滾動直線導軌副運動精度試驗臺設計*

王旭東，梁 醫，裴君婷，王 凱，馮虎田

(南京理工大學機械工程學院，南京 210094)

0 引言

滾動直線導軌副采用滾珠或滾柱作為接觸體，具有運動平穩、磨損小、承載能力強及行走平行度高等優點，被廣泛應用于各種精密傳動的部件中[1-2]。數控機床、加工中心等精密部件的運動精度受導軌副運動精度和摩擦力的制約，故對導軌副進行精度測試來判斷和評估運動精度水平尤為重要[3]。

我國在滾動直線導軌副的運動精度研究方面與國外相差較大，主要體現在測試設備種類少、測試精度不夠高、測試結果受測試人員的熟練程度影響等。針對這種現狀，設計研發出滾動直線導軌副運動精度試驗臺具有重要的工程意義[4]。文獻[5] 提出了一種基于非接觸式激光位移傳感器的滾動直線導軌副運動精度檢測方法。由于非接觸式的傳感器極易將被測表面的灰塵或油污錯誤地檢測為真實的表面，因此檢測誤差較大。文獻[6]提出了一種滾動直線導軌副綜合精度動態測量裝置，可以測量滑塊運動平行度、直線度、多個滑塊尺寸偏差和拖動力，且能實現對不同尺寸規格的滾動直線導軌副的綜合精度進行檢測。但是，該裝置無法實現滾轉角、偏擺角、俯仰角的檢測，也無法測量導軌副的絕對高度。

本試驗臺的創新之處在于可檢測出標準JB/T 7175.4-2006中規定的所有關于單滑塊的運動精度參數指標，特別是導軌副的絕對高度。現有公開文獻中的試驗臺可自動檢測的只有部分運動精度，而且均是導軌副中部相對于端部的相對值，不包括絕對高度。本試驗臺設置了標準塊及相應的數據處理程序，通過測量標準塊與被測導軌副，可方便準確地檢測出導軌副的絕對高度。此外，本試驗臺采用了精度更高的接觸式測量原理，除可測量滑塊移動過程中的位移變化量外，還可準確地檢測出滑塊相對于導軌運行時的滾轉角、偏擺角、俯仰角，有效地避免了表面的灰塵或油污對測量精度的不利影響。

1 精度試驗臺總體設計

1.1 測量指標

滾動直線導軌副作為精密直線導向部件，運動精度和摩擦力是導軌副機械性能的重要指標。本試驗臺可檢測單滑塊導軌副的五個運動精度、一個絕對高度和摩擦力。具體運動精度如圖1所示，圖中A為導軌安裝基準底面，B為導軌副基準側面。

測量的所有指標為：

(1)滑塊沿y軸相對底面基準A的頂面平行度P1；

(2)滑塊沿x軸相對側面基準B的側面平行度P2；

(3)滑塊繞x軸的俯仰角θx；

(4)滑塊繞y軸的偏擺角θy；

(5)滑塊繞z軸的滾轉角θz；

(6)滑塊頂面相對導軌基準底面絕對高度H1；

(7)滑塊和導軌間的摩擦力。

圖1 導軌副精度測量指標

1.2 測量原理

根據上述單滑塊的運動精度測量指標要求，放置傳感器至導軌副相應位置，其測試原理如圖2所示。1～8為8個位移傳感器，2、7和6測量頂面平行度，4、8和5測量側面平行度，1和3測量滾轉角，2和7測量俯仰角，4和8測量偏擺角，2、7與標準塊測量絕對高度。

圖2 導軌副運動精度測試簡圖

精度指標計算方法：假設試驗臺運動過程中某一時刻1～8號位移傳感器測量得到的導軌副位移數據分別為x1i、x2i、x3i、x4i、x5i、x6i、x7i、x8i，i=0，1…n,則滑塊行走過程中導軌副的精度指標中滑塊相對導軌底面基準A的頂面平行度：

