滚动直线导轨测控系统设计论文

滚动直线导轨测控系统设计论文（精选2篇）

1.滚动直线导轨测控系统设计论文 篇一

滚动直线导轨副因具有高精度、高速度及节能环保等优越性被广泛应用于精密机械, 成为数控机床、工业机器人以及各种测量仪器中不可或缺的一种重要功能部件[1]。其运动精度、摩擦、噪音、温升等性能直接影响到机床的加工精度及寿命。目前国际知名滚动直线导轨副厂家THK、NSK等均有先进的检测设备为其产品质量提供保证。因此, 滚动直线导轨副的精确检测对国内滚动功能部件及高档数控机床的发展具有重要意义[2]。

要实现滚动直线导轨副各项性能的准确测量, 合适的测量平台及测量方法至关重要。本文以现有试验设备为平台, 以Visual Basic为编程语言, 完成了滚动直线导轨副综合性能试验台测控系统软件的设计与开发, 实现了试验过程中数据采集、处理、保存、查询及打印输出的自动化与智能化。

1 测量装置

研制的滚动直线导轨副综合性能试验台如图1 所示[3], 可检测#35、#45、#55、#65 四种型号导轨的运动精度、加速度、振动、摩擦力、噪音、温升6 项基本性能。该试验台主要由5 个部分组成, 分别为: 床身部件、驱动系统、测试系统、控制系统以及防护系统。

驱动系统主要由直线电机和滑台构成, 由直线电机推动测试系统沿滑块运动方向作往复直线运动, 可有效保证滑块在运动过程中的平稳性。同时也可提高整个系统的高速、高加速性能。测试系统主要包括试验工装、传感器安装支架及导轨转接板, 其中导轨转接板作为运动精度测量的基准平面, 其精度高达5 um/4 m, 可有效保证测量数据的可靠性。控制系统采用西门子840Dsl数控系统, 用以控制电机的运动速度、加速度及起止位置等。防护系统由数控软限位、接触式限位开关以及防撞器构成, 通过多重保护来提高试验台实验过程中设备的安全性。试验装置结构图如图2 所示。

2 测控系统硬件设计

2.1 测试原理及硬件配置

1) 测量原理

滚动直线导轨副综合性能测试台由直线电机作驱动, 气浮导轨为主支撑, 通过滑台组件带动被测滑块沿导轨来回往复运动。同时由各传感器 ( 拉压力传感器、加速度传感器、振动传感器、噪声传感器、温度传感器、激光位移传感器) 及高速数据采集卡和工控机对电压信号进行数据采集及处理。其中, 拉力传感器、加速度传感器、振动传感器用高速数据卡采集, 传感器信号通过单端模拟量输入AI口传输至工控机[4]。为了排除测试过程中强电对信号的干扰以保证数据的准确性, 激光位移传感器采用USB采集, 噪音计和温度传感器采用RS232 串口采集。最后通过测试软件对信号进行滤波及处理并将处理结果以曲线的形式显示出来, 以实现导轨各项性能的实时测量及监测。其测量原理图如图3 所示。

2) 硬件配置

由于该试验台可针对高精度等级的导轨进行测量, 则要求以高精度的传感器为测量基础。表1 为滚动直线导轨副综合性能试验台传感器配置。

2.2 运动控制系统方式确定

该试验台的运动控制主要是针对直线电机的运动控制。其位置控制主要通过光栅尺测量系统实现闭环控制[5]。将光栅尺反馈的实际位置信号与数控系统输入的理论值进行比较, 从而对直线电机的位置进行校正。其控制原理为数控系统发送指令至驱动单元控制直线电机沿导轨作直线运动, 同时NC控制系统读取电机坐标值。当直线电机开始运动, 光栅尺将脉冲信号反馈给NC控制单元, NC控制单元将接收到的脉冲信号与设定的指令信号进行比较之后经驱动单元控制直线电机的运动, 从而实现电机位置的闭环控制。此外, 工控机通过PCI1784U运动控制卡对光栅尺进行脉冲计数, 由公式: 实际位移= 栅距×脉冲数可得到直线电机相对于零点的实际位置。其闭环控制流程如图4 所示。

3 测控系统软件设计

3.1 程序主要功能

由于该测试软件需要对滑块运动过程中导轨的各项性能参数进行实时采集及显示, 要求软件必须实现试验参数的设置、试验状态的实时监测、试验数据的采集及显示、试验数据的处理及结果保存、试验数据的查询、试验报表的输出与打印。本程序与VB6.0 为设计平台, 其程序主界面如图5 所示。

1) 监控警报功能。由于该试验装置由气浮导轨做主支撑, 因此需要对气浮气压做实时监测, 以防止气压低于标准值而导致主导发生损坏。

2) 参数设置功能。该试验台可检测#35、#45、#55、#65 四种不同型号的导轨, 通过参数设置对被测导轨的试验信息、导轨信息及环境参数进行保存, 以便最终查询及报表输出。

