滚动直线导轨副摩擦力动态测量试验研究*

周晶晶，梁　医，冯虎田

(南京理工大学 机械工程学院，南京　210094)



滚动直线导轨副摩擦力动态测量试验研究*

周晶晶，梁医，冯虎田

(南京理工大学 机械工程学院，南京210094)

滚动直线导轨副是高速高精度数控机床的重要功能部件，其摩擦特性对机床整机的力学特性具有重要影响，因此对导轨摩擦力的大小进行检测具有重要的意义。针对摩擦力检测要求，设计了一种自动检测滚动直线导轨副摩擦力的试验装置，将测量结果与手动测量进行对比，并对某一型号的滚动直线导轨副进行重复性测试，验证了该测量方法的可靠性。针对35和45型号的滚动直线导轨副进行不同速度条件下的摩擦力测试，试验结果表明，随着速度增加，导轨副摩擦力有先减小后增大的趋势。

滚动直线导轨副；摩擦力检测；对比试验

0　引言

近年来，随着国内外数控精密加工技术的发展，对机床导向系统运动精度的要求越来越高。滚动直线导轨副以其摩擦阻力小、动静摩擦系数差小、结构简单、运动精度高、精度保持性好、高可靠性等优点，在各种高档数控机械及自动化设备中得到了越来越广泛的应用[1]。

作为精密的传动部件，滚动直线导轨副的摩擦力是导轨副的重要性能指标。任何机件在接触状态下相对运动(滑动、滚动或滑动和滚动)时都会产生摩擦。摩擦力作为系统快速响应的阻碍和能量消耗的主要途径，对摩擦力进行研究对提高整个系统的响应速度及控制精度具有重要意义；摩擦力也引起导轨副的发热，直接影响导轨副的使用寿命[2]。因此对滚动直线导轨副的摩擦力进行研究具有相当重要的实际意义。

1　摩擦力产生机理分析

滚动直线导轨副在运动过程中，其工作条件、结构参数(单圆弧、双圆弧等)的不同，会导致它的接触状态、工作性能以及刚度有所不同[3]。滚动直线导轨副摩擦力产生的原因比较复杂，主要包括如下几项[4]:

(1)滚动直线导轨副滚珠与滚道间的摩擦：

①导轨副的钢球在滚道中运动时由于弹性滞后产生的纯滚动摩擦力；

②钢球与沟槽接触时由于接触面上各点运动速度不同而产生的差动滑动摩擦力[5]；

③钢球自旋运动所产生的摩擦阻力。

(2)滚珠在返向器中的摩擦：

①滚珠与返向器壁发生碰撞产生的摩擦力；

②滚珠之间的摩擦碰撞；

③返向器壁对滚珠的摩擦阻力。

(3)滚珠之间相对滑动引起的滑动摩擦；

(4)润滑剂的粘性作用产生的摩擦阻力；

(5)滚动直线导轨副的一些结构如密封端盖也会产生摩擦力。

2　摩擦力检测方法及试验台介绍

2.1摩擦力测试原理

摩擦力的动态测试一般采用间接比较法[6-7]。当滑块沿导轨方向做直线运动时，在竖直方向上受到自身的重力G和导轨对滑块的支承力F1作用；在运动方向上受到外界施加的驱动力F以及导轨滚道对其沿运动相反方向上的摩擦力Ff作用。当滑块在电机的驱动下沿导轨做匀速运动时，由牛顿经典力学定律可知：滑块受到的驱动力F与导轨副动摩擦力Ff大小相等，方向相反，此时滑块受力状态如图1所示。

图1　摩擦力测量原理图

2.2摩擦力测试方法

为了对高档数控机床滚动功能部件的共性进行研究，研制了如图2所示的滚动直线导轨副综合性能试验台[8-9]。本试验台床身材料使用的是花岗岩，以减小由于床身变形引起的测量误差，保证测量精度；以直线电机作为驱动装置，能使工作台达到高速和高加速的要求；导向装置采用气浮导轨，具有寿命长、无振动、无噪音的优点；电机定子与工作滑台相连接，滑块在悬臂的推动作用下实现往复直线运动；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，从而保证了滑块的匀速运行；在运动过程中，安装在被测滑块上的各传感器进行性能参数测试。

图2　滚动直线导轨综合性能试验台

测量摩擦力时，如图3所示，将被测导轨固定在花岗岩床身上，在导轨副上配置一个用来测量摩擦力的滑块，该滑块通过转接板与拉压力传感器的一端连接，传感器另一端通过双头螺柱与固定在工作台上的推臂连接。当工作台在电机的推动下做往复直线运动时，推臂通过力传感器拉(推)动被测滑块沿导轨匀速运动。

