滾動直線導軌副綜合精度的檢測

廣東高新凱特精密機械股份有限公司 (江門 529100) 楊炫召 葉飛原 張艷紅

滾動直線導軌副是一種滾動直線導向部件，由滾動體 (鋼球、滾柱等)在滑塊與導軌之間作無限滾動循環，負載平臺能沿著導軌輕易地以高精度作直線運動。滾動直線導軌副以滾動摩擦代替滑動導軌的滑動摩擦，具有大承載、高精度、高速度和低磨損等優良特性，作為功能部件廣泛用于各種機床及電子機械中。

1.滾動直線導軌副綜合精度

滾動直線導軌副作為高精度直線運動導向部件，其精度要求非常高，2級的運動精度為6 μm/m、15 μm/4 m，組合尺寸公差為±12 μm。我國機械行業標準JB/T 7175.4—2006驗收技術條件對滾動直線導軌副的精度項目和要求作了規定。

(1)滑塊沿導軌運動相對導軌基準面 (包括底面基準、側面基準)的平行度。

(2)滑塊頂面與導軌基準底面高度H的尺寸偏差。

(3)同一平面上配對導軌的多個滑塊頂面高度H的變動量。

(4)與導軌基準側面同側的滑塊側面與導軌基準側面之間的距離W的尺寸偏差。

(5)同一導軌上多個滑塊側面與導軌基準側面之間的距離W的尺寸變動量。

2.JB/T 7175.4—2006的檢測方法

機械行業標準JB/T 7175.4—2006中還對上述精度項目的檢測方法作了說明。如圖1所示，將被測導軌緊固在專用檢測平臺上，在平臺上放置專用表架，表架的一側平面緊靠在導軌的側面基準上，在專用表架上固定兩個千分表等指示器，使其中一測頭觸及滑塊頂面中心處，另一測頭觸及與導軌基準側面同側的滑塊側面中心處。沿專用檢測平臺和導軌基準側面同步移動滑塊和專用表架，在導軌的各個位置進行檢測。用這種方法對導軌上各件滑塊進行檢測，最后通過綜合運算就可得到上述5個項目的檢測結果。綜合運算的計算方法如下:以測量一根配有兩件滑塊的導軌副為例，依照上述檢測方法，兩個方向指示器在導軌各檢測位置測得的各件滑塊高度偏差和寬度偏差分別為

滑塊1高度偏差:H11，H12，…，H1n;

滑塊1寬度偏差:W11，W12，…，W1n;

滑塊2高度偏差:H21，H22，…，H2n;

滑塊2寬度偏差:W21，W22，…，W2n。

圖1

根據上述測量得到的偏差值，可以計算出導軌副的各項精度:

3.常規檢測方法的困難與不足

滾動直線導軌副屬于高精度的機械產品，因此導軌副綜合精度的測量要求也很高。目前國內大多數導軌生產廠家使用行業標準中所述的檢測方法進行檢測，這是一種常規的檢測方法。這種檢測方法如果用手工方式并用接觸式指示表進行，對少量導軌副進行綜合精度的判定驗收是可以的。但如果用于大批量導軌副的檢測顯然是難以滿足要求的，不僅人為誤差大，而且檢測效率非常低。測量時需小心地移動專用表架和滑塊在導軌的每個檢測位置進行測量，檢測數據需手工逐個記錄，測完以后還需要人工進行綜合計算才能得到導軌副的各項綜合精度。如果導軌副的滑塊數較多，導軌長度也比較長，在導軌上檢測的位置數相應增多，測量、記錄和計算的工作量將成倍地增加。因此，用手工在檢測平臺上推動專用表架來進行檢測的方式不僅效率低，而且檢測人員的勞動強度也很大，不適合滾動直線導軌副大批量的檢測。

4.導軌副綜合精度檢測儀的結構原理

針對滾動直線導軌副綜合精度檢測的特殊性，根據多年從事滾動直線導軌副綜合精度檢測的經驗，我們設計了可以快速檢測導軌副綜合精度的檢測儀。如圖2所示，在專用平臺上安裝一龍門架，龍門架可沿專用平臺兩邊的高精度導向機構運動。5個非接觸式測頭通過夾頭和調整機構安裝在龍門架的橫梁上，夾頭和調整機構用于調整測頭在高度和寬度兩方向的位置，以適應不同型號規格導軌副的測量。側面測頭與定位桿組成的機構用于測量導軌副寬度方向的偏差，包括滑塊與導軌基準側面之間尺寸的極限偏差和各滑塊之間的尺寸變動量、滑塊基準側面相對導軌基準側面的運動平行度等。頂面測頭用于測量導軌副的高度方向的偏差，包括導軌副高度的極限偏差、滑塊之間的高度變動量、滑塊頂面相對導軌底面的運動平行度以及滑塊沿導軌在全長運動時的偏擺等。基準測頭用于高度方向動態系統誤差的補償，達到高精度的測量。編碼器通過連接機構固定在龍門架上，并通過齒輪與固定在測量平臺側面下部的同步帶嚙合，用于實時監控龍門架的移動位置。測量時同步移動龍門架及被測滑塊在導軌的各測量位置采集數據，對采集數據進行綜合計算就可以得出導軌副的各項綜合精度，從而實現導軌副綜合精度的測量。

