滚动直线导轨副液压加载实验装置设计说明书.docx
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滚动直线导轨副液压加载实验装置设计说明书
本科毕业设计说明书
题目：
滚动直线导轨副液压加载实验装置
院（部）：
专业：
机械工程及自动化
班级：
姓名：
学号：
指导教师：
完成日期：
2013年6月15日
目录
摘要III
ABSTRACTIV
1前言1
1.1滚动直线导轨副系统概述1
1.1.1滚动直线导轨副发展状况及趋势1
1.1.2滚珠直线导轨副特点及其液压加载现状1
1.1.2.1滚珠直线导轨副特点1
1.1.2.2液压加载3
1.2课题任务4
1.2.1课题背景和研究意义4
1.2.2课题任务4
2滚动导轨液压加载实验装置总体方案的设计5
2.1滚珠直线导轨副液压加载实验装置系统设计5
2.1.1滚动直线导轨副液压加载试验装置的机械结构设计5
2.1.2滚动直线导轨副液压加载试验装置的加载结构设计6
2.1.3滚动直线导轨副液压加载试验装置的控制系统设计6
2.2电机的选择7
2.3液压缸的选择8
2.3.1初选缸径/杆径8
2.3.2选定行程/安装方式11
2.3.3端位缓冲的选择13
2.3.4油口类型与通径选择13
2.3.5特定工况对条件选择13
2.3.6密封件品质的选择14
2.3.7其它特性的选择15
2.4传感器的选择15
2.4.1力传感器的选择15
2.4.2电阻应变式的原理16
3硬件电路设计17
3.1放大电路的设计17
3.1.1CF741的特点17
3.2模数转换电路的设计18
3.2.1ADC080919
结论21
谢辞22
参考文献23
附录31
摘要
滚动直线导轨是在滑块与导轨之间放入适当的钢球，使滑块与导轨之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，大大降低二者之间的运动摩擦阻力，从而获得：
动、静摩擦力之差很小，随动性极好，即驱动信号与机械动作滞后的时间间隔极短，有益于提高数控系统的响应速度和灵敏度。
驱动功率大幅度下降，只相当于普通机械的十分之一。
与V型十字交叉滚子导轨相比，摩擦阻力可下降约40倍。
适应高速直线运动，其瞬时速度比滑动导轨提高约10倍。
能实现高定位精度和重复定位精度。
能实现无间隙运动，提高机械系统的运动刚度。
成对使用导轨副时，具有“误差均化效应”，从而降低基础件（导轨安装面）的加工精度要求，降低基础件的机械制造成本与难度。
滚动直线导轨副是由导轨、滑块、钢球、返向器、保持架、密封端盖及挡板等组成。
当导轨与滑块作相对运动时，钢球就沿着导轨上的经过淬硬和精密磨削加工而成的四条滚道滚动，在滑块端部钢球又通过返向装置（返向器）进入返向孔后再进入滚道，钢球就这样周而复始地进行滚动运动。
返向器两端装有防尘密封端盖，可有效地防止灰尘、屑末进入滑块内部。
本文通过大量的算例分析表明:
该滚动直线导轨副液压加载装置能对滚动直线导轨的垂直方向上的承载及加载能力进行测试，以满足不同场合滚动直线导轨副的承载及加载能力的要求。
关键词：
滚动直线导轨副；液压加载；承载和加载能力；测试
Rollinglinearguidepairofhydraulicloadingexperimentdevice
ABSTRACT
Linearrollingguideisbetweenslideblockandtheguiderailsteelballthatisputintheappropriate,Betweenthesliderandtheguiderailslidingfrictionintorollingfriction,greatlyreducingthemovementofthefrictionresistancebetweenthem,therebygaining:
dynamicandstaticfrictionforceissmall,thedifferencebetweentheservosexiswonderful,thedrivesignalandmechanicalactionlagsbehindtheveryshorttimeinterval,IsbeneficialtoimprovetheresponsespeedoftheCNCsystemandsensitivity.Indrivingpower,onlyequivalenttooneovertenofthegeneralmachinery.Comparedwithv-shapedcrossrollerguiderail,whichisabout40timeslowerfrictionresistance.Toadapttohighspeedlinearmotion,theinstantaneousspeedabout10timesgreaterthanthatoftheslideguide.Toachievehighlocalizationaccuracyandrepeatprecision.Canrealizezeroclearanceexercise,enhancethestiffnessofthemovementofmechanicalsystems.