P1=max|(x2i+x7i)/2-x6i|

滑塊相對導軌側面基準B的側面平行度：

P2=max|(x4i+x8i)/2-x5i|

滑塊繞x軸的俯仰角：

θx=max|arctan((x2i-x7i)/L1)|

滑塊繞y軸的偏擺角：

θy=max|arctan((x4i-x8i)/L2)|

滑塊繞z軸的滾轉角：

θz=max|arctan((x1i-x3i)/L3)|

滑塊頂面相對導軌基準底面絕對高度：

H1=max(H0+(x2i+x7i)/2)

其中，L1為2與7號傳感器放置距離，L2為4與8號傳感器放置位置，L3為1與3號傳感器放置位置，H0為標準塊的高度。

1.3 測量裝置

滾動直線導軌副運動精度試驗臺由機械和測控兩部分組成。機械部分是包含試驗臺床身在內的各種工裝零件的組合，是進行導軌副運動精度試驗的硬件基礎；測控部分在硬件結構完善的基礎上，實現試驗臺氣浮龍門運動控制以及各項性能參數的監控和采集，試驗臺各個組成系統如圖3所示。

圖3 試驗臺系統構成

如圖4所示，試驗臺的機械部分由床身部件、測量部件、驅動部件等組成，被測導軌副通過螺釘連接安裝于床身上表面。驅動部件的組成如圖5所示，包括伺服電機、減速器、齒輪、齒條。伺服電機和減速器安裝在氣浮滑塊上，齒輪與固定在床身一側的齒條嚙合，因此，伺服電機轉動時，通過齒輪齒條傳動可使氣浮滑塊在床身上進行往復運動。同時由于氣浮滑塊的支撐，可保證試驗臺平穩運行。

圖4 試驗臺三維結構圖

圖5 驅動部件結構圖

測量部件的組成如圖6所示，包括龍門、氣浮滑塊、驅動桿、傳感器及相應工裝。1～8號為接觸式位移傳感器，9、10號為力傳感器。傳感器工裝固定在龍門上，并且可以通過工裝調整傳感器相對于被測導軌副的位置。驅動桿通過螺釘固定在氣浮滑塊上，在伺服電機運動時，驅動桿推動滑塊進行往復運動，通過位移傳感器測量導軌副運動過程中垂直和水平方向上的位移變動量，通過力傳感器測量運動過程中的摩擦力變動量。經過后期數據處理，可以得到頂面平行度、側面平行度、滾轉角、俯仰角、偏擺角、絕對高度、摩擦力。同時試驗臺上一側放置具有標準高度的標準塊，可作為檢測導軌副的絕對高度的參考基準。

(a) 測量部件結構正視圖

(b) 測量部件結構后視圖圖6 測量部件結構圖

2 測控系統設計

根據試驗臺測量指標要求，對測控系統的組成進行了設計，測控系統主要包括運動監控系統、氣壓監控系統、數據采集系統。

2.1 運動監控系統

試驗臺齒輪與安裝于床身側面的齒條進行嚙合傳動，從而帶動氣浮滑塊和龍門在床身上進行往復運行，主要由伺服電機、運動控制器、氣浮滑塊以及對應的氣泵、閥門等實現該功能。通過程序控制運動控制器，設定運行模式，并且通過VB串口通信協議將指令發送到伺服驅動器，從而控制伺服電機驅動試驗臺以要求的速度、加速度進行運動[7]。其中，運動控制器和電機驅動器采用脈沖加方向的速度-位置模式連接[7]。

運動監控系統主要對試驗臺的運動參數進行實時監控。運動參數包括運行速度、加速度、運行里程，是試驗臺實現標準運動要求的關鍵。該系統中使用程序附加的計時器功能，輸入試驗所需要的速度、位移量等相關運動參數，通過運動控制器將相應的參數轉化為脈沖數來控制氣浮滑塊和龍門的往復運動，并且可以實時監測和記錄龍門的運行速度以及運行的距離，使之達到試驗所需要的運行總里程則停止運動。除此之外，使用運動控制器和編程軟件還可以實時監測試驗過程中的情況，出現異常情況或突發情況時能夠急停避免發生事故。

