一种基于同构闭合力路替换校准的导轨滑块预压力快速检测装置及方法与流程

本发明属于精密机械部件检测，具体涉及一种基于同构闭合力路替换校准的导轨滑块预压力快速检测装置及方法。

背景技术：

1、滚动直线导轨副通常包括导轨、滑块以及设置于导轨滚道与滑块滚道之间的滚动体，通过滚动体在相应滚道内循环滚动，实现滑块相对于导轨的低摩擦直线运动。为消除滚动体与滚道之间的配合间隙并提高导轨副的承载刚度、运动精度和换向稳定性，通常通过滚动体选配或滚道尺寸配合使导轨副内部形成预压力。滑块预压力过低时，容易出现接触刚度不足、运动振动增大及换向稳定性下降等问题；滑块预压力过高时，则容易造成移动阻力、运行温升及滚动接触磨损增加。因此，在导轨副装配、出厂检验、设备调试及使用维护过程中，需要对滑块的实际预压状态进行检测。

2、目前，导轨滑块预压状态通常通过移动阻力、静刚度或振动响应等参数进行间接评价。其中，根据滑块沿导轨移动时的牵引力或摩擦阻力判断预压状态，检测方式较为简单，但移动阻力除受预压力影响外，还容易受到端部密封件摩擦、润滑脂填充量及黏度、移动速度、环境温度、导轨安装倾斜和滚道污染等因素影响，因而难以单独反映滑块内部滚动接触副的实际预压状态。

3、公开号为cn108534970a的专利公开了一种高精度直线导轨副静刚度综合测量装置及方法，其将固定座设置在水平台面板上，将导轨副和基准板固定于固定座，通过加载装置、压力传感器和位移传感器组对导轨副施加载荷并检测变形量，从而获得导轨副垂直、倾斜、俯仰及偏摆方向的静刚度。该方案能够对导轨副的多方向静刚度进行综合测量，但其测量装置以固定台面板和固定座作为外部测量基准，需要对被测导轨副进行固定装夹，主要适用于固定试验平台，难以直接随被测滑块沿导轨移动并对多个轴向位置进行快速在位检测。

4、为了适应生产现场或设备维护现场的快速检测需求，可以考虑将检测装置直接支承在被测导轨上，使检测装置与滑块共同沿导轨移动。然而，当检测装置采用随动支架和基准轮与被测导轨建立测量基准时，位移传感器检测到的总位移不仅包括滑块内部滚动体与滚道之间的接触变形，还可能包括随动支架的弹性变形、基准轮及其安装结构的变形、基准轮与导轨之间的接触变形、被测导轨局部区段的变形、加载导向结构的变形以及连接组件的变形。若直接根据该总位移计算滑块接触刚度，容易将检测装置自身柔度计入滑块变形，影响预压状态检测结果的准确性。

5、现有设备柔度校准方式通常通过在检测架内部设置标准弹性件或采用预先获得的固定修正参数，对检测装置自身变形进行补偿。但是，当校准载荷仅在检测架内部闭合时，其载荷路径并不经过被测导轨、基准轮组件及基准轮与导轨之间的接触部位，校准状态下的力传递路径与滑块实际测量状态下的力传递路径不同，难以完整表征测量状态中的共同结构柔度。此外，检测装置每次安装时，基准轮预紧量、支架装夹状态和导轨局部位置均可能发生变化，采用固定修正参数难以适应不同装夹状态。

6、因此，现有技术仍需要解决以下问题：如何在检测装置直接支承于被测导轨并能够随滑块移动的条件下，使校准状态与测量状态尽可能共用相同的被测导轨局部区段、基准轮组件、随动支架及加载检测链路；如何原位识别并扣除上述共同力路中的结构柔度，以获得滑块滚动接触副自身的增量接触刚度；以及如何在多个导轨位置进行重复检测，进而判断滑块的等效预压状态及其沿导轨长度方向的一致性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于同构闭合力路替换校准的导轨滑块预压力快速检测装置及方法，以解决现有导轨滑块预压状态检测装置通常依赖固定试验平台、难以沿被测导轨移动检测，以及采用随动检测架时检测架、基准轮组件、导轨局部区段和加载连接结构的变形会混入滑块位移测量结果，导致难以准确获得滑块滚动接触副本征接触刚度的问题。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

