一種加工中心床身與立柱螺栓連接狀態(tài)檢測(cè)方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及機(jī)床制造及裝配技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及工作臺(tái)豎直移動(dòng)式雙立柱臥式加 工中心床身與立柱螺栓連接狀態(tài)檢測(cè)方法和裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)臥式加工中心工作臺(tái)在水平方向移動(dòng)，而工作臺(tái)豎直移動(dòng)式臥式加工中心雙 立柱置于床身前方，工作臺(tái)沿著雙立柱實(shí)現(xiàn)豎直移動(dòng)，該構(gòu)型臥式加工中心具有上下料方 便、利于排肩等特點(diǎn)。但該構(gòu)型臥式加工中心，立柱重力、Y軸進(jìn)給系統(tǒng)重力、工作臺(tái)重力、工 件重力，以及切削過(guò)程中的Y向切削力，X向、Z向切削產(chǎn)生的力矩等主要由床身與立柱間的 螺栓和\或銷組合連接方式承擔(dān)，并且需要保證良好的整機(jī)剛度及精度，因此需要嚴(yán)格控制 床身與立柱間的螺栓連接預(yù)緊力。
[0003] 床身與立柱螺栓連接狀態(tài)受螺栓軸向預(yù)緊力、連接界面平面度及粗糙度等因素綜 合影響，擰緊過(guò)程中施加的是擰緊力矩，起預(yù)緊作用的是軸向預(yù)緊力，軸向力除受擰緊力矩 影響外，也受螺紋牙面摩擦系數(shù)、螺栓頭平面摩擦系數(shù)，以及擰緊速度、擰緊次數(shù)等因素影 響，具有很大隨機(jī)性;床身與立柱的結(jié)合面面積較大，相互結(jié)合表面的平面度、波紋度及粗 糙度等也對(duì)結(jié)合面接觸狀態(tài)具有很大影響;此外，目前臥式加工中心裝配過(guò)程中擰緊力矩 主要依靠人為控制，可能存在漏擰、擰緊力矩不足、擰緊順序不合理，或擰緊次數(shù)不均勻等 問(wèn)題。因此，實(shí)際裝配后的床身與立柱螺栓連接狀態(tài)很可能與設(shè)計(jì)狀態(tài)存在較大差異，有必 要進(jìn)行相應(yīng)檢測(cè)與評(píng)定。
[0004] 授權(quán)公告號(hào)為CN 102322983 B、CN 103245452 B、CN 103616118 B、CN 103162877 B、CN 102519652 B等專利分別發(fā)明了一種螺栓緊固狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置或方法，但要求在螺栓連 接結(jié)構(gòu)中添加附件，或者在螺栓連接結(jié)構(gòu)中添加傳感器。而裝配現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)床身與立柱螺栓 連接狀態(tài)過(guò)程中不允許在螺栓連接中添加附加裝置，以免影響連接可靠性及后續(xù)的可維護(hù) 性，在結(jié)合面間添加傳感器也將影響結(jié)合面的實(shí)際接觸狀態(tài)。因此，需研究既不影響床身與 立柱螺栓連接狀態(tài)，又不影響螺栓連接可靠性及后續(xù)維護(hù)性的檢測(cè)方法。
[0005] 在針對(duì)工作臺(tái)豎直移動(dòng)式雙立柱臥式加工中心床身與立柱進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)及振動(dòng)測(cè) 試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)：（1)螺栓作用下，床身與立柱結(jié)合面壓力在以螺栓中心為圓心，直徑80mm范 圍內(nèi)集中分布，超出該范圍結(jié)合面壓力分布相對(duì)均勻，集中分布面積幾乎不隨預(yù)緊載荷改 變而改變；（2)距離螺栓中心40mm范圍內(nèi)，在床身及立柱上對(duì)稱布置加速度傳感器，法向激 勵(lì)（即沿螺栓的軸向施加的激勵(lì))作用下螺栓連接緊固狀態(tài)與能量損耗特性之間存在明顯 的規(guī)律性:法向激勵(lì)(即激振力垂直于結(jié)合面)作用下，在螺栓預(yù)緊力矩較小(一般小于螺栓 額定預(yù)緊力矩70%時(shí)），能量損耗率隨預(yù)緊力增大而迅速減小，而當(dāng)螺栓預(yù)緊力達(dá)到額定預(yù) 緊力的70~80%范圍后，隨著預(yù)緊力增大，能量損耗率隨預(yù)緊力增大保持相對(duì)穩(wěn)定。實(shí)際裝 配過(guò)程中，設(shè)計(jì)要求床身與立柱各螺栓實(shí)際連接狀態(tài)對(duì)應(yīng)于額定預(yù)緊力的80%作用下的預(yù) 緊狀態(tài)，因此結(jié)合該規(guī)律能夠快速、準(zhǔn)確判斷床身與立柱螺栓連接是否存在漏擰、預(yù)緊力不 足以及結(jié)合面接觸狀態(tài)不良等問(wèn)題。