2.2 氣壓監控系統

氣壓監控系統是試驗臺精密檢測的關鍵。試驗開始之前需要對氣浮滑塊進行供氣，使氣浮滑塊和床身接觸部分形成氣膜實現試驗臺的高精平穩運行和長使用壽命。試驗開始時，在調整好傳感器與被測導軌副的位置之后，需給位移傳感器進行供氣，使傳感器測頭伸出并以一定的壓力壓在滑塊或導軌表面。整個試驗過程中，需要保證測頭一直處于傳感器規格的彈性范圍內。試驗臺可以通過程序與硬件結合控制氣泵來給氣浮滑塊以及傳感器供氣，通過閥門以及相應的氣壓調節裝置來控制氣浮滑塊和位移傳感器所需的氣壓值，并且可以實時監測相應的氣壓值、保證氣壓值的基本恒定[8]。

2.3 數據采集系統

進行運動精度和摩擦力試驗時，試驗臺需要往復運行、多次檢測，并且對被測導軌副的各項待測參數進行數據采集。數據采集系統主要包括位移傳感器、力傳感器、信號處理器、信號放大器、數據采集卡等。其中位移傳感器可實現被測導軌副運動過程中滑塊垂直和水平方向的位置變動量的測量，并且將測量得到的位移變動量通過信號處理器、放大器傳輸到工控機中進行數據處理與計算，從而得到導軌副的頂面平行度、側面平行度、俯仰角、偏擺角、滾轉角以及絕對高度；力傳感器可實現被測導軌副運動過程中的摩擦力信號的測量，且摩擦力信號可由信號放大器、數據采集卡傳輸到工控機中計算分析，從而得到摩擦力值。

測控系統中傳感器、數據采集卡、運動控制器與工控機的連接如圖7所示。測控系統可以將試驗中的數據以曲線或數值的形式進行采集與實時監測，并計算相應的運動指標，以圖片及數據表格的形式保存。試驗結束后可綜合地對試驗過程中導軌副的運動精度以及摩擦力進行評價[9]。

圖7 測控系統數據結構圖

3 測控軟件設計

滾動直線導軌副的運動精度與摩擦力試驗測控系統軟件結構主要由導軌副參數設置、工作參數設置、數據監測與采集、打印輸出等模塊組成[10]，如圖8所示。

圖8 測控系統軟件結構示意圖

導軌副參數設置模塊用于實現對試驗臺上待測導軌副的型號、精度、規格、試驗環境等參數進行設置；工作參數設置與監控模塊用于設置試驗過程中的各項工作性能參數以及對試驗狀態進行監測控制；數據監測與采集模塊用于對傳感器采集到的各項性能參數進行計算、分析、查看的功能，打印輸出模塊用于數據的打印輸出等。

3.1 測試軟件程序流程

圖9 試驗執行流程圖

測試軟件程序流程圖如圖9所示。試驗開始前，對被測導軌副的各項基本信息進行設置并保存，然后進行試驗的工作參數設置，包括氣壓、運行速度、運行里程等，并根據試驗的實際需要點動控制龍門的所在位置，使龍門、傳感器以及被測導軌副處于合適的位置。在試驗過程中，對被測導軌副各項性能參數進行監測與記錄。如果監測的數據出現異常，則重新啟動試驗臺。常見的異常情況有數據失真、數據超過測量量程等。若無異常，則繼續完成檢測。試驗結束后，對試驗中采集的數據進行分析、保存與打印輸出，將測得的多組數據進行數據比對，得出試驗結論。

3.2 測控系統界面設計

滾動直線導軌副運動精度試驗臺測試軟件的主界面如圖10所示，導軌副參數設置界面如圖11所示，可設置被測導軌副的各項產品信息、試驗者、試驗環境等參數，并且將設置好的各項參數保存在導軌副參數數據庫中，便于后期對被測導軌副進行參數的調用及查詢。