圖2

檢測儀對采集數據的綜合計算方法與手工測量的計算方法是一樣的，所不同的是檢測數據是自動采集的，減少了人為的讀數誤差，同時綜合計算也是由軟件自動完成，因此大大提高了檢測效率和檢測精度。此檢測儀創新之處是采用了非接觸式相對測量。由于檢測導軌副綜合精度時，測頭需要在同一根導軌上不同滑塊之間來回移動測量，如果使用接觸式測量，將難以保證每次測量時接觸示值的穩定性。而非接觸式測量由于不存在測量時的接觸碰撞，因此測量示值以及對表值都非常穩定，很好地解決了接觸式測量由于頻繁接觸碰撞造成測量值不穩定的問題。

檢測儀有以下性能特點:①采用非接觸式測量，檢測精度高，穩定性好。②對滾動直線導軌副型號規格的兼容性強，能檢測從小型的LM12到大型的LGR100等數十種型號規格，測量導軌副長度可達4 m，而且導軌副上的滑塊數量不限。

5.數據采集與高精度測量

不僅接觸式測量和非接觸式測量在測量值的穩定性上存在區別，數據采集和數字濾波技術也會對檢測儀的示值穩定性產生影響。檢測儀數據采集原理如圖3所示。

圖3

在工控機上安裝數據采集卡、計數卡及I/O卡等功能卡，測量軟件通過這些卡分別采集非接觸式位移傳感器輸出的測量值、編碼器發出的脈沖數以及采集按鈕控制板發出的控制信號。非接觸式位移傳感器將導軌副尺寸變化產生的位移量轉換成毫伏電壓模擬量，需要經過模/數轉換才能用計算機軟件進行處理，模/數轉換由數據采集卡實現。測量軟件按設定的時鐘周期不斷地掃描安裝在工控機上各板卡的端口、通道，并將掃描數據讀入內存中的動態變量數組，經過數字濾波等處理后再更新軟件界面上的示值。當測量軟件通過掃描I/O卡檢測到采集按鈕控制板發出采集等控制信號后，將動態變量數值讀入固定變量數組，從而實現檢測儀的數據采集。非接觸式位移傳感器將導軌副尺寸變化產生的位移量轉換成幾毫伏的電壓輸出，經放大器放大后成為幾伏的電壓信號。由于測量環境中存在振動、溫度變化和電場耦合等干擾因素，經放大器放大后的電壓信號不可避免地存在干擾信號，因此需要對電壓信號進行濾波處理。電壓信號在進入數據采集卡進行A/D轉換之前先經過具有RC濾波功能的端子板進行模擬濾波。經過模擬濾波后干擾信號雖然大為減少，但仍然存在低頻的脈沖干擾，仍不能滿足高穩定性示值的要求，因而要對經A/D轉換后的數字信號進行數字濾波。數字濾波的方法有很多，其中中位值平均濾波法對脈沖干擾有良好的過濾效果。中位值平均濾波法是先對采集的一組數據進行排序，截去首尾各若干個數據后，將剩余數據的平均值作為本組數據的濾波結果。

6.測量軟件的功能

此檢測儀的另一關鍵之處是強大的軟件功能。為此檢測儀器專門編寫軟件，具有系統誤差自動修正、檢測位置自動監測、綜合精度自動計算、自動判定合格與否、可供選擇接收或拒收，以及生產批次管理、測量數據共享管理等眾多功能。檢測時，檢測人員需要做的就是選擇生產批次，在平臺上緊固被測導軌，然后采集數據，其余工作全部由軟件自動完成，軟件界面如圖4所示。

圖4

7.結語

綜上所述，應用新技術設計開發的導軌副綜合精度檢測儀具有檢測精度高、穩定性好的優點，在降低檢測人員勞動強度的同時，可以大幅提高檢測效率和檢測精度，滿足導軌副綜合精度批量檢測的需要 (該檢測儀的研制受2012年國家重大專項“高檔數控機床滾動功能部件共性技術研發”的支持，支持基金的項目編號為:2012ZX04002021-06)。