淺談三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)應(yīng)用滾珠直線導(dǎo)軌時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題

文學(xué)鋒

（西安愛(ài)德華測(cè)量設(shè)備股份有限公司，陜西 西安 710077）

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淺談三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)應(yīng)用滾珠直線導(dǎo)軌時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題

文學(xué)鋒

（西安愛(ài)德華測(cè)量設(shè)備股份有限公司，陜西 西安 710077）

摘 要：本文以滾珠直線導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)精度試驗(yàn)為基礎(chǔ)，結(jié)合三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的誤差原理，進(jìn)行理論分析，論述了在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)中應(yīng)用滾珠直線導(dǎo)軌時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題，為三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：運(yùn)動(dòng)直線度誤差；運(yùn)動(dòng)角誤差；運(yùn)動(dòng)精度；滾珠直線導(dǎo)軌

0. 引言

近年來(lái)，隨著制造技術(shù)的發(fā)展，滾珠直線導(dǎo)軌（以下簡(jiǎn)稱導(dǎo)軌）以其精度高、剛度高、摩擦因素小、運(yùn)動(dòng)靈活、低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于精密機(jī)床、數(shù)控機(jī)床和測(cè)量?jī)x器中。我們?cè)谌鴺?biāo)測(cè)量機(jī)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中應(yīng)用導(dǎo)軌時(shí)遇到了諸多問(wèn)題，本文將以導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)精度試驗(yàn)為基礎(chǔ)，結(jié)合三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的誤差原理，進(jìn)行理論分析，論述了在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)中應(yīng)用導(dǎo)軌時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題。

1. 與導(dǎo)軌有關(guān)的幾何誤差

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)共有21項(xiàng)幾何誤差，其中與導(dǎo)軌有關(guān)的有15項(xiàng)，即每個(gè)運(yùn)動(dòng)方向的導(dǎo)軌各產(chǎn)生5項(xiàng)誤差，它們是2項(xiàng)運(yùn)動(dòng)直線度誤差和3項(xiàng)運(yùn)動(dòng)角誤差。

如滑板沿x軸運(yùn)動(dòng)，它的運(yùn)動(dòng)直線度誤差包括在y軸的運(yùn)動(dòng)直線度誤差δy（x）和在z軸的運(yùn)動(dòng)直線度誤差δz（x），其中x表示滑板在x軸的位移量，下標(biāo)y、z表示誤差變動(dòng)的方向，它們都是位移量x的函數(shù)；它的運(yùn)動(dòng)角誤差包括繞y軸回轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)角誤差εy（x）、繞z軸回轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)角誤差εz（x）以及繞x軸回轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)角誤差εx（x），其中括號(hào)內(nèi)x表示滑板在x軸的位移量，下標(biāo)x、y、z表示轉(zhuǎn)軸的方向。

2. 試驗(yàn)原理

當(dāng)滑板沿x軸運(yùn)動(dòng)時(shí)，每隔一定距離，電感測(cè)微儀能夠準(zhǔn)確地顯示出該位移時(shí)滑板沿y軸或z軸的變動(dòng)量或電子水平儀能夠準(zhǔn)確地顯示出該位移時(shí)滑板繞x、y或z軸的運(yùn)動(dòng)角誤差，將測(cè)量結(jié)果存入計(jì)算機(jī)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，在其他因素都不變的情況下，改變單一因素，分析導(dǎo)軌5項(xiàng)運(yùn)動(dòng)誤差的測(cè)量結(jié)果。

3. 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及結(jié)論

3.1 滑板剛度

試驗(yàn)采用厚度分別為20mm和40mm的滑板進(jìn)行測(cè)試，對(duì)比測(cè)量結(jié)果，當(dāng)其他因素不變時(shí)，滑板剛度增大，運(yùn)動(dòng)角誤差εy（x）減小。

3.2 導(dǎo)軌跨距c

試驗(yàn)通過(guò)測(cè)量導(dǎo)軌跨距c為50、100 和150mm時(shí)的各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)誤差，對(duì)比測(cè)量結(jié)果，當(dāng)其他因素不變，導(dǎo)軌跨距c增大，運(yùn)動(dòng)角誤差εx（x）減小。

3.3 滑塊跨距d與導(dǎo)軌安裝孔距λ

從測(cè)量結(jié)果中我們發(fā)現(xiàn)，滑塊跨距d與導(dǎo)軌安裝孔距λ存在以下關(guān)系：當(dāng)滑塊跨距d為導(dǎo)軌安裝孔距λ的半數(shù)倍時(shí)，運(yùn)動(dòng)直線度誤差δz（x）和運(yùn)動(dòng)角誤差εz（x）會(huì)隨著位移進(jìn)行周期性的波動(dòng)，在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的設(shè)計(jì)中，出現(xiàn)這種周期性的波動(dòng)是不允許的；當(dāng)滑塊跨距d為導(dǎo)軌安裝孔距λ的整數(shù)倍時(shí)，運(yùn)動(dòng)直線度誤差δz（x）和運(yùn)動(dòng)角誤差εz（x）則不會(huì)隨著位移進(jìn)行周期性的變動(dòng)。