圖10 測控軟件主界面

圖11 導軌副參數設置

試驗臺軟件系統的試驗參數設置及監控界面如圖12所示，用于設置滾動直線導軌副的工作參數，包括運行速度、運行里程、運動方向等的設置，也可以用于調整試驗臺龍門位置。同時對試驗過程中的運行速度、運行里程、平行度、摩擦力等情況進行實時監控，并且可以通過計時器對傳感器進行設定，使之按試驗具體要求的規定時間間隔進行信號數據的采集，試驗結束后可以打印所記錄的信號數據以及保存導軌副的試驗信息至試驗數據庫。除此之外，利用數據分析和查看模塊還可調用所存儲的數據進行試驗數據查看與分析等，如圖13所示。

(a) 左側界面

(b) 右側界面圖12 試驗參數設置及監控界面

圖13 數據分析界面

3.3 數據處理與評價

在測試系統中建立數據庫以此來保存在試驗過程中被測導軌副的各項基本參數、試驗臺的工作參數、采集到的傳感器的試驗數據、經計算得到的結果等信息。在試驗結束后，可以通過查詢界面對被測導軌副的基本參數以及對應的試驗數據進行查看，并且可以將這些數據導出利用其他的軟件進行分析處理。在系統中編有信號處理的程序，可以對采集到的數據進行處理，與被測導軌副行業標準進行比對評估，從而得出評估結果，完成對被測導軌副的檢測與評價。

4 試驗臺測試數據

滾動直線導軌副運動精度試驗臺在經過零件與工裝加工、電器元件等硬件結構基礎上，按照試驗臺所需要測試的相關運動精度、摩擦力要求來實現相應的電氣連接，并用VB編程語言編寫試驗程序，能夠實現被測導軌副的各項基本參數的設置、對特定型號和規格的導軌副進行檢驗、對被測導軌副進行工作參數實時監測與控制，采集、計算分析、保存以及打印輸出試驗數據的功能。

為驗證本試驗臺測控系統的可行性，現對國內某廠家35型號、精度等級為2級的導軌運動精度進行試驗檢測。按照機械行業標準JB/T7175.4-2006《滾動直線導軌副驗收技術條件》，在1 m/min的速度下檢測有效長度為1500 mm的導軌副頂面平行度、側面平行度、絕對高度、滾轉角、偏擺角、俯仰角以及摩擦力，其中頂面、側面平行度標準為9 μm,絕對高度變化標準為12 μm。其試驗結果曲線如圖14所示。其中表1為3次試驗數據對比。

(a) 摩擦力檢測曲線圖 (b) 運動精度檢測曲線圖圖14 運動精度及摩擦力檢測數據圖

試驗數據結果如表1所示，通過將試驗數據與導軌副檢測標準進行比對，可以看出該試驗臺所檢測的滑塊移動相對于導軌基準的頂面平行度、側面平行度以及絕對高度的導軌副精度數據都在指標要求之內，滿足2級精度；考慮到滾轉角、偏擺角、俯仰角以及摩擦力無行業標準，以標準差作為檢驗數據重復性的標準。標準差越小，重復性越高。從多次測量試驗數據可以看出該試驗臺測量的重復性較高，證明了試驗臺的可行性。

表1 試驗數據結果

5 結論

本文針對滾動直線導軌副運動精度測量指標，基于接觸式位移測量方式，完成了試驗臺機械結構的設計、測控系統的搭建以及測控軟件的編寫。試驗臺能夠進行導軌副運動精度、絕對高度以及摩擦力的測量。從標準樣件的多次檢驗結果可以看到平行度最大為7 μm、絕對高度變化最大為6 μm，指標滿足2級精度標準且角度及摩擦力指標重復性最大為0.943，具有較高的重復性，驗證了試驗臺具有的較高的可行性。