低应力装配实验报告

低应力装配实验报告一、实验目的.................................................................................................................1二、实验对象.................................................................................................................1三、测点布置.................................................................................................................2四、初始装配应力状态和运动工况设置.....................................................................3五、测试并分析各测点的初始装配应力状态的特点.................................................4六、各类初始装配应力特性和不同运动工况下的应变特性.....................................6七、工作台的振动分析...............................................................................................35八、实验结论分析及思考...........................................................................................39一、实验目的通过测试分析滑块-工作台在不同初始装配应力时各种运动工况下的应力特性变化情况和振动特性，研究初始装配应力状态和运动工况对应力特性和工作台振动特性的影响规律。二、实验对象实验使用的机床为工研精机生产的μ1000/630V数控铣床，其工作台X方向的最大行程为1.2m，最大的空载运行速度为30m/min，最大负载为1T。应变测试对象为其工作台-滑座的螺栓连接结合部，机床使用的直线导轨型号为HIMIN-RG55，为一款滚珠型直线导轨，单根导轨上布置3个滑座与工作台用螺栓连接，使用螺栓型号为M12全螺纹螺栓。图1为测试现场图，图2为导轨滑块图，图3为导轨上3个滑座的布置位置图。下文中为表述方便，将三个滑座从左到右以此编号为1号、2号、3号滑座。图1实验现场图2导轨-滑座图3滑座编号三、测点布置1、测点位置选择为了分析工作台-滑座之间螺栓连接的初始装配应力状态和运动工况对其应力特性的影响规律，实验选取了两类位置作为应力测试的测点。（1）工作台-滑块结合部工作台-滑块结合部的应力特性能直接反应初始装配应力特性，为了使测点的测试值尽量大，应变片的布置尽量靠近工作台和滑座的结合面，离结合面的距离为3mm，且测点位于螺栓的中心线上，。在实际测试时，使用了不同的应变片（三向应变片和单向应变片）。其中，三向应变片用于初始装配应力的测试，采用频率低，是静态应变的测试，其测试结果能全面反应测点的应力状态（应变大小和主应变的方向）；单向应变片只能测试某一个方向的应变，可用于静态的装配应变的测试和不同运动工况下的动态应变的测试。然而不论使用哪种型号的应变片，其测点位置均不变。如图4所示1号滑座2号滑座3号滑座为测点的选择位置。应变片粘贴过程包括：表面处理-贴片-接线端子粘贴-导线焊接。图4测点位置图（2）导轨表面在导轨表面布置测点，测试在运动中导轨上测点的应变变化，分析不同的初始装配应力特性和运动速度对导轨受力的影响。测点位置如下图5所示，使用的应变片为单向应变片。图5导轨表面测点位置四、初始装配应力状态和运动工况设置1、初始装配应力设置工作台导轨滑块测点坦克链实验设置了多组不同的初始装配应力状态，并通过调节各螺栓连接的力矩予以实现。这里简述为三大类：（1）各滑座上每一个个测点的初始应力状态均不同（2）滑座与滑座之间初始应力状态不同，但单个滑座上的两个螺栓处有相同的初始应力（3）各滑座上每一个测点的初始应力状态均相同在后续的数据分析中，会详细对不同的初始应力状态进行描述。2、运动工况设置实验设置了多组不同的运动工况，该机床工作台的极限最高运动速度为30m/min（实际加工中的工作台速度一般只能达到20m/min）。在测试中，设置了30m/min，15m/min，7.5m/min，0.5m/min的运动速度，将这些速度进行实时快速切换以得到不同的工作台进给工况，还进行了工作台配重，实现负载下的高速运动。在后续的数据分析中会对运动工况进行详细的描述。五、测试并分析各测点的初始装配应力状态的特点为了分析测点的初始装配应力状态（包括最大主应变值、最小主应变值、最大主应变方向），实验首先使用三向应变片测试了测点在螺栓预紧力为40NM时的初始装配应变，分析了测点处的各个方向的应变之间的关系，分析了测点处在加载力矩时最大主应变方向的规律。测点布置和编号示意图如图6所示，实际的贴片如图7所示。图6三向应变片测点编号图7三向应变片粘贴图在测试时，参考螺栓的预紧力，将力矩定为40NM,测试各测点的应变。将水平方向设为0o，另外两个测向为45o、90o，各测点各方向的应变值及其最大主应变，最小主应变，最大主应变方向如表1所示，单位是微应变。测点1测点2测点3测点4测点5测点60o19421017014919015645o-6-129-14-15-2290o-193-205-173-156-207-152最大主应变ε1194.51210.77171.47179.18190.78159.39最小主应变ε2-193.58-205.18-173.33-156.52-207.52-153.81ε1方向-0.98-2.051.70-1.92-0.8-4.79表1初始装配应变值由上表测试数据可以得到以下结论：1）任意一个测点的0o（拉伸应变）和90o（压缩应变）的应变值都很接近，最大主应变方向都是接近0o的方向。