Useguideinpairs,with"errorhomogenizationeffect",reducingbasicpiecesofguiderailmountingsurface）（processingaccuracy,reducethebasisofmechanicalmanufacturingcostandthedifficulty.。
Rollinglinearguidepairisfromtheguiderail,slider,ball,toreturnto,cage,endcoverandsealbaffle,etc.Whentheguiderailandslideblockforrelativemotion,throughhardenedsteelballisalongtheguiderailandtheprecisiongrindingprocessingoffourrollerrolling,againattheendofthesliderballdeviceviathereturn（returnto）returntotheholeandthenintotheraceway,Steelballsorepeatedlyrollingmotion.Toreturntothedust-proofsealedcoveronbothendsofthedevice,whichcaneffectivelypreventdust,sawdustintotheslidingblockinside.
Inthisarticle,throughplentyofexampleanalysisshowthatthelinearrollingguidevicehydraulicloadingequipmentcanbeperpendiculartothedirectionofrollinglinearguidebearingandloadcapacitytest,inordertomeetthedifferentoccasionsofrollinglinearguidepairloadandloadcapacityrequirements.
KeyWords:
Linearrollingguidevice;Hydraulicloading;Loadandloadcapacity;test
1前言
1.1滚动直线导轨副系统概述
1.1.1滚动直线导轨副发展状况及趋势
滚动直线导轨副作为精密直线导向运动部件,已经越来越多地被各种数控机械、自动化装备等所应用。
作为滚动部件的一个重要组成部分,滚动直线导轨副不仅能很轻易地实现精密直线导向运动,还具有很强的承载能力和可调的刚性;同现有的滑动导轨相比,还具有诸多的优良特性。
滚动直线导轨副以其独有的特性．逐渐取代了传统的滑动直线导轨，在工业生产中得到了广泛的应用。
目前国内绝大部分的滚动直线导轨副的生产研制还处于便捷型阶段，在产品的工艺装备、品种的多样化等方面，可能与国外悬殊较大。
滚动直线导轨副的新类型、新功能目前在不断涌现，并正在向组合化、集成化、高速、低噪音、智能化方向发展。
1.1.2滚珠直线导轨副特点及其液压加载现状
1.1.2.1滚珠直线导轨副特点
滚珠直线导轨副是由直线导轨、滚珠、滚珠滑座和相关循环零件组成的精密直线导向部件。
拥有比直线轴承更高的额定负载，同时可以承受一定的扭矩，可在高负载的情况下实现高精度高随动性的直线运动导向。
由于其直线导向精度和机械效率高、可靠性和标准化程度好等特点，被广泛应用于数控机床、自动化设备、测量仪器、印刷包装机械、纺织机械、制药机械、玻璃机械以及其他需要精密直线导向的领域。
工作时，滑块沿导轨做往复直线运动，位于导轨轨道面与滑块轨道面之间的滚珠在保持器的维持下，在滚道内进行连续的循环运动，从而实现滑块与导轨raJ的相对运动。
滚动直线导轨副是一种新型的作相对往复直线运动的滚动支承，以导轨和滑块间的滚珠滚动来避免导轨面与滑块面的直接接触，以滚动摩擦代替了滑动摩擦。
滚动直线导轨副的摩擦系数为滑动导轨的护’1左右，这不仅可扭提高滑块的运动速度、保证滑块的运动精度，同时还可延长滚动直线导轨副使用的寿命。