3、本发明提供一种基于同构闭合力路替换校准的导轨滑块预压力快速检测装置，包括随动基准架、导轨基准轮组件、滑块连接组件、微载荷检测单元、力路切换单元、导轨侧校准组件、标准弹性组件和数据采集与控制组件。

4、所述随动基准架通过所述导轨基准轮组件可移动地支承于被测导轨，所述滑块连接组件用于连接被测滑块。所述力路切换单元用于选择性地使所述微载荷检测单元与所述滑块连接组件或所述标准弹性组件连接。所述导轨侧校准组件与所述随动基准架相互独立，并可拆卸地连接于所述被测导轨；所述标准弹性组件与所述导轨侧校准组件在校准状态下共同构成经外部整体标定的替代校准支路。

5、在测量状态下，所述微载荷检测单元施加的加载力依次经所述滑块连接组件、所述被测滑块、所述被测导轨、所述导轨基准轮组件和所述随动基准架返回所述微载荷检测单元，由此形成测量闭合力路。

6、在校准状态下，所述微载荷检测单元施加的加载力依次经所述标准弹性组件、所述导轨侧校准组件、所述被测导轨、所述导轨基准轮组件和所述随动基准架返回所述微载荷检测单元，由此形成校准闭合力路。

7、所述测量闭合力路和所述校准闭合力路共用所述微载荷检测单元、被测导轨的对应局部区段、所述导轨基准轮组件和所述随动基准架；所述替代校准支路以其经整体标定的已知总柔度替换测量闭合力路中未知的被测滑块滚动接触支路。所述已知总柔度包括标准弹性件、上下连接接口、所述导轨侧校准组件及其在预设夹持力下与同规格标准导轨形成的夹持界面的等效柔度，而非仅包括标准弹性件本体的柔度。

8、所述数据采集与控制组件用于根据所述替代校准支路的整体标定柔度确定两种状态共用部分的共同闭合力路柔度，并根据测量状态总柔度与所述共同闭合力路柔度确定所述被测滑块的接触刚度；所述接触刚度结合由同型号标准样件建立的预压标定数据库确定所述被测滑块的等效预压状态。

9、进一步地，所述导轨基准轮组件包括沿所述被测导轨长度方向间隔设置的前基准轮组和后基准轮组。所述前基准轮组和所述后基准轮组均包括第一侧向基准轮、第二侧向随动轮和顶部基准轮。

10、所述第一侧向基准轮与所述被测导轨第一侧具有倾斜接触区的肩部基准面接触，用于建立横向定位基准；所述第二侧向随动轮与所述被测导轨第二侧具有倾斜接触区的肩部基准面接触，并连接有使其压向所述被测导轨的弹性预紧机构，用于消除横向配合间隙；所述顶部基准轮与所述被测导轨的顶面或顶部肩面接触。两侧肩部基准面能够通过滚轮接触传递竖向分力，使所述第一侧向基准轮、所述第二侧向随动轮和所述顶部基准轮共同形成闭合防脱约束，承受正向和反向微载荷产生的反力，并限制所述随动基准架相对于所述被测导轨的俯仰、偏摆、横向窜动及抬升。

11、进一步地，所述随动基准架包括分别位于所述被测导轨两侧的第一侧架和第二侧架，以及连接所述第一侧架和所述第二侧架的横向连接架。所述横向连接架设置有宽度调节及锁定机构，用于适配不同规格的被测导轨。所述微载荷检测单元设置于所述横向连接架的中部，并使所述微载荷检测单元的加载轴线与所述被测滑块的预设等效受力中心相对应，以减少加载过程中产生的附加俯仰力矩或偏摆力矩。