導(dǎo)軌是用鎖緊螺釘固定在機(jī)臺(tái)上的，導(dǎo)軌是一彈性體，鎖緊螺釘所產(chǎn)生的壓縮力會(huì)使其發(fā)生變形，這里采用NSK LH30導(dǎo)軌進(jìn)行分析，導(dǎo)軌的上下球溝道的兩個(gè)表面都經(jīng)過(guò)磨削，標(biāo)準(zhǔn)要求是導(dǎo)軌安裝孔座表面比下溝道的中心略低，用FEM（有限元）分析，如圖1所示，在低于導(dǎo)軌安裝孔座表面的地方存在很大的變形，最大的變形在接近下溝道處（③處）和接近導(dǎo)軌安裝孔座表面（②處），因此，由于螺釘鎖緊引起導(dǎo)軌變形，產(chǎn)生隨著導(dǎo)軌安裝孔距λ進(jìn)行周期性的變化，從而反映到運(yùn)動(dòng)直線度誤差δz（x）和運(yùn)動(dòng)角誤差εz（x）中，所以在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量將滑塊跨距d設(shè)計(jì)為所選導(dǎo)軌安裝孔距λ的整數(shù)倍，防止運(yùn)動(dòng)直線度和運(yùn)動(dòng)角誤差出現(xiàn)周期性的波動(dòng)。

3.4 導(dǎo)軌安裝孔距λ與深度h

這里采用NSK LH30導(dǎo)軌進(jìn)行分析，導(dǎo)軌安裝孔的標(biāo)準(zhǔn)深度h為12mm，通過(guò)4.3的分析可知，加深導(dǎo)軌安裝孔的深度會(huì)減小下溝道處的變形，考慮到導(dǎo)軌的使用強(qiáng)度，加深后h為18mm，如圖2所示，在下溝道處具有不同導(dǎo)軌安裝孔距λ及沉孔深度h時(shí)導(dǎo)軌的變形，圖3為圖2中不同導(dǎo)軌的最大變形量，增加導(dǎo)軌安裝孔的沉孔深度h，將在機(jī)臺(tái)上安裝時(shí)由鎖緊螺釘所產(chǎn)生的軌道變形減少至將近1/2，抑制了由于導(dǎo)軌安裝孔的間距λ引起的軌道起伏；導(dǎo)軌安裝孔距λ減少至一半，軌道變形量也有明顯的降低，提高了導(dǎo)軌安裝的直線度。

3.5 加長(zhǎng)滑塊

由于直線導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)關(guān)系，來(lái)自球通過(guò)時(shí)的振動(dòng)是不可避免的，即使幾何形狀完美的產(chǎn)品也不例外，但是這種振動(dòng)可以通過(guò)有效的設(shè)計(jì)予以減少，與標(biāo)準(zhǔn)滑塊相比，采用加長(zhǎng)滑塊后鋼球通過(guò)時(shí)振動(dòng)減少至1/3，提高了工作臺(tái)面的運(yùn)動(dòng)直線度。

結(jié)語(yǔ)

以上從理論和試驗(yàn)兩方面闡述了多方面因素對(duì)滾珠直線導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)精度的影響，而且各因素的作用效果不一樣，因此，我們?cè)谠O(shè)計(jì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)時(shí)，應(yīng)綜合考慮各個(gè)因素對(duì)滾珠直線導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)精度的影響，同時(shí)兼顧產(chǎn)品成本，設(shè)計(jì)出公司和客戶都滿意的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。

參考文獻(xiàn)

［1］付愛(ài)霞，鄭曉云，劉耀.NSK最新開(kāi)發(fā)的高精密直線導(dǎo)軌［J］.軸承，2001（4）：38-42.

［2］彭東明，祖江嵩，張春梅，等.21項(xiàng)系統(tǒng)誤差分析與三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)導(dǎo)軌設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械工人（冷加工），2003（2）：42-44.

［3］周傳宏，孫健利.滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的運(yùn)動(dòng)精度試驗(yàn)研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2001（2）：20-21.

［4］ Shigeharu Kobayashi. Technological Trends in Linear Motion Rolling Guides for Machine Tools. NSK Technical Journal Motion & Control.2013（23）： 27-32.

中圖分類號(hào)：TH721

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：In this paper， we do the theoretical analysis on the basis of movement precision test for the ball linear guide，combined with the error principle of three coordinate measuring machine. This paper discusses the problems which should pay attention to when three coordinate measuring machine apply the ball linear guide. This provides theory basis for design and development of three coordinate measuring machine.

Keywords：motion straightness error； motion rotarional error； motion accuracy； ball linear guide