滚动直线导轨副滑块一致性快速测量方法

1.本发明属于滚动直线导轨副性能检测领域，特别是一种滚动直线导轨副滑块一致性快速测量方法。


背景技术：

2.滚动直线导轨副在数控机床中承担着重要的承载和导向作用，其动态特性直接影响到被加工零件的精度和质量。因缺乏滑块一致性快速测量方法和装置，国内许多滚动直线导轨副厂家往往采用手推滑块方式，由经验丰富的老师傅通过肉眼读取千分表或手感判断滑块的优劣。这种方法不仅效率低，对工人的测量技能要求高，而且由于各人手感不一，准确性得不到保证，这对滑块的一致性控制带来了极大的挑战。而滑块工作中常常是四个两组的方式运行的，同一根导轨上的各个滑块、同一个运动副中不同导轨上各滑块的一致性对产品的精度、性能及寿命会产生重要的影响。目前，滚动直线导轨副向着专业化大批量的生产方式发展，因此研究一种对滑块进行一致性快速诊断的方法是十分必要的。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种滚动直线导轨副滑块一致性快速测量方法，解决当前导轨副滑块一致性测量效率低、准确性难以保证的问题。
4.实现本发明目的的技术解决方案为：一种滚动直线导轨副滑块一致性快速测量方法，所述方法包括以下步骤：
5.步骤1，搭建滚动直线导轨副滑块一致性快速测量装置；
6.步骤2，基于所述装置分别采集基准滑块、待测滑块的振动信号；
7.步骤3，提取各振动信号的特征值，获得待测滑块特征指标与基准滑块特征指标；
8.步骤4，对所述待测滑块特征指标与基准滑块特征指标进行归一化处理，以该结果评价滚动直线导轨副滑块的一致性，归一化后的指标数值越大，待测滑块相对于基准滑块质量越差；反之，待测滑块质量越好。
9.进一步地，步骤1中所述滚动直线导轨副滑块一致性快速测量装置包括床身组件ⅰ、工作台组件ⅱ、驱动装置ⅲ、测量装置ⅳ和安全装置
ⅴ
；
10.所述床身组件ⅰ，用于支撑一致性快速测量装置的其他部件；
11.所述工作台组件ⅱ，用于为基准滑块、待测滑块提供推动力，带动滑块运动；
12.所述驱动装置ⅲ，用于驱动工作台组件ⅱ进行往复直线运动；
13.所述测量装置ⅳ，用于测量基准滑块、待测滑块运动过程中的振动信号；
14.所述安全装置
ⅴ
，用于对工作台组件ⅱ的运动进行缓冲保护。
15.进一步地，步骤3所述提取各振动信号的特征值，获得待测滑块特征指标与基准滑块特征指标，具体包括：
16.步骤3-1，利用冒泡算法提取振动信号x(t)中的局部极大值点和局部极小值点；
17.步骤3-2，利用三次样条曲线插值函数，依据所述局部极大值点、局部极小值点进
行插值运算，分别拟合出振动信号的上包络序列和下包络序列，并计算上下包络序列的均值：
[0018][0019]
式中，α(t)为上包络序列，β(t)为下包络序列，γ(t)为均值包络序列；
[0020]
步骤3-3，将原始振动信号与均值包络序列相减得到残值项，即：
[0021]
hl(t)＝x(t)-γ(t)
[0022]
判断hl(t)中是否存在负的局部极大值点或正的局部极小值点，若不存在，则取hl(t)为x(t)的第一个本征模函数；若存在，则令x(t)＝hl(t)，并重复执行步骤3-1～步骤3-2直至得到的hlk(t)满足上述判断条件，取hlk(t)为原始振动信号x(t)的第一个本征模函数；记采集到的第一个本征模函数为c1(t)；
[0023]
步骤3-4，从原始振动信号中减去c1(t)，获得振动信号的差值函数：
[0024]
d1(t)＝x(t)-c1(t)
[0025]
令x(t)＝d1(t)，并执行步骤3-1至步骤3-3，获得x(t)的第2个本征模函数c2(t)；重复迭代，当经过多次计算得到的差值函数dn(t)为单调序列或是无法再提取本征模函数时，终止迭代；由此，原始振动信号x(t)由本征模函数表示为：