3) 数据采集功能。通过Timer控件读取板卡接收到的值, 采集的同时对数据进行滤波及均化处理以排除不正常的高信号或低信号, 然后对数据进行存储和实时显示并绘制各个传感器的原始数据曲线。其中曲线的绘制采用iocomp控件实现, 横坐标为滑块相对于绝对零点的位置, 纵坐标为传感器的数值, 如图6 所示。

4) 数据处理功能。数据采集完成后从数据库读取传感器的原始数据并对其进行计算以得到需要的结果, 并绘制结果曲线。

5) 数据存储功能。本程序的数据存储通过VB与Access数据库的对接来实现。分别建立试验人员信息表、参数表、原始数据表、结果数据表来存储不同试验阶段的数据以方便最终的查询与打印输出。人员信息表主要用以存储试验人员的个人信息及密码, 参数表主要用以存储每次试验的导轨信息及导轨重要参数等, 原始数据表主要用以存储试验过程中传感器直接采集且未通过处理分析的数据以方便后期查询及输出。结果数据表用以存储针对试验数据所给出的试验结果, 以便输出报表及后期查询。

6) 数据查询功能。试验结束后可在数据查询界面通过试验日期或导轨型号对试验原始数据及结果数据进行查询、删除、修改等。

7) 打印报表功能。试验结束后可在试验界面打印本次试验的报表, 也可通过查询界面对历史数据进行打印。报表包括试验参数、试验结果、试验曲线图片。

3.2 主程序流程图

系统主程序流程如图7 所示, 实验开始前先设置试验参数。进入试验界面后打开板卡、USB接口及RS232 接口并开始检测气浮气压是否达到设定值, 同时检测数控信号。数控系统控制电机找到零点位置后, 将传感器针对当前位置初始化。当数控开始执行数控程序时给工控机发送信号, 同时程序识别信号开始采集。采集完成后对原始数据进行数据处理得到最终结果。最后保存数据并打印输出, 至此完成一次试验由采集到输出结果的全部过程。

4 试验验证

为验证实验台测控系统的可行性, 现对国内某厂家#45 导轨运动精度进行试验检测, 分别在4 m / min、12 m / min、20 m / min的速度下进行检测, 其试验结果曲线如图8、图9、图10 所示。表2 为多次试验数据对比。

5 结语

针对滚动直线导轨副综合性能试验台对滚动直线导轨副综合性能的检测所需实现的功能问题进行了研究, 并提出了试验台测控系统的设计方案。由试验结果可看出试验数据具有较高的重复性, 其实验结果具有较高的可行度, 从而证明该方案的可行性, 可为滚动直线导轨副综合性能的研究提供较为可靠的试验基础并对相关领域的研究具有借鉴意义。

摘要：为了准确测量滚动直线导轨副的各项性能参数, 研制了滚动直线导轨副综合性能试验台的测控系统。该系统由传感器、工控机和数控系统组成, 可实时测量滑块在运动过程中的运动精度、加速度、振动、摩擦力、噪音及温度的变化情况。测量过程用西门子数控系统控制, 由传感器采集数据并通过数据采集卡将测量结果传输至工控机, 最后通过测量软件实时显示并保存采样数据。试验结果表明, 该系统完全能够满足高速、高精度数据采集要求。

关键词：滚动直线导轨副,综合性能,测控系统,软件设计

参考文献

[1]徐起贺, 陈静.滚动直线导轨副的研究现状及发展动向[J].河南机电高等专科学校校报, 2009, 17 (2) :1-3.

[2]李春梅, 冯虎田.直线导轨副摩擦力测控系统设计[J].机床与液压, 2010 (11) :76-79.

[3]周保安.基于ABAQUS的精密滚动直线导轨副测试台有限元分析[J].组合机床与自动化加工技术, 2014 (2) :24-27.

[4]李善文, 林辉.基于PCI1716的高速数据采集系统方案设计[J].仪器仪表学报, 2009 (4) :86-87.