.定位精度高
滚动直线导轨的运动借助钢球滚动实现，导轨副摩擦阻力小，动静摩擦阻力差值小，低速时不易产生爬行。
重复定位精度高，适合作频繁启动或换向的运动部件。
可将机床定位精度设定到超微米级。
同时根据需要，适当增加预载荷，确保钢球不发生滑动，实现平稳运动，减小了运动的冲击和振动。
b.磨损小
对于滑动导轨面的流体润滑，由于油膜的浮动，产生的运动精度误差是无法避免的。
在绝大多数情况下，流体润滑只限于边界区域，由金属接触而产生的直接摩擦是无法避免的，在这种摩擦中，大量的能量以摩擦损耗被浪费掉了。
与之相反，滚动接触由于摩擦耗能小，滚动面的摩擦损耗也相应减少，故能使滚动直线导轨系统长期处于高精度状态。
同时，由于使用润滑油也很少，这使得在机床的润滑系统设计及使用维护方面都变的非常容易。
c.适应高速运动且大幅降低驱动功率
采用滚动直线导轨的机床由于摩擦阻力小，可使所需的动力源及动力传递机构小型化，使驱动扭矩大大减少，使机床所需电力降低80%，节能效果明显。
可实现机床的高速运动，提高机床的工作效率20~30%。
d.承载能力强
滚动直线导轨副具有较好的承载性能，可以承受不同方向的力和力矩载荷，如承受上下左右方向的力,以及颠簸力矩、摇动力矩和摆动力矩。
因此，具有很好的载荷适应性。
在设计制造中加以适当的预加载荷可以增加阻尼，以提高抗振性，同时可以消除高频振动现象。
而滑动导轨在平行接触面方向可承受的侧向负荷较小，易造成机床运行精度不良。
e.组装容易并具互换性
传统的滑动导轨必须对导轨面进行刮研，既费事又费时，且一旦机床精度不良，必须再刮研一次。
滚动导轨具有互换性，只要更换滑块或导轨或整个滚动导轨副，机床即可重新获得高精度。
如前所述，由于滚珠在导轨与滑块之间的相对运动为滚动，可减少摩擦损失。
通常滚动摩擦系数为滑动摩擦系数的2%左右，因此采用滚动导轨的传动机构远优越于传统滑动导轨。
1.1.2.2液压加载
在用液压加载的装置当中，它必须要有一个承力的装置，把它叫做承载架，或者叫做加荷架。
它要承受加载器的反力，这个加载器一方面给这个试件加上力，同时它这个反力由加载架来承受，最后来传递到试验台上去。
a．液压加载的分类
液压加载可以通过这么几种方式来进行，一共有四种：
一种叫液压千斤顶，一种叫单向作用液压加载器，一种叫双向作用液压加载器，还有一种是比较现代化的叫电液伺服加载器。
液压加载器咱们介绍了四种，一个就是普通的液压千斤顶，再一个就是单作用的加载器，一个双向作用加载器和一个电液伺服的作动器。
电液伺服的作动器，为什么它不叫加载器呢？
因为，这个电液伺服作动器，这个作动器是起自动控制作用的，自动控制里的执行元件一般叫做作动器。
但是光有一个加载器实际上还不能实现加载，还要形成一个液压加载系统，这个液压加载系统就像开头咱们讲到的它要有油管，有泵等等。
b．液压加载系统
（1）液压试验机，在这讲的液压试验机是液压的结构试验机。
（2）普通的液压加载系统。
所谓普通液压加载系统，就是用前面介绍过的单作用的加载器和双向作用加载器，再配上油管，配上油泵一些控制阀等等构成液压系统。
（3）电液伺服加载系统。
1.2课题任务
1.2.1课题背景和研究意义
在机械工业自动化的发展中，由于快速进给速度和切削进给速度的不断高速化，以及NC工作机械的大量使用和精度的不断提高，以前广泛使用的滑动导轨，由于有许多不足之处而急速地被滚动直线导轨代替，因此滚动直线导轨副在机械传动中得到了日益广泛的应用。
在现在生产的规模化和集成化，需要对滚动直线导轨加载状态的性能指标进行检测试验。
滚动直线导轨副液压加载试验装置设备主要解决规模化生产条件下，滚动直线导轨产品的可靠性测试和研究用。
随着国民经济的持续快速发展，尤其是制造业的迅速发展，为滚动直线导轨产品提供了巨大的市场空间，中国市场强烈的诱惑力，使得世界都把目光聚焦于中国市场，在改革开放短短的几十年，中国滚动直线导轨制造业所形成的庞大生产能力让世界刮目相看。
随着中国电力工业、数据通信业、城市轨道交通业、汽车业以及造船等行业规模的不断扩大，对滚动直线导轨的需求也将迅速增长，未来直线导轨行业还有巨大的发展潜力。