[0026][0027]
式中，ci(t)为第i个本征模函数，dn(t)为第n次迭代得到的差值函数，n为迭代次数；
[0028]
步骤3-5，计算各本征模函数与原始振动信号之间的相关系数，相关系数较大的前五个本征模函数为振动信号x(t)的有效分量，记为有效本征模函数；其中，相关系数ρ
x,ci
计算公式为：
[0029][0030]
其中，
[0031][0032][0033]
式中，r
x,cj
(τ)为各本征模函数与原始振动信号的互相关，r
x,x
(τ)为原始振动信号的自相关，n为数据采样点，x(n)为t＝n时刻的原始振动信号，ci(n-τ)为x(n)向前时移τ后的本征模函数，x(n-τ)为x(t)向前时移τ后的原始振动信号；
[0034]
步骤3-6，利用离散傅里叶变换将有效本征模函数由时域转为频域；
[0035]
步骤3-7，计算有效本征模函数的谱峭度值，并取均值作为一致性指标，由此获得待测滑块特征指标与基准滑块特征指标；计算公式为：
[0036][0037]
式中，μ为序列|yi|的均值，σ为序列|yi|的标准差，kf为振动信号最终的一致性指标。
[0038]
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明的滚动直线导轨副滑块一致性测量装置可以实现滑块的高速度高加速度运动，可完成滑块的快速拆装；2)本发明的测量方法通过分析提取得到的滑块振动信号特征来判断滑块的质量优劣，具有更高的准确性和效率；3)本发明测量滑块一致性方法操作简便，适用性好。
[0039]
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
[0040]
图1为本发明滚动直线导轨副滑块一致性快速测量方法流程图。
[0041]
图2为一个实施例中滚动直线导轨副滑块一致性快速测量装置的总体结构部件图。
[0042]
图3为一个实施例中滚动直线导轨副滑块一致性快速测量装置的总体结构示意图。
[0043]
图4为一个实施例中待测滑块振动信号时域波形图，其中图(1)-(9)分别为九种随机待测滑块振动振动信号时域波形图。
具体实施方式
[0044]
为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
[0045]
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
[0046]
在一个实施例中，结合图1，提供了滚动直线导轨副滑块一致性快速测量方法，所述方法包括以下步骤：
[0047]
步骤1，搭建滚动直线导轨副滑块一致性快速测量装置；
[0048]
步骤2，基于所述装置分别采集基准滑块、待测滑块的振动信号；这里，基准滑块是指严格意义上质量好的标准滑块；
[0049]
步骤3，提取各振动信号的特征值，获得待测滑块特征指标与基准滑块特征指标；
[0050]
步骤4，对所述待测滑块特征指标与基准滑块特征指标进行归一化处理，以该结果评价滚动直线导轨副滑块的一致性，归一化后的指标数值越大，待测滑块相对于基准滑块质量越差；反之，待测滑块质量越好。
[0051]
进一步地，在其中一个实施例中，结合图2和图3，步骤1中所述滚动直线导轨副滑块一致性快速测量装置包括床身组件ⅰ、工作台组件ⅱ、驱动装置ⅲ、测量装置ⅳ和安全装置
ⅴ
；
[0052]
所述床身组件ⅰ，用于支撑一致性快速测量装置的其他部件；
[0053]
所述工作台组件ⅱ，用于为基准滑块、待测滑块提供推动力，带动滑块运动；
[0054]
所述驱动装置ⅲ，用于驱动工作台组件ⅱ进行往复直线运动；
[0055]
所述测量装置ⅳ，用于测量基准滑块、待测滑块运动过程中的振动信号；
[0056]
