位移傳感器組(5)，該位 移傳感器組巧)有η個(gè)位移傳感器，n>5,安裝i個(gè)位移傳感器，使i個(gè)位移傳感器均垂直于下 夾具(9)的上表面，W該傾斜的上表面為基準(zhǔn)測(cè)量導(dǎo)軌副在該方向上的相對(duì)變形量，并確保 至少3個(gè)位移測(cè)量點(diǎn)不在同一直線上，i>3;安裝n-i個(gè)位移傳感器，使n-i個(gè)位移傳感器均 垂直于基準(zhǔn)板（11)的測(cè)量基準(zhǔn)面，測(cè)量導(dǎo)軌副在該方向上的相對(duì)變形量，n-i>2,試驗(yàn)有個(gè)選擇組。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于上夾具（12)上安裝位移傳感器組(5)，該位 移傳感器組巧)有η個(gè)位移傳感器，n>5,安裝i個(gè)位移傳感器，使i個(gè)位移傳感器均垂直于下 夾具(9)上表面，W該傾斜的上表面為基準(zhǔn)測(cè)量導(dǎo)軌副在該方向上的相對(duì)變形量，安 裝n-i個(gè)位移傳感器，使n-i個(gè)位移傳感器均垂直于基準(zhǔn)板（11)的測(cè)量基準(zhǔn)面，測(cè)量導(dǎo)軌副 在該方向上的相對(duì)變形量，并確保至少3個(gè)位移測(cè)量點(diǎn)不在同一直線上，n-i>3,試驗(yàn)有t選擇組。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于下夾具（9)上表面相對(duì)水平面傾斜角Θ在 30°-45° 之間。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于在上夾具（12)施加一個(gè)豎直向下的偏屯、載 荷F，載荷作用位置與上夾具（12)中屯、相對(duì)坐標(biāo)為(a，b)且a，b > 30mm。7. -種直線導(dǎo)軌副五種靜剛度綜合測(cè)量方法，其特征在于步驟如下： 第一步，下夾具（9)固定在水平臺(tái)面板（10)上，該下夾具（9)上表面相對(duì)水平面傾斜Θ 角，基準(zhǔn)板（11)和導(dǎo)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(dǎo)軌(8)上滑動(dòng)，滑塊(7)和導(dǎo) 軌(8)為被測(cè)導(dǎo)軌副;加載裝置（1)通過(guò)連接件(2)固定連接力傳感器(3)，該力傳感器(3)連 接壓盤(pán)(4)，從而使加載裝置（1)帶動(dòng)壓盤(pán)(4)升降，壓盤(pán)(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(gè)豎直向下的偏屯、載荷F;按照上述要求安裝被測(cè)導(dǎo)軌 畐IJ，使壓盤(pán)(4)中屯、正對(duì)受力裝置(13)中屯、，夾緊位移傳感器組(5)，保證測(cè)量期間不松動(dòng)； 第二步，將力傳感器(3)與位移傳感器組(5)進(jìn)行標(biāo)定，并做回零初始化處理，根據(jù)樣本 手冊(cè)確定最大加載載荷和被測(cè)直線導(dǎo)軌副額定動(dòng)載荷，進(jìn)行預(yù)加載，消除各部件的間隙帶 來(lái)的誤差； 第Ξ步，在額定動(dòng)載荷量程范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，加載到導(dǎo)軌副額定動(dòng)載荷的20-60%后， 開(kāi)始卸載，過(guò)程中實(shí)時(shí)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(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和參數(shù)分離，即將上夾具（12)受到的偏屯、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(biāo)變換原理，建立由位移傳感器組 (5)所測(cè)變形量換算得到的變換矩陣的數(shù)學(xué)模型，并折算成垂直、側(cè)向、俯仰、偏擺及傾斜五 個(gè)方向的變形分量，再根據(jù)剛度計(jì)算公式，同時(shí)計(jì)算出垂直、側(cè)向、俯仰、偏擺及傾斜靜剛 度。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于將上夾具（12)受到的偏屯、載荷F，等效分解 為垂直、側(cè)向、俯仰、偏擺及傾斜載荷分量，即壓盤(pán)(4)通過(guò)受力裝置（13)施加集中載荷到上 夾具（12)上，W上夾具（12)的幾何中屯、為原點(diǎn)，建立參考坐標(biāo)系，X軸垂直基準(zhǔn)板（11)基準(zhǔn) 面，Υ軸沿導(dǎo)軌安裝方向，Ζ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(diǎn)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Μα、偏擺扭矩Mb和傾斜扭 