12、进一步地，所述力路切换单元包括切换主体、测量连接位、第一校准连接位、第二校准连接位、切换驱动件和状态锁定件。

13、所述切换驱动件用于使所述测量连接位、所述第一校准连接位或所述第二校准连接位选择性地进入所述微载荷检测单元的加载轴线。当所述测量连接位进入所述加载轴线时，所述微载荷检测单元与所述滑块连接组件连接；当所述第一校准连接位进入所述加载轴线时，所述微载荷检测单元与第一标准弹性支路连接；当所述第二校准连接位进入所述加载轴线时，所述微载荷检测单元与第二标准弹性支路连接。所述状态锁定件用于在加载过程中锁定对应的力路切换状态，避免多个连接位同时承载。

14、进一步地，所述标准弹性组件包括具有不同已知柔度的第一标准弹性件和第二标准弹性件。所述第一标准弹性件构成可连接于所述第一校准连接位与所述导轨侧校准组件之间的第一标准弹性支路，所述第二标准弹性件构成可连接于所述第二校准连接位与所述导轨侧校准组件之间的第二标准弹性支路。

15、所述第一标准弹性支路和所述第二标准弹性支路具有相同或相匹配的上下连接接口，并具有能够被当前加载力检测和位移检测分辨的不同弹性柔度。所述第一标准弹性支路或所述第二标准弹性支路分别与所述导轨侧校准组件组合后形成对应的替代校准支路；各替代校准支路在与被测导轨同规格的标准导轨、预设夹持力、参考温度及与检测过程相同或重叠的加载区间下进行整体标定，获得包含标准弹性件、连接接口、导轨侧校准组件及夹持界面在内的已知总柔度。所述数据采集与控制组件分别根据两条替代校准支路的校准结果确定共同闭合力路柔度，并根据两次结果的一致性判断当前校准是否有效。

16、进一步地，所述导轨侧校准组件位于所述前基准轮组和所述后基准轮组之间，包括第一导轨夹持座、第二导轨夹持座、对称连接架、校准受力部、夹持预紧机构和防滑限位结构。

17、所述第一导轨夹持座和所述第二导轨夹持座分别可拆卸地连接于所述被测导轨的两侧，所述对称连接架跨设于所述被测导轨上方并连接所述第一导轨夹持座和所述第二导轨夹持座。所述校准受力部设置于所述对称连接架的中部，用于与所述第一标准弹性支路或所述第二标准弹性支路连接。所述夹持预紧机构用于使所述导轨侧校准组件以预设夹持力连接于所述被测导轨，所述防滑限位结构用于限制所述导轨侧校准组件在校准过程中相对于所述被测导轨发生滑移。

18、所述校准受力部能够随所述导轨侧校准组件沿被测导轨调节并锁定，使其与所述被测滑块的等效受力中心在被测导轨横截面上的投影及轴向坐标均相对应。所述等效受力中心是被测滑块内部各滚动接触区域对被测导轨作用合力的等效作用点；当缺少制造商给出的合力中心数据时，可采用滑块有效滚动体承载区的几何中心作为初始位置，并通过浮动解耦组件降低残余偏心影响。第一导轨夹持座和第二导轨夹持座相对于校准受力部对称设置，使校准状态和测量状态下作用于被测导轨的合力方向及等效合力矩处于预设允许偏差范围内。

19、进一步地，所述滑块连接组件包括可换式转接板、定位件、快速锁紧件和测量连接部。所述可换式转接板用于适配不同型号的被测滑块，所述定位件用于确定所述可换式转接板与所述被测滑块的相对位置，所述快速锁紧件用于将所述可换式转接板固定于所述被测滑块，所述测量连接部用于与所述力路切换单元的测量连接位连接。

20、所述滑块连接组件与所述力路切换单元之间设置有浮动解耦组件。所述浮动解耦组件包括球面铰接件和柔性铰链组件，用于释放非检测方向的微量位移或角度偏差，并在检测方向保持稳定的微载荷传递关系，以降低随动基准架安装误差、导轨局部几何误差或滑块安装面误差对检测结果的影响。