2.剪板机滚动导轨设计中的几个问题 篇二

按照刀架运动方式分类,剪板机有闸式剪板机和摆式剪板机两类,它们都有广泛的应用。闸式剪板机已有很久的历史,但它刀架导轨的传统型式都是滑动导轨。直到上世纪70年代,在学习消化外国液压闸式剪板机的三点式滚动导轨的基础上,我国无论是液压的或是机械的闸式剪板机上都逐渐采用了三点式滚动导轨(以下简称滚动导轨),很快得到了推广普及。笔者根据本公司几年来生产剪板机的实践,对滚动导轨设计中的几个问题作了初步探讨。

2 滚动导轨的工作原理和优点

滚动导轨的出现是闸式剪板机的重大创新。它的工作原理如图1所示。滚动导轨有两组,分布在刀架的两侧。每组均由上滚轮1,前滚轮2和下滚轮3组成。在碟形弹簧组的作用下前滚轮压紧在刀架4上,使刀架紧贴上下滚轮,刀架就在两组滚动导轨中作上下往复直线运动。

与传统的滑动导轨相比,滚动导轨具有如下优点:

(1)滚动导轨在碟形弹簧作用下,消除了导轨间隙,提高了导向精度,保证了剪切质量。

(2)用滚动摩擦代替滑动摩擦,简化了导轨的润滑,导轨不会产生拉毛,几乎没有磨损,大大延长了导轨的使用寿命。

(3)滚动导轨只需转动上滚轮的偏心轴,就可以调整刀片间隙,实现快速调整,自动锁紧,直接显示刀片间隙值。

(4)避免了费时费力的滑动导轨刮削工序,简化了装配和维修。

综上所述,闸式剪板机采用滚动导轨结构即使原先的滑动导轨变为无间隙滚动导轨,又实现了刀片间隙的快速调整,是一举两得创新结构。极大地提高了闸式剪板机的使用性能,也为闸式剪板机实现数控化提供了良好的条件。

3 滚动导轨的受力分析

滚动导轨的基本结构早已定型,多年来没有重大变化。滚动导轨的受力分析在20世纪80年代国内已有人作出了论述[1,2],在这里予以简单介绍。

因为两组滚动导轨结构相同,可以只对一组进行分析。先作以下假设:刀架受最大剪切力时,此剪切力全部作用在一组滚动导轨上;一组滚动导轨承受作用在刀架上的回程缸作用力、平衡缸作用力和压料力均为其全部作用力的一半;不考虑刀架重量和摩擦力;不考虑刀架的前倾角,刀架作垂直运动。

图2为压料装置固定在刀架上的下传动机械剪板机滚动导轨在剪切时的受力简图,上传动机械剪板机和液压剪板机的滚动导轨受力与此相似,这里不再一一列出。从图中可以看到,P1,P2,P3为未知数,其余都是已知数。必须先确定前滚轮对刀架的作用,作为选择碟形弹簧组的依据。前滚轮的作用力必须保证刀架在上下往复直线运动的整个过程中上滚轮的作用力P1不等于零,即上滚轮必须始终贴紧刀架。为此,先假设P1=0,从而可以求出相应的P2最小值,即P2min。对B点取距得到:

考虑到上滚轮必须对刀架有一定的压力,以及超载等因素,至少应取P2=(1.3~1.4)P2min,并以此选择碟形弹簧组。

PAB是连杆对刀架的作用力,它分解为垂直作用力Py和水平作用力Px。Py用来克服剪切力Pj和压料力P0,即Py=Pj+P0。因此,剪切力Pj和压料力P0分别与Py形成力偶,对刀架产生逆时针方向的转矩。

确定了前滚轮作用力为P2后,分别对A点和B点取矩,求得P1和P3有:

液压剪板机由于油缸力都是垂直作用在刀架上,剪切和回程时受力都比较简单。机械剪板机的刀架在上下往复运动中连杆与刀架的夹角和方向都在变化,也随着曲轴转角的变化,P1和P3是不断变化的。为了简化计算,可以选取刀架在剪切回程时的几个点进行计算,确定P1、P3的最大值。另外,前滚轮的高度l3对P1和P3也有很大影响。因此,对以上几个设计变量只靠以上的计算往往不能得到理想的结果。而采用优化设计方法,从几组优化方案中可以选择到比较理想的一组方案。

4 刀片间隙调整的计算

前面已经讲过,滚动导轨优点之一是可以实现刀片间隙的快速调整,并直接显示刀片间隙值。现以本公司的机械剪板机上的刀片间隙调整和显示结构为例,说明其计算过程。图3是该结构的示意图。用手轮使螺杆1转动,由螺母3带动摆杆6使上滚轮偏心轴7回转,上滚轮8推动刀架以下滚轮为支点作摆动,从而调整刀片间隙。螺母3的移动量用另一个螺母2上的指针4在刻度板5上显示。

计算刀片间隙调整量时,先确定剪板机的刀片间隙调整范围,一般取刀片间隙为剪切板厚的10%,即刀片间隙调整范围为Δ=0.1(hmin~hmax)。在剪板机装配时,上滚轮偏心轴的偏心位于最高点,此时对应刀片间隙值为Δ/2,偏心轴向前向后旋转调整刀片间隙范围都是Δ/2,这样可以使刀片间隙值的读数误差较小。调整刀片间隙时,刀架绕B点摆动,刀片间隙值与上滚轮的水平偏移量x的对应关系如图4a所示,由相似三角形得到:

从图3可知,上滚轮8的水平偏移量x与螺母3的移动量y也是线性对应关系,如图4b,可得:

上式得到的是对应于刀片间隙范围为Δ/2的螺母移动量,而对应Δ的螺母移动量应为2y。选择适当的摆杆中心距l0,以使刻度清晰醒目。

这种结构也可以用带刻度盘的专用手轮直接显示刀片间隙值,这种专用手轮运用于批量生产的标准剪板机。有的剪板机用手轮或电机经减速移动上滚轮轴,其刀片间隙值用对应于转角的刻度盘显示,这种对应关系按正弦曲线变化,刻度是不等分的。有的剪板机下滚轮装在偏心轴上,通过一级齿轮减速转动偏心轴直接调整刀片间隙。因为也按正弦曲线变化,为了准确显示刀片间隙值,在小齿轮轴上装一凸轮,其应于大齿轮转角处的轮廓曲线将刀片间隙值放大一定的倍数。对凸轮进行检测即可在操作面板上显示刀片间隙值[3]。

5 碟形弹簧参数的确定

从图中可以看到,在调整刀片间隙时使前滚轮的碟形弹簧组工作高度也随之变化。当剪切板厚增大时,刀片间隙值相应增大,而碟形弹簧组的工作高度相应减小,弹簧力增大。反之,刀片间隙值减小时,碟形弹簧组的工作高度相应增大,弹簧力减小。这是符合我们的要求的。

从图4C中可以看到碟形弹簧组工作高度的变化量z与刀片间隙变化范围△之间的几何关系,即:

同样,上式得到的z值是相应与△/2的数值,碟形弹簧组工作高度总变化量为2z。根据得到的2z数值确定碟形弹簧组中碟形弹簧的数量,使平均分配到每个碟形弹簧的高度变化范围较小,即弹簧力的变化较小。当2z=0时,碟形弹簧的变形量约为f=0.75h0。

碟形弹簧材料的选择应在满足最大疲劳寿命的前提下获得最小的松弛量。国内生产的碟形弹簧虽说都是按照德国DIN2093标准制造的,但材料大多是60Si2MnA,很少用50CrVA。国外如德国慕贝尔(Mubea)公司和印度戈拉(GALA)公司生产的碟形弹簧,厚度≥1.25mm的材料均为50CrV4。因此,在碟形弹簧订货时,应尽量选用国外名牌产品,或国内知名大企业产品,并注明材料牌号和精度等级。另外,碟形弹簧组应尽量选用单片的对合组合,不宜采用两片叠合的对合组合,由于摩擦力的阻尼作用,后者的计算与实际情况往往有较大的出入。

6 前滚轮的装配

由于刀架前后导轨面之间的尺寸,面板上安装前滚轮的支承端面的相对尺寸,以及前滚轮组件中一些零件的轴向尺寸大多是自由尺寸,因此,在前滚轮组中必须有调整环节,在装配过程中予以修整,才能保证装配后碟形弹簧组的高度符合图纸上规定的尺寸。因为装配后的碟形弹簧组的高度和弹簧力都无法测量,如果仅凭装配工人的手感,只是增加或减少碟形弹簧的数量或调整垫片的数量,是不能保证刀架的最佳导向性能的。但是据了解,在一些生产剪板机的企业中都存在这种情况。

图5所示的前滚轮结构简图中注明了碟形弹簧组的高度H,以及应测量的尺寸a,并有四组垫片作为调整环节,修整其厚度可保证碟形弹簧组设定工作高度。装配时先调整两端下滚轮轴的偏心位置,使两端的上下滚轮都与刀架导轨面均匀接触。然后装上滚轮组件(先不装碟形弹簧组),使前滚轮顶紧刀架。测量件1端面至件2端面之间的距离(图中的尺寸a),因为尺寸b和c都已知,据此修磨垫片3的厚度b就可以使碟形弹簧组安装后的实际工作高度H达到图纸要求。

7 结束语

通过以上对剪板机滚动导轨的分析和计算,以及装配时的测量和修整,可以合理确定滚动导轨的结构参数,为有关的强度刚度计算提供了正确的依据,有效的保证了剪板机的剪切质量和工作可靠性。通过公司多年来生产剪板机的实践,验证了这些计算和修整方法是切实可行的。

参考文献

[1]童海滨.剪板机滚动导轨的设计与计算.锻压机械,1984,19(1):7-12.

[2]《剪切机械安全技术》编写组.剪切机械安全技术.北京:劳动人事出版社,1989.

[3]王治杰.凸轮检测闸式剪板机刃口间隙的分析研究与应用.2008-04.

[4]Mubea公司碟形弹簧样本.