传感器所采集到的信号即为摩擦力的动态信号，传感器输出的电压信号经过信号放大器、低通滤波器及数据采集板卡作模数转换, 将测量结果传输至工控机， 最终通过测量软件实时显示并保存采样数据，计算并绘制曲线，如图4所示。

图3　摩擦力动态测量装置

图4摩擦力信号处理系统

3　滚动直线导轨副摩擦力试验

3.1试验目的

分别以国外和国内某厂家生产的35和45型号的滚动直线导轨副为试验对象，对滑块的摩擦力进行动态测试，对比分析不同的厂家、型号等条件下导轨副摩擦性能的差异，并研究速度对滚动直线导轨副摩擦性能的影响规律。

3.2试验方法

以滚动直线导轨副综合性能试验台为测量平台，动态测量软件采集传感器数据的时间间隔为30ms。

首先，为验证测试原理，将速度4m/min时的摩擦力在线测量值与手动测量值进行对比。手动测量方法为：用弹簧拉力计缓慢的拉动滑块使之匀速运动，拉力计的读数即为该速度下的摩擦力大小。

其次，在低速和高速下分别对直线导轨副的摩擦力进行10次在线测量，对测量数据进行重复性分析以验证测量系统的可靠性。

然后，改变运行速度值，分别对导轨副的正向摩擦力和反向摩擦力进行三次测量，取3次测量结果的平均值为该速度条件下导轨副摩擦力的测试结果。

最后，对不同型号和厂家的直线导轨分别进行摩擦力测试，得到对比结果。

3.3试验结果

利用滚动直线导轨综合性能试验台对导轨副进行摩擦力测试，测量滑块一个往返过程中的摩擦力。由于电机在启动和停止时，滑块处于加速和减速的阶段，并且存在轻微冲击力，因此试验时仅选取滑块匀速运动段的数据，滑块有效行程为1m，测量结果曲线如图5所示。

图5　摩擦力测量曲线图

手动测量和在线测量结果如表1、表2所示。

表1　手动测量结果

表2　在线测量结果

速度为4m/min和80m/min时分别进行10次测量，为保证采样数据量相同，设置4m/min时采样周期为600ms,80m/min时采样周期为30ms,测量结果如表3、表4所示。

表3　摩擦力测量结果

表4　摩擦力测量结果

依次改变数控程序里速度设定值，35、45型号摩擦力随速度变化曲线图分别如图6所示。

图6　摩擦力变化曲线图

分别选择45型号国内和国外的导轨进行摩擦力测量，得到如图7所示的对比曲线图。

图7　国内外摩擦力试验结果对比图

4　试验结果分析

4.1重复性分析

动态测量数据重复性一般用不确定度来表示[10]，不确定度愈小，所述结果与被测量的真实值愈接近，质量越高，水平越高，其使用价值越高。不确定度计算公式：

根据公式对4m/min和80m/min的摩擦力测量数据分别进行计算得：

4m/min时：u正=0.0544u反=0.0667

80m/min时：u正=0.3741u反=0.2921

从不确定度计算结果可以看出低速和高速时不确定度均小于0.4，可以说明本试验具有较高的重复性，因此实验数据具有较高的可靠性。4m/min时的不确定度值比80m/min时的小，是由于速度越高，滑块振动越大，试验结果也会产生波动。

4.2对比分析

4.2.1手动测量与动态测量对比分析

由表1可以看出，自动测量与手动测量数据很接近，手动测量正反向摩擦力相差很小。手动测量时，试验员本身操作会产生一定的误差，因此自动测量结果会与手动测量有较小的差异。

4.2.2单根导轨数据分析

(1)从图6a中可以看出随着滑块运动速度的增大，导轨副摩擦力测量值先小幅度减小后呈现线性增大趋势。分析产生这种结果的原因有：

①随着速度增加，滚珠的运动速度也会相应的增加，进出承载区的频率增加，并且与返向器的碰撞也会加快，从而导致摩擦阻力增大；

②滑动摩擦系数与物体的相对滑动速度有关，在一定范围内，随着运动速度的增大，滑动摩擦系数增大，而滚珠在滚道中的滑动摩擦力与滑动摩擦系数成正比的关系，因此增大速度，总摩擦力增加；

③弹性滞后损失与滚珠的滚动速率有关，也就是材料的变形速率相关，低速接触时，接触区后部材料有足够的时间恢复变形。而在高速滚动时接触区后部材料变形恢复速度慢导致滚珠后部脱离接触时，轨道变形仍未完全恢复，产生额外的滚动阻力。

