滚动直线导轨副摩擦力动态测量系统设计
摘要：研制了一种滚动直线导轨副摩擦力动态测量系统，利用该系统可以准确的对滚动直线导轨副摩擦力进行动态测量，为用户提供准确可靠的检测报告，介绍了该仪器的硬件构成，软件设计及系统功能。
关键词：滚动直线导轨副 摩擦力
1．引言
滚动直线导轨副是1932年法国专利局公布的一项专利。经过几十年的发展，滚动直线导轨副已经日趋成为国际通用的一种支承及传动装置，越来越多被数控机械，自动化设备所采用，在工业生产中得到广泛的应用。
滚动直线导轨副一般由导轨、滑块、反向器、滚动体和保持器等组成，它是一种新型的作相对往复直线运动的滚动支承，能以滑块和导轨间的钢球滚动来代替直接的滑动接触，并且滚动体可以借助反向器在滚道和滑块内实现无限循环，具有结构简单、动静摩擦系数小、定位精度高、精度保持性好等优点[1]。
滚动直线导轨副的摩擦力是导轨副的重要性能指标。摩擦作为滚动直线导轨副的主要能量消耗途径，直接影响导轨副的使用寿命、承载能力及运动精度等方面。因此对滚动直线导轨副的摩擦力进行检测具有相当的实际意义。通过分析导轨副的摩擦力变化情况，对于检验导轨副的制造装配精度并进行工艺分析极有价值。
目前国内的生产厂家对直线导轨副摩擦力的测量主要使用弹簧秤进行手工测量，这种方法无法真实的反映出滚动直线导轨副在运动时的摩擦力情况。众所周知，没有完善的检测试验设备，产品的加工质量就没有保证。因此我们联合陕西汉江机床有限公司，针对其目前的检测状况，运用计算机技术和控制技术，研制了滚动直线导轨副摩擦力动态测量系统，解决当前滚动直线导轨副摩擦力检测方面的难题，从而大大提高了汉江机床有限公司的检测效率和准确度。
2．测量方法
测量系统采用间接比较法，将待测力通过力传感器转化为其它物理量，然后进行信号处理以及模数转换。我们选用电阻应变式力传感器，它灵敏度好，能感应出摩擦力的动态微小变化，检测精度高。电阻应变式力传感器由弹性体、电阻应变片和测量电桥组成。在被测力作用下，弹性体产生与其正比的弹性变化，在弹性体特定部位粘贴的电阻应变片将应变转换成与其正比的电阻变化，电阻应变片的电阻变化通过测量电桥的处理，转化成与之成线性关系的电压输出。
拉力传感器安装在工作台侧面，测量时通过连杆与待测滚动直线导轨副滑块相连。当伺服电机驱动机构驱动工作台带动滑块匀速运动时，由牛顿经典力学定律，可以知道驱动力F等于导轨副的动摩擦力。驱动力F引起力传感器传感元件的变化，产生电压信号，信号经必要处理后由数据采集卡采集，由计算机处理分析，将电压值转换成摩擦力数值，从而测得滚动直线导轨副在运动过程中摩擦力的动态变化情况。其原理图如图1所示。
图1 滚动直线导轨副摩擦力动态测量原理图
同时称重传感器安装工作台下方，用于测量加载跑合时导轨副所受负载大小。传感器安装机械图如图2所示。
1为S型拉力传感器，2为称重传感器，3为连杆，4为滚动直线导轨副滑块，5为垫块，6为工作台
图2传感器连接机械图
3．系统硬件构成
本系统的硬件总体构成原理图如图3所示：
图3 系统硬件总体构成原理图
整个测量系统从功能上可以分为测量采集系统和控制系统两部分。测量采集系统由S型拉力传感器作为摩擦力的测量元件，由多功能数据采集卡采集动态测量数据。控制系统中，主轴驱动采用交流伺服电机作为拖动元件，由运动控制器控制其运行。工控机和采用单片机为处理器的控制面板均可以控制电机运行，工控机与控制面板间采用基于RS232的串口通讯，实现伺服电机控制信号的传输。
整个系统工作原理如下。工控机通过电机控制卡控制交流伺服电机，驱动主轴带动工作台移动，从而带动滚动直线导轨副的滑块运行。由拉力传感器实时采集摩擦力动态信号，经滤波处理后送到多功能数据采集卡，实时显示采集的摩擦力动态曲线。当工作台完成一次标准测量（单程或往返一次），触发限位开关，限位开关向工控机发出信号，停止采集及伺服电机的运行，工控机对采集到的数据进行分析处理、打印报告，将数据存入数据库。
采用的TJL-1S型拉力传感器的测量载荷范围为0～30KG，MCC-F系列轮辐式称重传感器测量载荷范围为0～1T。数据采集卡为研华的PCI-1712多功能数据采集卡。伺服电机选用的是松下Minas A4系列中MDMA系列3KW中惯量交流伺服电机，增量式码盘完成位置反馈。运动控制器采用固高的GT-200-SG-PCI 运动控制卡。
4．软件设计
本测控软件采用Visual Basic6.0编写，采用模块化的设计思想，配套成熟的应用软件，采用动态链接库函数对应相关硬件的操作，实现摩擦力动态数据的采集、分析，并结合Access数据库设计了导轨副综合测量信息数据库、人员及测量标准数据库等以及数据库管理软件，用于保存导轨副参数信息，动态测量原始数据，分析数据结果等，能够很好地满足工厂的实际生产测量需要。
本系统主要包括以下模块：参数输入与测量判断、导轨副加载跑合、动态测量与显示、数据分析、数据存储、历史查询、打印报表、电机测试、状态监测。操作软件动态测量程序流程图如图4所示。
由于工业现场干扰强烈，为保证采集数据的稳定性，除了在硬件采集电路上采用低通滤波电路外，在软件上也采用了滑动平均值滤波算法，软硬结合，消弱高频干扰信号的影响。
滑动平均值法[2]是把N个采样数据看成一个队列，队列长度固定为N，每进行一次新的采样，把采样结果放入对尾而扔掉原来对首的一个数据，这样队列中始终有N个“最新”的数据。计算滤波时，只要把队列中N个数据进行平均，就可得到新的滤波值。它实时性好，速度快，适合数据计算要求较高的系统。
滚动直线导轨副在进行摩擦力检测前先要进行高速跑合，使导轨表面微观几何形状得到改善，导轨和滑块的连接状态达到稳定。由于在高速加载跑合时伺服电机速度最高可达2000rpm，在高速运行换向时对机械机构冲击过大，易造成设备损坏，所以在换向前应减速以降低对机构的冲击。
我们采用运动控制卡库函数中的断点自动刷新命令rtn =GT_PosBrk（）和GT_SetBrkCn（）解决了这一问题。自动刷新命令可以设定某一条件（断点），当控制轴运动满足该条件时，控制器将自动刷新控制轴参数。设定在跑合的第一个来回伺服电机低速运行，主机记录全程距离并计算相应的减速距离，设置好断点。在下一次跑合中，只要触发断点即可刷新运动参数，在换向前减速，满足要求。由于高速与低速运行时所需减速距离不一样，速度越高所需距离越长，因此在程序中设有两种减速距离分别供高低速跑合实验选择。
图4 动态测量程序流程图
图5 程序主界面
图6 摩擦力测量曲线
5．总结
滚动直线导轨副因其多方面优点，被广泛应用于工业生产中。现如今，滚动直线导轨副已成为各种机床、精密电子