機(jī)床滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副裝配方法和裝配誤差評(píng)定

劉文濤， 張艷菊， 房紅軍， 段好運(yùn)， 劉冰玉， 徐世棟

（1.河南商丘技師學(xué)院，河南商丘476000；2.北京微納精密機(jī)械有限公司，北京101399）

0 引言

機(jī)床有“工作母機(jī)”之稱，在機(jī)械制造中起著重要作用。導(dǎo)軌對(duì)機(jī)床各運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行導(dǎo)向，是運(yùn)動(dòng)部件的基準(zhǔn)，所以導(dǎo)軌精度控制是機(jī)床核心技術(shù)之一[1]。按照使用性能和特點(diǎn)，機(jī)床導(dǎo)軌可分為滑動(dòng)導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌、磁浮導(dǎo)軌等。滑動(dòng)導(dǎo)軌一般用于重負(fù)載的機(jī)床[2]。滾動(dòng)導(dǎo)軌一般用于輕型較高精度場(chǎng)合，隨著數(shù)控機(jī)床高速高精度化發(fā)展，滾動(dòng)導(dǎo)軌的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。靜壓導(dǎo)軌及

磁浮導(dǎo)軌用于超高速超精密機(jī)床，是未來(lái)機(jī)床發(fā)展方向，但因較高的技術(shù)要求及很多尚待解決的問(wèn)題而沒(méi)有廣泛應(yīng)用。滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副使導(dǎo)軌裝配和制造簡(jiǎn)化，提高生產(chǎn)效率，精度容易控制，在機(jī)床制造中被廣泛使用。

對(duì)于機(jī)床這種復(fù)雜而龐大的結(jié)構(gòu),機(jī)床導(dǎo)軌是機(jī)床各主要部件相對(duì)位置和運(yùn)動(dòng)的基準(zhǔn),它的精度直接影響機(jī)床成形運(yùn)動(dòng)之間的相互位置關(guān)系。因此,它是產(chǎn)生工件形狀誤差和位置誤差的主要因素之一。滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副在安裝時(shí)要有高的導(dǎo)向精度、運(yùn)動(dòng)靈敏性、抗振及穩(wěn)定性。若導(dǎo)軌安裝存在較大誤差將會(huì)使裝配后運(yùn)動(dòng)部件相對(duì)位置發(fā)生較大改變，驅(qū)動(dòng)部件即使產(chǎn)生高精度位移時(shí)其相對(duì)位置準(zhǔn)確性也不高[3]。當(dāng)然，誤差是不可避免的，都可通過(guò)更高精度的測(cè)量手段進(jìn)行測(cè)量，但測(cè)量本身也存在不確定度。單純依靠提升機(jī)械精度比較困難，機(jī)械制造和裝配系統(tǒng)誤差可通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償。但系統(tǒng)補(bǔ)償較復(fù)雜且成本較高，而且在一定的精度之上進(jìn)行補(bǔ)償，存在局限性。

本文研究滾動(dòng)導(dǎo)軌裝配方法并對(duì)裝配后精度進(jìn)行評(píng)定，最后裝配出符合精度要求的導(dǎo)軌。

1 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副特點(diǎn)

滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副是由滑塊、導(dǎo)軌、滾動(dòng)體、返回器等組成。一般常使用保持器防止鋼球散落和減少滾動(dòng)體之間的摩擦提高使用壽命，也包括輔助系統(tǒng)（潤(rùn)滑和防塵裝置）。線性導(dǎo)軌是作為一種滾動(dòng)導(dǎo)引來(lái)使鋼珠在滑塊和導(dǎo)軌之間無(wú)限滾動(dòng)循環(huán)的一個(gè)部件。為了適應(yīng)高速大承載的要求，滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的摩擦因數(shù)為滑軌的1/50。低速和高速摩擦因數(shù)穩(wěn)定，導(dǎo)向系統(tǒng)隨動(dòng)性好，反應(yīng)靈敏。回流系統(tǒng)以及精簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)減少噪聲并增加工作效率。由于摩擦力小，使電動(dòng)機(jī)頻繁換向時(shí)無(wú)顫動(dòng)、低速下無(wú)爬行。滑塊可以預(yù)加載荷以消除間隙并提高剛性和精度。滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副能補(bǔ)償和均化基準(zhǔn)面誤差，使制造更加容易，精度更高。導(dǎo)軌摩擦小、溫升小、使用壽命高，可以進(jìn)行專業(yè)化生產(chǎn)，使用成本相對(duì)較低。