(2)在速度低于时，反向测量数据的平均值明显比正向测量的值大。将导轨换向安装后重新测量，得到相反的结果，此时反向摩擦力均值大于正向摩擦力均值。说明对于导轨其正反向摩擦力数值上会存在不同。这种现象的产生可能是由导轨滚道的加工工艺引起，导轨滚道通常采用磨削的加工方式来完成，导轨加工完成后，其滚道上沿砂轮前进方向上的摩擦系数比相反方向要小，在预紧力一定的情况下，该方向上的测量值相对反方向要偏小。

(3)在高速运行时，摩擦力随速度的变化波动较大，且正反向的摩擦力差值比低速时明显有所减小。高速时由于碰撞、弹性滞后等引起的摩擦力增加，而滚道加工引起的摩擦力所占的比例相应会减小，因此高速试验时会出现与之前相反的结果；另外对于相同行程，速度越高，计算机采集的点数会减少，导致实验结果的误差增大。

4.2.3不同型号摩擦力对比分析

将35和45型号摩擦力测量数据进行对比得到如图8所示的曲线图。

图8　不同型号摩擦力试验结果对比图

由上图可以发现，相同速度下，45型号导轨摩擦力明显大于35型号导轨。说明导轨结构尺寸增大，摩擦力增大。

4.2.4国内外导轨副摩擦力对比

由图7可以看出相同型号的滚动直线导轨副，其摩擦力大小国内比国外的大。目前，国内滚动功能部件的加工工艺、材质、结构设计等与国外有一定的差距，滚道和钢球的加工精度、适应度的大小等多种因素共同作用导致了其性能的差异。

5　结论

对滚动直线导轨副摩擦力进行检测是提高滚动直线导轨副性能与产品质量的关键。本文通过测量不同速度下滚动直线导轨副的摩擦力，实验结果分析表明：随着滑块运动速度的增大，导轨副摩擦力测量值先减小随后呈线性增大趋势；对比不同型号尺寸的导轨副摩擦力，结果表明尺寸越大，摩擦力越大。

[1] 冯虎田.滚动功能部件综合性能检测机可靠性研究发展趋势[J].金属加工，2012(5):10-12.

[2] 高飞.直线滚动导轨预加载荷的应用研究[D].无锡：江南大学，2007.

[3] 石川义雄，须田稔.直动玉轴受の摩擦力变动[J].精密机械，1981，47(12):58-63.

[4] 孙健利，张朝辉．关于滚动直线导轨摩擦力与预紧力关系的研究．1997,25(3)：47-49.

[5] Olaru D, Puiu GC, Balan LC, et al. A new model to estimate friction torque in a ball screw system[J]. Product Engineering: Eco-Design，Technologies and Green Energy:2004, 231-240.

[6] 赵佳佳,宋现春,姜洪奎,等. 高速滚动直线导轨副综合性能测试试验台的研发[J].组合机床与自动化加工技术,2014(11):75-77.

[7] JB/T7175.4-2006,滚动直线导轨副第4部分：验收技术条件[S].2006.

[8] 梁医,冯虎田,周保安.滚动直线导轨副综合精度及性能测试装置[P].发明,2012(9):2-8.

[9] 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.

[10] 石照耀，费业泰.基于均值平移的动态测量重复性的评定方法研究 [J].光学精密工程,2003,11(4)：363-367.

(编辑赵蓉)

Study of Experiment and Characteristics of Friction for Linear Rolling Guide

ZHOU Jing-jing, LIANG Yi, FENG Hu-tian

(School of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Linear rolling guide is an important Functional part of high-speed high-precision CNC machine, its great influence on the mechanical properties of the friction characteristics of the whole machine, so the size of rail friction detection is of great significance. For friction test requirements, This paper presents a automatic detection of roller linear guides friction testing device, the measurement results were compared with manual measurements, and repetitive testing for a certain type of linear Rolling guide, verify the reliability of the measurement method. The friction testing conditions at different speeds for 35 and 45 models rolling linear rolling guide, test results show that with the increase in speed, the friction have after the first decreases and then increases.

roller linear guide; friction experiment; contrast test

1001-2265(2016)04-0124-03DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.04.033

2015-05-10

国家自然科学基金、青年基金(51405233)；国家科技重大专项(2012ZX04002021)

周晶晶(1991—)，女，湖北黄冈人，南京理工大学硕士研究生，研究方向为滚动功能部件试验技术、机械设计，(E-mail)15850578932@163.com；通讯作者：梁医(1974— )，女，西安人,南京理工大学副教授，研究方向为机构的运动学和动力学分析,精密机械测试测量,机械优化设计以及摩擦磨损与润滑，(E-mail)liangyi@mail.njust.edu.cn。

TH166;TG506

A