12 m激光滚珠丝杠（副）动态行程测量仪的研制*

焦 洁 肖正义

（①北京机床所精密机电有限公司，北京100102;②北京工研精机股份有限公司，北京101312）

随着大型、重型、高效、精密及复合的高档数控机床的发展，与其配套的关键功能部件——滚珠丝杠副的需求量逐年上升。现阶段，大型、重型滚珠丝杠副主要由国外生产厂家垄断，对我国国民经济长期发展非常不利。国内有规模的丝杠生产厂家都瞄准了大型、重型丝杠的市场，纷纷斥巨资上马8 m以上滚珠丝杠副的加工及配套设备，去争取这一市场中的巨大经济效益。随着大型滚珠丝杠副的需求量的增加，对其质量要求也越来越高，其中滚珠丝杠（副）的行程误差是衡量其精度的主要指标。然而，国内8 m以上的大型滚珠丝杠（副）行程测量仪还是空白，国外也没有此类商品出售。国家在2009年科技重大专项“高档数控机床与基础制造装备”中立项研制高精度大型螺纹加工设备和与之配套的检测设备。我公司负责的“12 m激光滚珠丝杠（副）行程测量仪研制及测试技术研究”项目是安阳鑫盛机床股份有限公司承担的重大专项“12 m螺纹磨床及9 m旋风铣床”的子课题，是与项目配套的非常关键的检测设备。在大型测量仪研制的同时，开展测量方法与测量技术研究，制定大型丝杠的精度验收标准，制定丝杠测量仪检定规程。本文重点介绍“12 m激光滚珠丝杠（副）行程测量仪”的总体方案及其关键技术。

1 主要技术指标与总体方案

12 m测量仪的主要技术指标见表1。

表1 主要技术指标

图1为测量仪主机整体布局。本仪器的主机采用整体花岗石床身、磁平衡气浮导轨、双顶尖夹持丝杠、被测丝杠自驱动的方式、气浮卸载尾架、多维联动测头架、便捷式螺母夹具、可定量控制的浮动支撑。测量系统以精密圆光栅为转角基准，以双频激光为长度基准，动态连续测量，微机处理数据。可测量单件滚珠丝杠、梯型丝杠的导程误差、滚珠丝杠副综合行程误差，增加附件还可测量滚珠丝杠的径向跳动。该设计方案已取得实用新型专利（ZL 2010 2 0671383.2）。

2 关键技术及解决方案

2.1 高精度、高刚度及高稳定性的测量仪主机设计与制造技术

2.1.1 主导轨的结构设计

国内外其他厂家还没有8 m以上的动态行程测量仪。在较短行程测量仪中，有的采用滑动导轨，有的采用滚动导轨，而我公司的4 m以下的激光行程测量仪采用气浮结构。

在本课题中，为解决大型测量仪的主导轨精度保持性、测量拖车运动灵活、轻便的问题，主导轨与拖车采用气浮结构;为解决超长导轨两立面平行度难加工的问题，在同一侧面又采用了磁浮结构。这种磁平衡的气浮导轨的优点是:拖车在主导轨上运动时，非接触、无摩擦，长期使用时不磨损，精度保持性好（专利号 ZL 2010 2 0671359.9）。

2.1.2 测量拖车的驱动方式

在测量大型滚珠丝杠副的综合行程误差时，由于预紧转矩及其波动量较大，对拖车的承载及刚性都提出了严峻的挑战。

国外一些小规格的测量仪中有采用类似车床的母丝杠驱动，这种方式结构复杂，制造成本高，传动链误差大，还要解决母丝杠与被测丝杠螺距不一致的问题，往往还要配置专门的数控系统，使得操作复杂，对检验员要求很高。

在本课题中，由于采用气浮导轨，拖车较轻，测量的又是大型丝杠，用带动测头完全可以驱动拖车，而加螺母测量时，着重解决气浮刚性与运动平稳性的难题就可以了。因此，我们仍然采用被测丝杠自驱动的方式，国产的较短行程测量仪中都是采用这种方式。其优点是:测量仪结构简单，传动链少，精度高，拖车运动灵活、轻便。