矩Me:9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于根據(jù)坐標(biāo)變換原理，建立由位移傳感器組 (5)所測(cè)變形量換算得到的變換矩陣的數(shù)學(xué)模型，即位移傳感器組(5)的傳感器測(cè)點(diǎn)采用規(guī) 格化齊次坐標(biāo)矩陣表示，根據(jù)坐標(biāo)變換原理，則有：(2) 式中Pi為無(wú)載荷時(shí)位移傳感器組巧)測(cè)點(diǎn)的規(guī)格化齊次坐標(biāo)矩陣； P2為施加載荷時(shí)位移傳感器組巧)測(cè)點(diǎn)的規(guī)格化齊次坐標(biāo)矩陣； δχ、δ Y、δζ為分別為X、Y、Z方向的位移變化量； 9α為俯仰角;Θβ為偏擺角;0C為傾斜角。10. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于位移傳感器組(5)安裝在上夾具（12)時(shí)有 W下方式： 第一種方式為:所述位移傳感器組(5)有η個(gè)位移傳感器，η > 5，安裝i個(gè)位移傳感器，使 i個(gè)位移傳感器均垂直于下夾具(9)的上表面，W該傾斜的上表面為基準(zhǔn)測(cè)量導(dǎo)軌副在該方 向上的相對(duì)變形量，并確保至少3個(gè)位移測(cè)量點(diǎn)不在同一直線上，i>3;安裝n-i個(gè)位移傳感 器，使n-i個(gè)位移傳感器均垂直于基準(zhǔn)板（11)的測(cè)量基準(zhǔn)面，測(cè)量導(dǎo)軌副在該方向上的相對(duì) 變形量，n-i > 2，試驗(yàn)有馬錢(qián)孩個(gè)選擇紀(jì)； 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(gè)方向的變形分量的折算模型，根據(jù)公式(2)，在化個(gè)選擇組中，第j個(gè)選擇組的感器測(cè)點(diǎn)坐 標(biāo)矩陣可表示為公式(3);五個(gè)方向的位移分量如公式(4);所有選擇組平均位移分量如公 式化式中上標(biāo)1代表第一種方式； 下標(biāo)扣代表第j個(gè)選擇組中的第X個(gè)位移傳感器； Xjx，Yjx，Zjx分別代表相應(yīng)位移傳感器的測(cè)量點(diǎn)空間坐標(biāo)值； δ jx代表相應(yīng)傳感器的測(cè)量值； A 1為第一種方式的五種變形量的矩陣表示； 根據(jù)剛度計(jì)算公式，結(jié)合公式(1)，按照公式(9)計(jì)算出第一種方式中的五種靜剛度： R=F · Δι-ι (9) 第二種方式為:所述位移傳感器組(5)有η個(gè)位移傳感器，η>5,安裝i個(gè)位移傳感器，使 i個(gè)位移傳感器均垂直于下夾具(9)上表面，W該傾斜的上表面為基準(zhǔn)測(cè)量導(dǎo)軌副在該方向 上的相對(duì)變形量，i > 2;安裝n-i個(gè)位移傳感器，使n-i個(gè)位移傳感器均垂直于基準(zhǔn)板（11)的 測(cè)量基準(zhǔn)面，測(cè)量導(dǎo)軌副在該方向上的相對(duì)變形量，并確保至少3個(gè)位移測(cè)量點(diǎn)不在同一直 線上，n-i > 3，試驗(yàn)有滾S:-終場(chǎng)如個(gè)選擇組； 在第二種方式中，根據(jù)公式(2)，在化個(gè)選擇組中，第j個(gè)選擇組的感器測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)矩陣可 表示為公式(6);五個(gè)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):式中上標(biāo)2代表第二種方式； 下標(biāo)扣代表第j個(gè)選擇組中的第X個(gè)位移傳感器； Xjx，Yjx，Zjx分別代表相應(yīng)位移傳感器的測(cè)量點(diǎn)空間坐標(biāo)值； δ jx代表相應(yīng)傳感器的測(cè)量值； A 2為第二種方式的五種變形量的矩陣表示。 根據(jù)剛度計(jì)算公式，結(jié)合公式(1)，按照公式(10)計(jì)算出五種靜剛度： R=F.A2-i (10) 如果根據(jù)剛度計(jì)算公式，同時(shí)計(jì)算出垂直、側(cè)向、俯仰、偏擺及傾斜靜剛度，即當(dāng)上夾具 上分布安裝位移傳感器個(gè)數(shù)滿(mǎn)足i〉3且n-i〉3時(shí)，兩種方式同時(shí)存在，五個(gè)方向的變形量取 兩種方式的平均值，根據(jù)剛度計(jì)算公式(11)，結(jié)合公式(1)，即同時(shí)計(jì)算出五種靜剛度： 兩種方案同時(shí)存在:R=2F · (Δ1+Δ2ΓΙ (11) 式中R為測(cè)得五種靜剛度的矩陣表示。
【文檔編號(hào)】G01M5/00GK105973550SQ201610361526
【公開(kāi)日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年5月26日
【發(fā)明人】王禹林, 李作康, 歐屹, 馮虎田
【申請(qǐng)人】南京理工大學(xué), 張家港斯克斯精密機(jī)械科技有限公司