2）在相同预紧力的情况下，不同测点之间的应变值差别很大，即使是同一滑座上的测点之间（1号和2号、3号和4号、5号和6号）的应变差别也很大。因此可以认为，若在相同预紧力的情况下进行螺栓的预紧，会得到非均匀的应力分布。3）测试时选取任意一个测点的应变值为观察对象，可以明显看到其他测点处的螺栓预紧对选定测点的应变值没有影响，即可以认为滑座之间、螺栓之间的应变是独立的。图8为任意选取的测点1和测点2在所有螺栓加载过程中的应变变动情况。图8预紧过程中测点应变变动图六、各类初始装配应力特性和不同运动工况下的应变特性在研究不同初始装配应力和不同的运动工况下的应力变化时，将滑座上的三向应变片用单向应变片替换，由于2号滑座贴片空间有限，且3个滑座之间存在独立性，因此选取1号和3号滑座作为研究对象进行测试。图10为测点编号，图11为测点5、6、7、8实际的应变片布置图。图10单向应变片布点编号图11单向应变片实际图注：（1）在连接通道时测点5接在设备的23号通道上，其他各测点均接在与之数值相同的通道上。（2）滑座1和滑座3上的4个螺栓从左到右以此编号为1、2、3、4号螺栓。1、初始装配应力状态❶的各工况应力变化特性（1）初始装配应力状态❶的特征将1、2、3、4号螺栓以此按照50NM,60NM,50NM,50NM的力矩进行预紧，测试其初始的应力状态和在不同运动工况下的应力变化特征。图12为螺栓预紧后的应变值。（注：本次测试10号测点被关闭）图12初始装配应变❶各测点的初始装配应变值如表2：测点12345（23）678初始应变475130.8443.2196.2410.6270.5283.4229.4表2初始装配应变值从螺栓预紧后的测点应变值可以得到如下结论：工作台上的测点有着更大的应变值。各测点的应变值差别很大，即使同一个滑座上的不同测点的应变值也有很大的差别，这与前面三向应变片的测试结论很接近。可以认为本次的初始应力状态表现为极为不均匀的特点。（2）该初始装配应力状态下的应变变化特征分析在上述得到的初始装配应力状态条件下，让工作台以不同的速度运动，测试其应力变化（测点7和10关闭）。其全部运动阶段所有测点的应变变化如图13所示。工作台的行程为0.4m来回往复运动，测试过程中切换工作台的运动速度，得到不同的运动工况。切换的时间为：空采---(114s)30m/min-----(270s)0.5m/min-----(380s)30m/min----(450s)7.5m/min----(540s)停止运动-----空采图13测点动态应变图将上图的应变变化按照时间顺序进行拆分放大，依次得到下面各个运动时段的应变变化图。1）空采部分（114s结束）图14测点空采应变由图14空采过程中的个测点的应变值变化情况可以得到：空采的应变很平稳，且变化幅值在1个微应变以内，这保证了测试的准确性，说明应变片的粘贴情况良好。经过114s的空采，应变除了个别通道在某些时刻出现跳变，整体上保持稳定。稳定的空采可以保证在后续的运动中出现的变动不是由于系统的误差造成的。2）30m/min--0.5m/min—30m/min(2)--7.57m/min—停止段部分开始运动（30m/min）图15测点不同速度时应变值上图15显示了3种不同运动速度下的应变变化情况，下面就测点1、2、3、4进行相关的统计数据分析如下。1）测点1(图15中All-1)的各段的统计数据如表3测点1最大值最小值峰峰值平均值静止段1.084-1.0612.145-0.02930m/min1.563-1.8163.379-0.2690.5m/min1.628-1.3132.9410.23030m/min(2)1.664-1.4793.1140.1137.5m/min1.713-1.6083.322-0.163停止2.088-0.9713.0580.473表3测点1不同速度应变统计值测点1应变变化图如图16.图16测点1不同速度应变图2）测点2（图15中All-2）的各段统计数据如表4测点2最大值最小值峰峰值平均值开始运动（30m/min）0.5m/min）7.5m/min）30m/min）停止静止段1.082-1.1962.278-0.05330m/min3.619-0.8484.4671.4290.5m/min3.004-1.0754.0790.85330m/min(2)3.855-1.0634.9170.9157.5m/min2.775-1.3584.1330.300停止1.791-0.9092.7000.515表4测点2不同速度应变统计值测点2的应变变化图如图17图17测点2不同速度应变图3）测点3（图15中All-3）的各段统计数据如表5测点3最大值最小值峰峰值平均值静止段1.393-1.0502.4430.15630m/min-0.507-4.1523.645-2.3580.5m/min0.976-2.7503.726-0.78930m/min(2)-0.280-3.6763.396-2.0487.5m/min-0.653-4.4063.353-2.447停止-0.061-2.7062.645-1.445表5测点3不同速度应变统计值测点3的应变变化如图18图18测点4不同速度应变图4）测点4（图15中All-4）的各段统计数据如表6测点4最大值最小值峰峰值平均值静止段1.260-1.3392.599-0.10730m/min-0.265-4.0353.770-2.1290.5m/min0.328-2.7533.080-1.18330m/min(2)-0.967-4.6323.665-2.7827.5m/min-1.619-4.8253.206-3.