2.1.3 被测丝杠的辅助定位

大型滚珠丝杠的特点就是长径比大、挠度大。一根直径φ80 mm，长度8 000 mm的滚珠丝杠，支起两端，实测中间的下垂量为20 mm，如果没有支承是无法进行测量的。在测量丝杠导程误差时，一般都要根据长度配不同数量的固定支承，但在测量综合行程误差时，必须解决螺母与支承的干涉等问题。

曾经考虑过在主导轨旁边增加2条辅助导轨，拖车运动时，带动丝杠支架沿着辅助导轨运动，以减小丝杠的下垂。然而，这种结构使得测量仪的体积更庞大、制造成本更高、调整更困难。经分析比较，在本课题中，我们设计了蜗轮丝杠升降机构。其优点是:结构紧凑，便于在测量仪有限的空间安放;刚性好，支顶大型重型丝杠时变形小。

2.1.4 选择床身的材料，研究加工技术

由于该测量仪床身长度14.5 m，如何保证该床身的精度及稳定性非常关键。常用床身结构主要有2种:铸铁床身与花岗岩床身。相比之下，采用花岗岩床身优点更为突出:组织结构均匀，内应力完全消失，不变形;刚性好，硬度高，耐磨性强;线胀系数极小，温度变形小;无滞涩感，平面稳定度好等等。因此，我们毅然选用无拼接的整体花岗石作为床身，但同时显著增加了床身的加工难度。

图2为床身截面图，上面中间开槽镶嵌铸铁副导轨。对主导轨直线度要求:2 μm/2 m、10 μm/全长，优于“000”级平板的要求，加工工艺难度很大。

除了机械加工外，最终的精度都是由人工精研完成。除要用到高精密的检测设备外，长期积累的工艺数据和工艺方法也至关重要。本课题中，我们总结了之前10 m及其以下测量仪主导轨的加工经验，并兼顾长途运输对精度带来的影响，在用户使用场地完成了要求的精度，这也是对超长导轨高精度加工工艺的一个突破。

2.1.5 设计副导轨的结构、研究加工工艺

测量仪的副导轨用于支撑和尾座的移动。考虑加工工艺性，选用铸铁材料，每块导轨板长度近1 m，全长由13块拼接而成，如何保证尾座在大于12 m的副导轨上移动并与床身主导轨保持平行是本项目的难点。

图3为副导轨截面图，在机械加工时，要保证13块导轨板导轨面及T型槽的一致性，副导轨最终的精度也是由人工刮研完成的。对于超长精密铸铁导轨来说，“平”且“直”可不是件容易的事。除了恒温洁净的环境条件、高精度的测量仪器、专用研具等必要条件外，工人的经验、智慧、毅力、耐性更为重要。在施工过程中，必须特别仔细地检测才能得到有效的数据，再做科学的分析，判断是温度影响还是主导轨影响，是单导轨超差还是“一V一平”相互“咬合”?稍有不慎，就会造成事倍功半的后果。我们兼顾长途运输的影响，制定了工艺路线。在用户场地，副导轨在近13 m长度上的直线度小于5 μm。更难得的是，我们将刮研的导轨面作为气浮面，实现了尾架气浮卸载方案，不仅使尾架移动时轻松省力，也避免了尾架过重对副导轨造成的磨损。

2.1.6 主轴与尾座的优化设计与制造

在图4的主轴箱部件中，采用了“死顶尖”结构。齿轮套与主轴采用密珠轴承，过盈配合。齿轮套旋转，主轴与顶尖不转，可以避免主轴轴向窜动对测量结果的影响，一方面保证高的旋转精度;另一方面可以缩小径向尺寸，使得结构紧凑。此外，由于被测丝杠副重量最大时接近3 t，动态测量时，预紧转矩的变动量很大，对顶尖的影响不能按静荷载计算了，必须要考虑主轴在大负载下的动刚性，我们用模态分析和有限元分析的方法，对主轴进行了优化设计。