所述安全装置
ⅴ
，用于对工作台组件ⅱ的运动进行缓冲保护。
[0057]
进一步地，在其中一个实施例中，结合图2和图3，所述床身组件ⅰ包括设置在大理石基座2上的床身3，沿床身3长度方向设置且安装于床身3上表面两侧的一对导轨转接板4，以及安装在导轨转接板4上的一对导轨副5；
[0058]
所述工作台组件ⅱ包括沿床身3长度方向设置的气浮导轨，设置于该导轨上的气浮滑块7，以及设置于该滑块上的滑台16，该滑台16上沿其长度方向的两端各设有一个推臂17，每个推臂17的前端且垂直于推臂17的方向安装圆柱球头10，推臂17通过圆柱球头10与滑块浮动连接；
[0059]
所述驱动装置ⅲ包括设置于床身3上表面的直线电机；具体地，所述驱动装置ⅲ包括设置于沿床身3长度方向安置在其上表面两端的次级部件端盖12，与次级部件端盖12相连接的冷却型材11，安装在冷却型材11上的次级部件13和次级部件盖板14，以及沿滑台16长度方向固定的初级部件冷却器7和初级部件6；
[0060]
所述测量装置ⅳ包括用于测量待测滑块或基准滑块18振动信号的传感器，该传感器设置在滑块上，且位于两个推臂17之间。这里，传感器安装在滑块的顶面与侧面，采集滑块运动过程中垂直与水平方向的振动信号；
[0061]
所述安全装置
ⅴ
包括沿床身3长度方向固定在床身侧面两端的限位开关15，以及沿床身3长度方向安装在大理石基座2两端面的缓冲装置1。
[0062]
该装置的具体工作过程为：所述驱动装置ⅲ驱动滑台16沿气浮导轨运动，产生推动力，进而通过推臂17上的圆柱球头10带动滑块18做直线往复运动，在此过程中，测量装置ⅳ测量滑块的振动信号，当滑台16超过设定的极限位置时，安装在测量装置ⅳ上的拨叉19接触到限位开关15，将机械位移转变成电信号，切断直线电机电源，同时缓冲装置1将滑台16的动能转化为弹性势能。
[0063]
进一步地，在其中一个实施例中，步骤3所述提取各振动信号的特征值，获得待测滑块特征指标与基准滑块特征指标，具体包括：
[0064]
步骤3-1，利用冒泡算法提取振动信号x(t)中的局部极大值点和局部极小值点；
[0065]
步骤3-2，利用三次样条曲线插值函数，依据所述局部极大值点、局部极小值点进行插值运算，分别拟合出振动信号的上包络序列和下包络序列，并计算上下包络序列的均值：
[0066][0067]
式中，α(t)为上包络序列，β(t)为下包络序列，γ(t)为均值包络序列；
[0068]
步骤3-3，将原始振动信号与均值包络序列相减得到残值项，即：
[0069]
hl(t)＝x(t)-γ(t)
[0070]
判断hl(t)中是否存在负的局部极大值点或正的局部极小值点，若不存在，则取hl(t)为x(t)的第一个本征模函数；若存在，则令x(t)＝hl(t)，并重复执行步骤3-1～步骤3-2
直至得到的hlk(t)满足上述判断条件，取hlk(t)为原始振动信号x(t)的第一个本征模函数；记采集到的第一个本征模函数为c1(t)；
[0071]
步骤3-4，从原始振动信号中减去c1(t)，获得振动信号的差值函数：
[0072]
d1(t)＝x(t)-c1(t)
[0073]
令x(t)＝d1(t)，并执行步骤3-1至步骤3-3，获得x(t)的第2个本征模函数c2(t)；重复迭代，当经过多次计算得到的差值函数dn(t)为单调序列或是无法再提取本征模函数时，终止迭代；由此，原始振动信号x(t)由本征模函数表示为：
[0074][0075]
式中，ci(t)为第i个本征模函数，dn(t)为第n次迭代得到的差值函数，n为迭代次数；
[0076]
步骤3-5，计算各本征模函数与原始振动信号之间的相关系数，相关系数较大的前五个本征模函数为振动信号x(t)的有效分量，记为有效本征模函数；其中，相关系数ρ
x,ci
计算公式为：