在滚动直线导轨生成及正式投入使用之前，需要对滚动直线导轨副的垂直方向上的承载及加载能力进行测试，以满足不同场合滚动直线导轨副的承载及加载能力的要求。
而本设计——滚动直线导轨副液压加载试验装置可实现这一目标。
该装置采用液压缸进行加载，在床身中间上方的龙门架上安装加载装置液压缸，加载时液压缸活塞推动活塞杆向下运动。
活塞杆末端是一长方体块，直线导轨上方是滑块，滑块上方是一与活塞末端等大的长方体块，但此长方体块上表面有一球形凸起，以使加载时直线导轨受到是竖直向下的加载力。
滑块与调力块之间有压力传感器，用来测加载力的大小。
本设计是靠滚珠丝杠副带动工作台做来回往复运动，从而使工作台上方的直线导轨各部分都受到加载力。
1.2.2课题任务
本设计主要进行对滚动直线导轨加载状态下的性能指标进行检测试验；具体要求如下：
1.试验台的移动速度范围1-120米/分；最高120米/分。
2.测试、控制滚动直线导轨的垂直加载力的大小。
3.加载力最大值为被试验导轨的额定载荷，最小控制单位10公斤。
4.被测试滚动直线导轨型号为25、35、45
2滚动导轨液压加载实验装置总体方案的设计
2.1.滚珠直线导轨副液压加载实验装置系统设计
2.1.1滚动直线导轨副液压加载试验装置的机械结构设计
滚动直线导轨副液压加载试验装置由床身支架部分、工作台部分、传动系统、控制系统、液压缸加载装置系统组成。
这几部分要协同工作，对床身支架结构部分的设计要解决以下问题：
（1）床身支架部分要有足够的刚度和强度，由温度变化引起的变形要小；
（2）总体布局要合理，能有效的节省空间，不能占用太大的面积；
（3）床身部分要有足够的刚度、强度和稳定性；
（4）传动系统要求传动精度、效率、稳定性、安全性要高。
在床身中间上方的龙门架上安装加载装置液压缸，加载时液压缸活塞推动活塞杆向下运动。
活塞杆末端是一长方体块，直线导轨上方是滑块，滑块上方是一与活塞末端等大的长方体块，但此长方体块上表面有一球形凸起，以使加载时直线导轨受到是竖直向下的加载力。
滑块与调力块之间有压力传感器，用来测加载力的大小。
本设计是靠滚珠丝杠副带动工作台做来回往复运动，从而使工作台上方的直线导轨各部分都受到加载力。
2.1.2.滚动直线导轨副液压加载试验装置的加载结构设计
滚动直线导轨副液压加载试验装置的加载采用液压缸加载。
液压缸固定在龙门支架上。
（1）龙门支架要有足够的刚度、强度。
（2）加载装置要满足调节方便、定位精度高，受温度变化影响小。
2.1.3.滚动直线导轨副液压加载试验装置的控制系统设计
滚动直线导轨副液压加载试验装置的控制系统是对液压缸加载装置、传动系统进行控制，是整个装置的核心部分。
同时，根据压力传感器的示数大小和要加载力的大小对液压缸进行调整，使加载力符合要求滚动直线导轨副承载最大加载力。
（1）控制系统要有足够的稳定性、快速性、准确性；
（2）采用闭环控制保证控制精度；
（3）采用软件和电路补偿以获得较精确的误差曲线；
（4）对采样信号进行快速、正确的处理。
2.2电机的选择
在本设计中要求电机可以频繁正反转，并且可以在1-120米/分内实现无级调速，并且具有一定的承受负载能力。
以往我们一般选择具有调速系统的直流电机或鼠笼式交流异步电机，但是由于这两种电机的调速系统还要专门选配，因此我们在这里选择市场上比较流行的开关磁组式电机调速系统（SRD）面简单介绍一下该电机。
开关磁阻电动机调速系统SRD（SwitchedReluctanceDrive）是继变频调速系统、无换向器电动机调速系统之后发展起来的最新一代交流无级调速系统。
它具有结构简单、坚固、成本低、工作可靠、控制灵活、运行效率高等诸多优点，由其构成的传动系统具有交、直流传动系统所没有的优点。
本系统中电机的主要作用是带动滚珠直线导轨旋转，因此要求功率不大。
摩擦力矩即负载转矩的大小为Tw=26N·m左右，电机转速
取0.96，
，
则
，（2-1）
（2-2）
电机采用B3形式安装，防护等级为IP44封闭式。
在本系统中选择由北京锐力宏业科贸中心和中纺机电研究所生产的开关磁阻电动机调速体统H系列的H132A型。
H132A型开关磁阻电动机调速系统的各项指标：