[0006] 通過(guò)檢索專利及國(guó)內(nèi)外論文發(fā)現(xiàn)，一篇文獻(xiàn)介紹了螺栓連接結(jié)構(gòu)在切向載荷(平 行于結(jié)合面)作用下的能量損耗規(guī)律，經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn):切向動(dòng)載荷作用下，預(yù)緊力達(dá)到額定預(yù) 緊力50~60 %后，隨著預(yù)緊力增大，床身與立柱能量損耗率即隨預(yù)緊力增大保持相對(duì)穩(wěn)定， 因此基于切向載荷作用下的能量損耗規(guī)律，不能準(zhǔn)確判斷床身與立柱是否實(shí)現(xiàn)良好預(yù)緊， 同時(shí)，裝配過(guò)程中切向載荷作用也可能影響機(jī)床裝配精度;另外基于動(dòng)力學(xué)特征檢測(cè)螺栓 連接狀態(tài)以及采用壓電陶瓷激勵(lì)檢測(cè)螺栓連接狀態(tài)等方法，主要用于檢測(cè)、分析螺栓連接 結(jié)構(gòu)模態(tài)及剛度、阻尼特征，而準(zhǔn)確測(cè)試、提取床身-立柱各螺栓連接位置的剛度、阻尼特征 困難，僅提取模態(tài)難以直接判斷各螺栓連接是否存在預(yù)緊力大小不足等問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明針對(duì)以上問(wèn)題的提出，而研究設(shè)計(jì)一種不影響螺栓的連接狀態(tài)、操作方便 且檢測(cè)速度快的加工中心床身與立柱螺栓連接狀態(tài)檢測(cè)方法及裝置。
[0008] 本發(fā)明的技術(shù)手段如下：
[0009] -種加工中心床身與立柱螺栓連接狀態(tài)檢測(cè)方法，包括以下步驟：
[0010] S1、力錘在立柱側(cè)給螺栓施加軸向激勵(lì)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分別采集床身和立柱在不 同時(shí)刻的加速度信號(hào)，并通過(guò)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)分別計(jì)算出立柱的加速度信號(hào)的有效值<?和 床身的加速度信號(hào)的有效值a:;
[0011] 其中加速度信號(hào)的有效值的計(jì)算方法為：:，式中，ai為不同時(shí)刻
的加速度值，η為一段時(shí)間內(nèi)加速度值的采樣長(zhǎng)度；
[0012] 數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)計(jì)算出能量損耗率Α，具體計(jì)算公式為：
[0013] S2、將能量損耗率Α與能量損臨界閾值Αο相比較，其中，能量損耗臨界閾值Αο為螺 栓在擰緊狀態(tài)下力錘給螺栓施加軸向激勵(lì)后能量損耗率;若Α>Αο,表明連接床身與立柱的 螺栓出現(xiàn)漏擰、松動(dòng)或者預(yù)緊力不足;若Α〈Αο，表明螺栓連接狀態(tài)滿足要求。
[0014] 進(jìn)一步地，所述能量損耗臨界閾值Αο的確定方法為：
[0015] 給螺栓施加不同預(yù)緊力，然后力錘在立柱側(cè)給螺栓施加軸向激勵(lì)，分別計(jì)算出螺 栓在不同預(yù)緊狀態(tài)下的能量損耗率，隨著預(yù)緊力的增加，能量損耗率趨于一個(gè)穩(wěn)定值，這個(gè) 穩(wěn)定值即為能量損耗臨界閾值Αο。
[0016] 進(jìn)一步地，所述能量損耗臨界閾值Αο的確定方法為：
[0017] (1)構(gòu)造床身和立柱的相似試件
[0018] 加工與床身和立柱相同材料、相同粗糙度、相同螺栓類型和分布方式以及相似結(jié) 構(gòu)外形的試件，并構(gòu)造與床身和立柱相同的約束條件；
[0019] (2)計(jì)算螺栓不同預(yù)緊狀態(tài)下能量損耗率
[0020] 分別調(diào)節(jié)螺栓預(yù)緊力至螺栓額定預(yù)緊力的10 %、20 %、30 %、40%、50%、60 %、 70%、80%、90%、100%;用力錘在立柱相似試件一側(cè)給螺栓施加軸向激勵(lì)，分別采集立柱 相似試件和床身相似試件的加速度信號(hào)，并通過(guò)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)分別計(jì)算出立柱相似試件和 床身相似試件的加速度信號(hào)的有效值，計(jì)算出能量損耗率;隨著預(yù)緊力的增加能量損耗率 趨于一個(gè)穩(wěn)定值，取這個(gè)穩(wěn)定值為能量損耗臨界閾值A(chǔ)o。
[0021] -種加工中心床身與立柱螺栓連接狀態(tài)檢測(cè)裝置，所述床身與立柱通過(guò)螺栓把 合，所述檢測(cè)裝置包括：
[0022] 分別設(shè)置在立柱和床身的把合面的鄰側(cè)面上，且與所述螺栓位于同一水平面上的 第一加速度傳感器和第二加速度傳感器；
[0023] 用于采集所述第一加速度傳感器和所述第二加速度傳感器的加速度信號(hào)的數(shù)據(jù) 米集系統(tǒng)；
[0024]在立柱側(cè)給螺栓施加軸向激勵(lì)的力錘；
[0025]以及用于計(jì)算第一加速度傳感器的加速度信號(hào)的有效值與第二加速度傳感器 的加速度信號(hào)的有效值并根據(jù)?和計(jì)算出能量損耗率A的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。
[0026]若能量損耗率A>能量損耗臨界閾值A(chǔ)o，表明連接床身與立柱的螺栓出現(xiàn)漏擰、松 動(dòng)或者預(yù)緊力不足;若能量損耗率A〈能量損耗臨界閾值A(chǔ)o,表明螺栓連接狀態(tài)滿足要求。 [0027]進(jìn)一步地，所述第一加速度傳感器和第二加速度傳感器均為三向加速度傳感器。
[0028] 更進(jìn)一步地，所述第一加速度傳感器和第二加速度傳感器的中心連線與螺栓軸線 平行。
[0029] 與現(xiàn)有技術(shù)比較，本發(fā)明所述的加工中心床身與立柱螺栓連接狀態(tài)檢測(cè)方法及裝 置就有以下有益效果：<