2 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌裝配前檢測(cè)

1）清除導(dǎo)軌安裝面上的毛刺、污物及打擊傷痕等。用丙酮清洗床臺(tái)配合面，涂線性導(dǎo)軌防銹油。線性滑動(dòng)導(dǎo)軌為了防銹，一般都涂適量防銹油，應(yīng)先擦拭滑軌的防銹油，才可滑動(dòng)滑塊。將床身和導(dǎo)軌清理干凈，以防止出現(xiàn)毛刺等異物影響裝配精度。

2）找準(zhǔn)導(dǎo)軌基準(zhǔn)面，基準(zhǔn)軌和從動(dòng)軌。機(jī)床導(dǎo)軌常用裝配形式如圖1，確定基準(zhǔn)軌與從動(dòng)軌十分重要。當(dāng)非互換型線性滑軌配對(duì)使用時(shí)，需要注意基準(zhǔn)軌與從動(dòng)軌的差異。

基準(zhǔn)軌側(cè)邊基準(zhǔn)面精度比從動(dòng)軌高，可作為床臺(tái)號(hào)。而且，雙規(guī)配對(duì)使用時(shí)，基準(zhǔn)軌編號(hào)為奇數(shù)或標(biāo)記有字母J或KB等，從動(dòng)軌之滑軌編號(hào)為偶數(shù)，安裝時(shí)請(qǐng)依照符號(hào)的指示，按順序進(jìn)行安裝（如001與002配對(duì)、003與004配對(duì)）。

3）確認(rèn)安裝基準(zhǔn)面。滑塊基準(zhǔn)邊和導(dǎo)軌基準(zhǔn)邊一般在同一側(cè)，若設(shè)計(jì)不在同一側(cè)需聲明。滑軌基準(zhǔn)面有廠家字樣旁箭頭所指的側(cè)邊平面；而滑塊基準(zhǔn)面則為經(jīng)過(guò)研磨的光滑表面。

圖1 機(jī)床線性導(dǎo)軌常用安裝形式

3 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副裝配方法

影響使用品質(zhì)的最后關(guān)鍵因素在于導(dǎo)軌的安裝品質(zhì)，即使選用正確型號(hào)的導(dǎo)軌，也容易因?yàn)榘惭b品質(zhì)不良導(dǎo)致大幅度影響產(chǎn)品壽命與機(jī)構(gòu)運(yùn)作上的表現(xiàn)[4]，而良好安裝品質(zhì)是建立在遵守導(dǎo)軌安裝設(shè)計(jì)原則與安裝步驟的基礎(chǔ)上，以下是安裝導(dǎo)軌應(yīng)該注意的設(shè)計(jì)事項(xiàng)與安裝步驟事項(xiàng)。

1）安裝基準(zhǔn)軌，將導(dǎo)軌輕輕放在底座上，找準(zhǔn)基準(zhǔn)面后預(yù)鎖螺釘使導(dǎo)軌與安裝面輕輕靠緊。在預(yù)緊螺釘時(shí)一定檢查基座螺釘孔和導(dǎo)軌孔是否吻合，強(qiáng)行擰緊會(huì)降低精度。基座螺釘孔要求相對(duì)較高位置精度。

2）按順序擰緊側(cè)頂螺釘，使導(dǎo)軌與側(cè)向安裝面靠緊。數(shù)控銑床工作時(shí)工作臺(tái)受到振動(dòng)、沖擊力作用，可能使滑塊偏移原來(lái)固定位置，導(dǎo)軌副常采用側(cè)壓板、固定螺釘、楔塊、滾柱等進(jìn)行固定。圖2為楔塊固定和滾柱固定形式。

圖2 導(dǎo)軌副楔塊固定和滾柱固定形式

3）按規(guī)定轉(zhuǎn)矩鎖緊裝配螺釘并進(jìn)行預(yù)評(píng)定。較長(zhǎng)導(dǎo)軌鎖緊順序?yàn)椋簭闹虚g位置開始向軸端部分順序鎖緊，這樣鎖緊力不會(huì)對(duì)導(dǎo)軌產(chǎn)生扭曲力，使應(yīng)力自然釋放。預(yù)緊后對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行水平面、側(cè)面直線度（如圖3所示）及平行度檢測(cè)（如圖4所示），檢測(cè)復(fù)合公差要求后鎖緊所有螺釘，以防止導(dǎo)軌移動(dòng)，然后進(jìn)行精度檢測(cè)，直到符合要求。

