導軌直線度對測量結果的影響

戈娟，張偉，賀鳳寶

(大連工業大學機械工程與自動化學院，遼寧大連 116034)

隨著機械加工業的快速發展，對與之配套的測量設備也提出了更為嚴格的要求。衡量一臺精密測量設備的標準之一就是設備的導軌。導軌精度是一項復合精度，除本身精度外，還與基礎件的變形以及使用磨損有關。產品制造時，理論上要達到幾何誤差與變形誤差之差為0。導軌直線度是衡量導軌精度的一個重要指標。導軌直線度誤差包括:導軌在水平面內的直線度誤差;導軌在垂直面內的直線度誤差，一般的導軌直線度誤差都是看成以上兩種誤差的合成［1］。國內外一般有如下幾種測量方法:橫向調制偏振光測量導軌直線度［1］、EST法測量機床導軌直線度［2］、基于激光剪切干涉的長導軌直線度［3－4］、水平儀測量法［4］、準直儀測量法［4］。

基于某公司的刀具測量儀［5－6］，在現有條件的基礎上檢測滑臺的直線度，并采用機械裝置進行調整，進而提高設備的測量精度。

1 實驗平臺

選取HIWIN的導軌型號為SSR 15XV 2型、精度為高級，垂直面內的平行度為20 μm，北京北光的滑臺，搭建實驗平臺——刀具幾何參數測量系統，如圖1所示。

圖1 刀具幾何參數測量儀系統構成框圖

該儀器采用三維工作臺的目的是帶動光學變倍鏡頭和CCD攝像機移動，從而完成圖像聚焦，使被測物體的輪廓形狀清晰地顯示在屏幕上;并通過三維工作臺的移動完成圖像被測點的坐標采集，從而測量工件的線性長度。

2 導軌直線度的檢測

2.1 檢測導軌直線度的方法

以00級大理石為基準面，將工作臺按照圖紙要求固定在大理石上，用打表的方法在00級大理石方箱進行找正，如圖2所示。

圖2 檢測導軌直線度

依據表頭指針的的讀數，導軌在豎直面內直線度較好，偏差僅有5 μm，但在水平面內有來回擺動的趨勢。相比較而言，誤差在水平面比較敏感。試驗中導軌從一極限位置開始，運動140 mm，導軌在水平面內的運動軌跡如表1和圖3所示。

該測量儀是依據鏡頭捕捉被測工作的位置，由光柵尺讀取所測工件的長度。導軌在移動過程中呈現往復擺動，進而使固定在移動滑臺上的鏡頭往復擺動，會造成所測結果偏大或偏小。試驗中選取長度為80 mm的標準量塊，在不同位置測量誤差相差一百多微米。

表1 導軌運動軌跡

圖3 導軌運動軌跡圖

2.2 導軌的3種運動軌跡及誤差

根據所測長度的不同，鏡頭起始位置可能出現在不同的范圍內。經過反復實驗，得出導軌有3種運動趨勢，如圖4所示。

圖4 導軌運動趨勢

導軌運動趨勢如圖4(a)所示時，光柵尺裝在導軌的右側時，測量誤差為

α1、α2都很小，tanα1、tanα2可近似等于 α1、α2。在這種情況下，測量誤差偏大或偏小由α1、α2的大小決定，當 α1?α2時，Δ1?0、Δ2?0，此時測量的實際值比真實值偏小;當 α1?α2時，Δ1?0、Δ2?0，此時測量的實際值比真實值偏大。

導軌運動趨勢如圖4(b)時，光柵尺裝在導軌的右側時，測量誤差為

α1、α2都很小，tanα1、tanα2可近似等于 α1、α2。在這種情況下，測量值始終比真實值要小，而且隨著位置的不同，α1、α2大小也不同，誤差值也是變化的，呈現無規律性。

導軌運動趨勢如圖4(c)時，光柵尺裝在導軌的右側時，測量誤差為

α1、α2都很小，tanα1、tanα2可近似等于 α1、α2。在這種情況下，測量值始終比真實值要大，而且隨著位置的不同，α1、α2大小也不同，誤差值也是變化的，呈現無規律性。

3 調整導軌直線度

以上3種結果正好證實了測量值在不同位置測量誤差偏大或偏小這一現象。為此，設計了一套簡易的機械裝置針對導軌進行調整，以其中一只導軌作為基準導軌，來調節另外一只導軌。試驗中做好兩只薄鋼板來固定導軌，其中一端用調緊螺釘來進行調節，如圖5所示。

圖5 調整導軌直線度

調節導軌上的螺釘，使導軌的直線度在5 μm內。試驗中選取長度為80 mm的量塊，連續測量5次，最大誤差為9 μm。利用此方法，可以大大減小導軌回來擺動的趨勢，進而測量精度可以大大提高。

4 結論

通過分析導軌的運動軌跡，找出了在不同位置下測量誤差無規律性的主要原因，并推算出誤差公式。測量誤差的大小與導軌的擺角和被測工件到導軌中心的距離成正比。

試驗中采用固定板對導軌進行固定，其中一邊用帶有調緊螺釘的活動板進行調整，進而對導軌進行找正。實驗表明:通過調整導軌，測量誤差可由之前的一百多微米減小到10微米以內，大大提高了測量精度。

【1】朱凌建，李照鎖，劉君華，等.橫向調制偏振光測量導軌直線度［J］.光學學報，2009，24(4):955 －959.

【2】張軍峰，王燕燕.EST法測量機床導軌直線度誤差分析［J］.機床與液壓，2010，38(3):46 －49.

【3】王文丹，趙美蓉，付魯華，等.基于激光剪切干涉的長導軌直線度測量系統設計［J］.傳感器與微系統，2009，28(12):77－79.

【4】黃天喜，嚴禎，曾韜.幾種測量機床導軌直線度誤差的方法［J］.機械工程與自動化，2008(2):186－188.

【5】陳應州.非接觸式刀具幾何參數測量系統研究［D］.大連:大連輕工業學院，2004.

【6】趙耀.DJCLY92B刀具幾何參數測量儀誤差分析與精度補償［D］.大連:大連工業大學，2010.