21、进一步地，所述微载荷检测单元包括双向微载荷致动器、加载力传感器、微位移传感器、加载导向机构和机械限位机构。

22、所述双向微载荷致动器用于沿检测方向施加正向微载荷和反向微载荷；所述加载力传感器串联设置于加载力传递路径中，用于检测实际施加的加载力；所述微位移传感器用于检测所述微载荷检测单元的移动输出端相对于所述随动基准架的位移；所述加载导向机构用于限制所述移动输出端沿预设检测方向运动；所述机械限位机构用于限制最大加载位移，避免加载力超过所述被测滑块和所述标准弹性组件的允许范围。

23、进一步地，所述检测装置还包括位置触发组件。所述位置触发组件包括与所述被测导轨滚动接触的编码轮及与所述编码轮连接的旋转编码器，用于确定所述检测装置沿所述被测导轨的轴向位置。

24、所述数据采集与控制组件根据所述位置触发组件的检测结果，使所述微载荷检测单元在多个预设轴向位置执行间歇式双向微载荷检测，即所述检测装置移动至预设检测位置后停止，待运动扰动衰减后执行正向微载荷和反向微载荷检测，完成当前检测位置的数据采集后再移动至下一检测位置。

25、本发明还提供一种利用上述导轨滑块预压力快速检测装置进行预压力检测的方法，包括如下步骤：

26、s1，将所述随动基准架通过所述导轨基准轮组件安装于所述被测导轨，通过所述滑块连接组件连接所述被测滑块，并记录待检测位置的轴向坐标；

27、s2，解除所述滑块连接组件与所述力路切换单元的承载连接并使所述被测滑块移至避让位置，将所述导轨侧校准组件安装在所记录的轴向坐标处，使所述校准受力部与所述被测滑块的等效受力中心在横截面投影和轴向坐标上相对应；依次通过两条替代校准支路施加微载荷，获得对应校准状态总柔度；

28、s3，根据两条替代校准支路经外部整体标定的已知总柔度，分别确定第一共同闭合力路柔度和第二共同闭合力路柔度，并对二者进行一致性校验；

29、s4，在一致性校验有效后，拆除所述导轨侧校准组件，将所述被测滑块恢复至所记录的轴向坐标并重新建立测量连接，在与校准过程相同或重叠的加载区间内施加正向微载荷和反向微载荷，获得测量状态总柔度；

30、s5，根据所述测量状态总柔度与所述共同闭合力路柔度的差值，确定所述被测滑块的本征接触柔度、正向增量刚度和反向增量刚度；

31、s6，将所述检测装置沿所述被测导轨移动至多个检测位置重复检测，并将各检测位置的正向增量刚度、反向增量刚度和刚度非对称系数与同型号标准样件的预压标定数据库进行比较，确定所述被测滑块的等效预压状态及其沿所述被测导轨长度方向的分布。

32、进一步地，在校准过程中分别利用所述第一标准弹性支路和所述第二标准弹性支路进行校准。

33、根据第一替代校准支路的校准状态总柔度及其整体标定总柔度，获得第一共同闭合力路柔度；根据第二替代校准支路的校准状态总柔度及其整体标定总柔度，获得第二共同闭合力路柔度。

34、按照下式确定校准一致性系数：；

35、其中，为校准一致性系数，为根据第一替代校准支路获得的第一共同闭合力路柔度，为根据第二替代校准支路获得的第二共同闭合力路柔度。

36、当所述校准一致性系数不大于预设阈值时，确定校准有效；当所述校准一致性系数大于所述预设阈值时，确定当前闭合力路可能存在基准轮打滑、导轨侧校准组件松动、力路切换不到位或结构非线性，不输出被测滑块的等效预压状态，并提示重新安装或重新校准。