[0077][0078]
其中，
[0079][0080][0081]
式中，r
x,cj
(τ)为各本征模函数与原始振动信号的互相关，r
x,x
(τ)为原始振动信号的自相关，n为数据采样点，x(n)为t＝n时刻的原始振动信号，ci(n-τ)为x(n)向前时移τ后的本征模函数，x(n-τ)为x(t)向前时移τ后的原始振动信号；
[0082]
步骤3-6，利用离散傅里叶变换将有效本征模函数由时域转为频域；
[0083][0084]
式中，yi(k)为n个频域的采样序列，n为序列点数，ci(n)为有效本征模函数，n为时域离散值的序号，k为频域离散值的序号；
[0085]
步骤3-7，计算有效本征模函数的谱峭度值，并取均值作为一致性指标，由此获得待测滑块特征指标与基准滑块特征指标；计算公式为：
[0086][0087]
式中，μ为序列|yi|的均值，σ为序列|yi|的标准差，kf为振动信号最终的一致性指标。
[0088]
作为一种具体示例，在其中一个实施例中，对本发明进行进一步验证。本示例中，对某一与标准滑块同型号的滑块进行人工破坏，方法是用电火花在滑块上制造出一个小的
凹坑，其深度约为1mm,宽约为2mm。将待测滑块安装在滚动直线导轨副滑块一致性快速测量装置上，选用的振动传感器类型为pcb三轴加速度传感器，振动传感器安装位置为滑块的顶面与侧面，采集滑块水平与垂直方向上的振动信号，布置传感器并搭建好振动测试系统后，启动直线电机，电机跑合距离为1m，速度为40m/min，采样频率fs＝5000hz，获取滑块往复直线运动五次的振动信号。
[0089]
通过滚动直线导轨副滑块一致性快速测量方法的一系列计算可得故障滑块不同面与基准滑块的归一化处理结果为：
[0090]k顶面
＝812.54％
[0091]k侧面
＝3308.98％
[0092]
由上可知，经过人为破坏的滑块，其所提取的振动信号特征指标与基准信号的特征指标数值上相差比较大，可以选择这种评价指标判断滑块质量优劣，从而进行滑块一致性诊断。
[0093]
作为一种具体示例，在其中一个实施例中，对本发明进行进一步验证。本示例中，在上述示例的基础上，选用9个相同型号的滑块，对其进行编号，分别采集9个滑块的振动信号，时域波形如图4所示，提取到的所有滑块信号特征指标如下表1所示。
[0094]
表1九种待测滑块顶面与侧面振动信号时域特征值
[0095][0096]
根据表中结果，对九种滑块的质量进行排序，评价结果为5-1-4-6-2-8-9-7-3；而导轨副厂家由2-3个经验丰富的工人通过千分表和手感两种方式，经讨论商量之后，最终确定滑块质量的排序为1-5-4-6-2-8-9-7-3。经过对比，该一致性测量系统评价结果与厂家给定的结果相近，准确率可达到90％。三种测量方式的对比结果如下表2所示。
[0097]
表2三种测量滑块一致性方法的对比结果
[0098][0099]
由上可知，千分表检测方式虽然准确性高，但是测量时间最长，约10min；手感检测方式虽然检测时间短，但是检测结果受工人技术水平等因素影响不确定度较大，因此检测准确性较低；而本发明滑块一致性快速检测方法，不仅检测准确性较高，且检测效率较千分表检测方式提高50％。而且随着待测滑块基数的增多，千分表和手感两种检测方式会因工人长时间作业，导致消耗更多的时间，因此该测量方法可以快速准确的测量滚动直线导轨副滑块的一致性。
[0100]
本发明滑块一致性快速测量方法，通过滑块一致性测量试验台和振动测试系统采集待测滑块振动信号，通过提取信号特征来判断导轨副滑块的质量优劣，可有效解决当前导轨副滑块一致性测量效率低，准确性难以保证等问题。
[0101]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。