淺談三坐標(biāo)測量機應(yīng)用滾珠直線導(dǎo)軌時應(yīng)注意的問題

文學(xué)鋒

（西安愛德華測量設(shè)備股份有限公司，陜西 西安 710077）

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淺談三坐標(biāo)測量機應(yīng)用滾珠直線導(dǎo)軌時應(yīng)注意的問題

文學(xué)鋒

（西安愛德華測量設(shè)備股份有限公司，陜西 西安 710077）

摘 要：本文以滾珠直線導(dǎo)軌的運動精度試驗為基礎(chǔ)，結(jié)合三坐標(biāo)測量機的誤差原理，進行理論分析，論述了在三坐標(biāo)測量機中應(yīng)用滾珠直線導(dǎo)軌時應(yīng)注意的問題，為三坐標(biāo)測量機的設(shè)計開發(fā)提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：運動直線度誤差；運動角誤差；運動精度；滾珠直線導(dǎo)軌

0. 引言

近年來，隨著制造技術(shù)的發(fā)展，滾珠直線導(dǎo)軌（以下簡稱導(dǎo)軌）以其精度高、剛度高、摩擦因素小、運動靈活、低速運動平穩(wěn)等特點，被廣泛應(yīng)用于精密機床、數(shù)控機床和測量儀器中。我們在三坐標(biāo)測量機的設(shè)計開發(fā)中應(yīng)用導(dǎo)軌時遇到了諸多問題，本文將以導(dǎo)軌的運動精度試驗為基礎(chǔ)，結(jié)合三坐標(biāo)測量機的誤差原理，進行理論分析，論述了在三坐標(biāo)測量機中應(yīng)用導(dǎo)軌時應(yīng)注意的問題。

1. 與導(dǎo)軌有關(guān)的幾何誤差

三坐標(biāo)測量機共有21項幾何誤差，其中與導(dǎo)軌有關(guān)的有15項，即每個運動方向的導(dǎo)軌各產(chǎn)生5項誤差，它們是2項運動直線度誤差和3項運動角誤差。

如滑板沿x軸運動，它的運動直線度誤差包括在y軸的運動直線度誤差δy（x）和在z軸的運動直線度誤差δz（x），其中x表示滑板在x軸的位移量，下標(biāo)y、z表示誤差變動的方向，它們都是位移量x的函數(shù)；它的運動角誤差包括繞y軸回轉(zhuǎn)的運動角誤差εy（x）、繞z軸回轉(zhuǎn)的運動角誤差εz（x）以及繞x軸回轉(zhuǎn)的運動角誤差εx（x），其中括號內(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. 試驗原理

當(dāng)滑板沿x軸運動時，每隔一定距離，電感測微儀能夠準(zhǔn)確地顯示出該位移時滑板沿y軸或z軸的變動量或電子水平儀能夠準(zhǔn)確地顯示出該位移時滑板繞x、y或z軸的運動角誤差，將測量結(jié)果存入計算機，并進行數(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項運動誤差的測量結(jié)果。

3. 試驗數(shù)據(jù)分析及結(jié)論

3.1 滑板剛度

試驗采用厚度分別為20mm和40mm的滑板進行測試，對比測量結(jié)果，當(dāng)其他因素不變時，滑板剛度增大，運動角誤差εy（x）減小。

3.2 導(dǎo)軌跨距c

試驗通過測量導(dǎo)軌跨距c為50、100 和150mm時的各項運動誤差，對比測量結(jié)果，當(dāng)其他因素不變，導(dǎo)軌跨距c增大，運動角誤差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，運動直線度誤差δz（x）和運動角誤差εz（x）會隨著位移進行周期性的波動，在三坐標(biāo)測量機的設(shè)計中，出現(xiàn)這種周期性的波動是不允許的；當(dāng)滑塊跨距d為導(dǎo)軌安裝孔距λ的整數(shù)倍時，運動直線度誤差δz（x）和運動角誤差εz（x）則不會隨著位移進行周期性的變動。

導(dǎo)軌是用鎖緊螺釘固定在機臺上的，導(dǎo)軌是一彈性體，鎖緊螺釘所產(chǎn)生的壓縮力會使其發(fā)生變形，這里采用NSK LH30導(dǎo)軌進行分析，導(dǎo)軌的上下球溝道的兩個表面都經(jīng)過磨削，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進行周期性的變化，從而反映到運動直線度誤差δz（x）和運動角誤差εz（x）中，所以在三坐標(biāo)測量機的設(shè)計時，應(yīng)盡量將滑塊跨距d設(shè)計為所選導(dǎo)軌安裝孔距λ的整數(shù)倍，防止運動直線度和運動角誤差出現(xiàn)周期性的波動。

3.4 導(dǎo)軌安裝孔距λ與深度h

這里采用NSK LH30導(dǎo)軌進行分析，導(dǎo)軌安裝孔的標(biāo)準(zhǔn)深度h為12mm，通過4.3的分析可知，加深導(dǎo)軌安裝孔的深度會減小下溝道處的變形，考慮到導(dǎo)軌的使用強度，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，將在機臺上安裝時由鎖緊螺釘所產(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 加長滑塊

由于直線導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)關(guān)系，來自球通過時的振動是不可避免的，即使幾何形狀完美的產(chǎn)品也不例外，但是這種振動可以通過有效的設(shè)計予以減少，與標(biāo)準(zhǔn)滑塊相比，采用加長滑塊后鋼球通過時振動減少至1/3，提高了工作臺面的運動直線度。

結(jié)語

以上從理論和試驗兩方面闡述了多方面因素對滾珠直線導(dǎo)軌運動精度的影響，而且各因素的作用效果不一樣，因此，我們在設(shè)計三坐標(biāo)測量機時，應(yīng)綜合考慮各個因素對滾珠直線導(dǎo)軌運動精度的影響，同時兼顧產(chǎn)品成本，設(shè)計出公司和客戶都滿意的三坐標(biāo)測量機。

參考文獻

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中圖分類號：TH721

文獻標(biāo)識碼：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