37、校准有效时，根据所述第一共同闭合力路柔度和所述第二共同闭合力路柔度确定最终采用的共同闭合力路柔度。

38、在所述被测导轨的检测位置，测量状态总柔度表示为加载位移变化量与加载力变化量之比；所述被测滑块的本征接触柔度为所述测量状态总柔度与所述共同闭合力路柔度之差，所述被测滑块的本征接触刚度为所述本征接触柔度的倒数。

39、通过分别施加正向微载荷和反向微载荷，获得所述被测滑块的正向增量刚度和反向增量刚度，并根据所述正向增量刚度和所述反向增量刚度确定刚度非对称系数。

40、当所述正向增量刚度和所述反向增量刚度均低于对应型号的允许范围，且所述刚度非对称系数未明显增大时，确定所述被测滑块的等效预压状态偏低；当所述正向增量刚度和所述反向增量刚度均高于对应型号的允许范围时，确定所述被测滑块的等效预压状态偏高；当所述正向增量刚度和所述反向增量刚度之间的差异超过允许范围时，确定所述被测滑块可能存在偏载、所述被测导轨可能存在安装偏斜或滚动接触状态不均。

41、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

42、1.本发明通过导轨基准轮组件将随动基准架可移动地支承于被测导轨，使检测装置能够与被测滑块共同沿被测导轨移动，无需将被测导轨副安装于大型固定试验平台，适用于生产装配现场、设备调试现场及维护现场的快速检测，在测量状态和校准状态下分别建立闭合加载力路，且两种闭合力路共同经过微载荷检测单元、被测导轨、导轨基准轮组件和随动基准架，仅以已知柔度的标准弹性组件替换未知柔度的滑块滚动接触支路，使系统柔度校准具有明确的力学对应关系；

43、2.本发明通过导轨侧校准组件与随动基准架相互独立，校准载荷经导轨侧校准组件进入被测导轨后，再经导轨基准轮组件和随动基准架返回微载荷检测单元，使校准结果能够包含基准轮及其安装结构变形、基准轮与导轨之间的接触变形、被测导轨局部变形以及随动基准架变形，通过从测量状态总柔度中扣除共同闭合力路柔度，能够降低随动基准架、导轨基准轮组件、被测导轨局部区段及加载连接结构变形对滑块位移检测结果的影响，获得更接近滑块滚动接触副自身状态的本征接触刚度；

44、3.本发明采用具有不同已知柔度的第一标准弹性支路和第二标准弹性支路分别进行校准，并根据两次获得的共同闭合力路柔度的一致性判断校准是否有效，能够识别力路切换不到位、导轨侧校准组件松动、基准轮打滑或结构非线性等异常，避免无效校准结果进入预压状态计算，前基准轮组和后基准轮组沿被测导轨长度方向间隔设置，并分别通过侧向基准轮、侧向随动轮及顶部基准轮建立三向约束，有利于降低随动基准架沿导轨移动时的横向窜动、俯仰和偏摆，提高微载荷检测过程中局部测量基准的稳定性；

45、4.本发明通过滑块连接组件与力路切换单元之间设置浮动解耦组件，能够释放非检测方向的微量位移和角度偏差，降低检测装置安装偏差向被测滑块施加附加载荷或附加弯矩的可能性，正向微载荷和反向微载荷分别获得正向增量刚度和反向增量刚度，不仅能够评价被测滑块的等效预压状态，还能够根据双向刚度差异辅助识别滑块偏载、导轨安装偏斜或滚动接触状态不均；

46、5.本发明能够在被测导轨的多个轴向位置进行间歇式检测，形成等效预压状态沿被测导轨长度方向的分布结果，有利于发现局部安装变形、滚道污染、滚动体接触异常或沿程预压不一致，以经共同闭合力路柔度修正后的滑块本征接触刚度作为预压状态评价的主要依据，相对于仅依据移动阻力判断预压状态的方式，能够降低端部密封件、润滑脂黏度及移动速度变化对检测结果的影响。