4 直線度和平行度誤差評(píng)定

圖3 光學(xué)水平儀檢測(cè)

圖4 平行度檢測(cè)

機(jī)床導(dǎo)軌直線度和平行度誤差是裝配質(zhì)量的最主要指標(biāo)，必須找到正確測(cè)量和評(píng)定方法。一般直線度誤差測(cè)量有線差法和角差法。而線差法又有干涉法、跨步儀法、光軸法、激光準(zhǔn)直儀法、雙頻激光準(zhǔn)直儀等。結(jié)合車間實(shí)際，本機(jī)床裝配采用自準(zhǔn)直儀測(cè)量，測(cè)出被測(cè)導(dǎo)軌相對(duì)于理想直線的偏差量，經(jīng)數(shù)據(jù)處理求出被測(cè)導(dǎo)軌的直線度誤差。而評(píng)定方法又有兩端點(diǎn)連線法、最小區(qū)域法、最小二乘法[5-6]。兩端點(diǎn)連線法有直觀、運(yùn)算簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，適合工人計(jì)算操作，但精度較低。采用兩端點(diǎn)連線法能適應(yīng)本機(jī)床導(dǎo)軌的精度要求。

在直線度測(cè)量過(guò)程中，既要測(cè)量垂直面內(nèi)直線度，又要測(cè)量水平面內(nèi)直線度。

被測(cè)件對(duì)基準(zhǔn)的偏差：

令a′i為儀器在被測(cè)點(diǎn)i上的讀數(shù)（格），c表示儀器分度（"），經(jīng)單位換算后為

表1 光學(xué)自準(zhǔn)直儀測(cè)量及兩端點(diǎn)連線法計(jì)算 μm

計(jì)算各點(diǎn)對(duì)評(píng)定基準(zhǔn)的偏差Δi′：式中：n為測(cè)量段數(shù)；l為跨距長(zhǎng)度。

計(jì)算導(dǎo)軌直線度誤差fBE=Δmax′－Δmin′。

導(dǎo)軌鎖緊后用光學(xué)自準(zhǔn)直儀測(cè)量，首次測(cè)量水平面內(nèi)直線度不符合裝配要求，分析原因可能是第N個(gè)頂絲過(guò)緊或?qū)к壝嬗挟愇锏龋?jīng)重新安裝拋光后再次測(cè)量達(dá)到裝配要求。表1為光學(xué)自準(zhǔn)直儀測(cè)量原始數(shù)據(jù)，并通過(guò)兩端點(diǎn)連線法計(jì)算得導(dǎo)軌的直線度誤差為7.875μm，基本符合裝配要求。

5 結(jié)語(yǔ)

導(dǎo)軌是保證機(jī)床精度的主要零件之一，導(dǎo)軌的裝配精度直接影響機(jī)床整體精度。滾動(dòng)直線導(dǎo)軌具有很多優(yōu)點(diǎn)，可進(jìn)行專業(yè)化生產(chǎn)，進(jìn)而使機(jī)床制造周期減少，加工成本降低。在清洗、去毛刺等必要的工作完成后，由于制造精度和基準(zhǔn)的原因，應(yīng)根據(jù)圖樣分析基準(zhǔn)軌和從動(dòng)軌，同時(shí)分析基準(zhǔn)軌和從動(dòng)軌的基準(zhǔn)面。裝配時(shí)要注意安裝順序和步驟，這是保證裝配質(zhì)量的前提，應(yīng)讓導(dǎo)軌處于最小應(yīng)力狀態(tài)。裝配完成后的檢測(cè)十分重要，光學(xué)自準(zhǔn)直儀使用十分廣泛，在裝配現(xiàn)場(chǎng)，一般采用兩端點(diǎn)連線法對(duì)讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)定。兩導(dǎo)軌的平行度一般采用千分表進(jìn)行測(cè)量。裝配過(guò)程中，要經(jīng)過(guò)多次裝配和檢測(cè)才能達(dá)到要求。而大型機(jī)床在使用過(guò)程中一般都按機(jī)床精度檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定調(diào)成中凸曲線，需要合理地計(jì)算和試驗(yàn)來(lái)保證工件加工面使用過(guò)程中的直線度。所以機(jī)床導(dǎo)軌的裝配和檢測(cè)十分復(fù)雜，需要更多的總結(jié)和積累才能得到更高要求的機(jī)床。