输入电压3相AC380/50Hz,额定转速1500rpm,功率为5.5Kw,价格（含税价）为12500元，制动电阻R为36Ω，则额定电流
H132A型开关磁阻电动机调速系统的特性：
■高起动转矩（150%
），低起动电流（
）
■适用于频繁起停及正反转
■电动机结构简单、成本低、适用于高速运行
■可控参数多，调速性能好
■电动机各相独立工作，系统可靠性极高
■转速转矩大范围变化时保持高的系统效率
■功率电路简单可靠
■可通过机和电的统一协调设计满足各种特殊使用要求
开关磁组式电机调速系统（SRD）的工作原理：
SR电机是一种机电能量转换装置。
根据可逆原理，SR电机和传统电机一样，它既可将电能转换为机械能—电动运行，在这方面的理论趋于成熟;也可将机械能转换为电能—发电运行，其内部的能量转换关系不能简单看成是SR电动机的逆过程。
本文将从SR电机电动和发电运行这两个角度阐述SR电机的运行原理。
2.3液压缸的选择
【液压缸选定程序】
2.3.1、初选缸径/杆径
※条件一
已知设备或装置液压系统控制回路供给液压缸的油压P、流量Q及其工况需要液压缸对负载输出力的作用方式（推、拉、既推又拉）和相应力（推力F1、拉力F2、推力F1和拉力F2）的大小（应考虑负载可能存在的额外阻力）。
针对负载输出力的三种不同作用方式，其缸径/杆径的初选方法如下：
初定缸径D：
由条件给定的系统油压P（注意系统的流道压力损失），满足推力F1的要求对缸径D进行理论计算，参选标准缸径系列圆整后初定缸径D；
初定杆径d：
由条件给定的输出力的作用方式为推力F1的工况，选择原则要求杆径在速比1.46~2（速比：
液压缸活塞腔有效作用面积与活塞杆腔有效作用面积之比）之间，具体需结合液压缸回油背压、活塞杆的受压稳定性等因素，参照相应的液压缸系列速比标准进行杆径d的选择。
※条件二
已知设备或装置需要液压缸对负载输出力的作用方式大小。
但其设备或装置液压系统控制回路供给液压缸的油压P、流量Q等参数未知，针对负载输出力的作用方式，其缸径/杆径的初选方法如下：
（1）根据本设备或装置的行业规范或特点，确定液压系统的额定压力P；专用设备或装置液压系统的额定压力由具体工况定，一般建议在中低压或中高压中进行选择。
（2）根据本设备或装置的作业特点，明确液压缸的工作速度要求。
（3）参照“条件一”缸径/杆径的初选方法进行选择。
注：
缸径D、杆径d可根据已知的推（拉）力、压力等级等条件由下表进行初步查取。
不同压力等级下各种缸径/杆径对应理论推（拉）力表
序号
缸径
（mm）
推力（KN）
杆径
（mm）
拉力（KN）
压力等级（MPa）
压力等级（MPa）
7
14
16
21
25
31.5
7
14
16
21
25
31.5
1
32
6
11
13
17
20
25
18
4
8
9
12
14
17
2
40
7
18
20
26
31
40
20
7
13
15
20
24
30
22
6
12
14
18
22
28
25
5
11
12
16
19
24
28
4
9
10
13
16
20
3
50
14
27
31
41
49
62
25
10
21
24
31
37
46
28
9
19
22
28
34
42
32
8
16
19
24
29
37
36
7
13
15
20
24
30
4
63
22
44
50
65
78
98
32
16
32
37
49
58
73
35
15
30
34
45
54
68
45
11
21
24
32
38
48
5
80
35
70
80
106
126
158
40
26
53
60
79
94
119
45
24
48
55
72
86
108
55
19
37
42
56
66
83
6
90
45
89
102
134
159
200
45
33
67
76
100
119
150
50
31
62
70
92
110
139
63
23
45
52
68
81
102
7
100
55
110
126
165
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