为解决大型丝杠副在测量时的安装定位精度与支撑刚度问题，我们设计了“V型尾架顶尖套”结构，如图5所示。其结构特点是:（1）接触面大，承载大、刚性好;（2）导轨配合好，移动精度高;（3）如果长期使用精度丧失时，又可以通过刮研尾架导轨调整间隙恢复精度;（4）削扁的顶尖套体积小，使测量光能够接近被测丝杠轴线，减小阿贝误差。此外，针对尾架过重，移动不方便及磨损过快的问题，专门设计了尾架气浮卸载装置（专利号:ZL 2010 2 0671388.5）。

2.1.7 测量拖车的优化设计与调整

由于重型丝杠副预紧转矩及其波动量很大，精密测量时，必须解决气浮支承承载、刚性及气浮系统的稳定性问题。在这里，床身两凸起轨道的上平面分别放置2个气浮支承，床身的侧面导轨上放置2个气浮支承和一对磁钢，我们采用气浮支承多点定位、分别调整，在垂直面内达成气浮与重力平衡，在侧面达成气浮与磁力平衡，保证了测量过程中，拖车承载大，运动稳定（专利号:ZL 2010 2 0671359.9），如图6所示。

2.1.8 测头架的设计制造

测头架是测量仪最关键部件之一，对测量数据的准确性影响极大。如图7所示，测头架工作原理为:带动测头通过测头架主体与拖车刚性连接，丝杠旋转时，靠螺旋升力的作用带动拖车运动，产生轴向位移;外圆定位测头克服丝杠弯曲对测量造成的影响;测量测头带着测量元件始终沿着某一条螺旋线轴向移动，真实反映丝杠导程误差。在这里，除了轴向、径向有调整机构可调位移外，巧妙地利用了弹性元件，测量测头在带动测头和外圆定位测头的联合作用下，轴向、径向都有自由度，从而保证测量测头始终与螺旋线接触（专利号:ZL 2010 2 0671376.2）。

2.2 高可靠性、高定位精度的浮动支撑及自动控制系统

浮动支撑是由步进电动机带动的蜗轮丝杆升降机构（图8），通过PLC智能控制器去完成升降行程（图9为控制界面）。升降的重复定位精度及各支撑动作的控制非常关键。要保证支承升降时的定位精度，除了制造精度外，控制时要克服步进电动机启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，这就需要设定好运动模式及加减速时间常数。

2.3 高精度的测量系统与测试技术

图10为测量系统的构成。测量原理为:以圆光栅编码器作为测角的基准，以双频激光干涉仪作为测长基准。圆光栅与丝杠一起转动，由读数头拾取代表丝杠转角的信号;同时，丝杠转动通过螺母带动测量拖车移动，拖车上的立体棱镜与其他干涉系统形成代表位移的激光测量信号。通过综合处理电路及接口将所测到的丝杠转角值及螺母的位移量，按规定的采样点数送往计算机，经计算机数据处理以后，即可得到测量结果。

测量系统的精度有赖于传感器及信号调理系统。为此，需要采取以下措施:

首先，要选择高精度的传感器，我们选择了德国Heidenhain高精度的精密圆光栅作为丝杠旋转的角度基准，选用美国Agilent 5519A双频激光作为长度基准，这些知名品牌的产品精度有保证。

其次，采用信号细分技术，提高分辨率，减小量化误差。

最后，在信号调理电路中采取相应的措施。如:设计激光信号处理电路，确保激光信号的长距离稳定和计数精度;设计实时中断型的数据采集接口电路，确保测量时采数正确、动态响应速度高;采用可逆计数器消除机械振动或爬行带来的影响等。

2.4 微机数据处理及其误差评定

在专用接口硬件的基础上，利用Windows操作系统VC++编程，开发相适应的软件，用于基本测量和仪器自检及故障排除。另外还针对大型丝杠数据处理中的问题，采取专门措施:（1）母线处理:计算4个截面（0°、90°、180°、270°）的结果，用来分析丝杠弯曲带来的影响，也便于与国外多用的截面处理结果相比对;（2）框选:在整个误差曲线上用鼠标任意框选截取曲线，自动算出所选长度的结果，便于了解大型丝杠各段的精度，在改制时参考;（3）手动剔除:在测量时，由于种种原因，有些测量点并不反映工件的真实情况，这就是随机误差，可用手动剔除方法剔除之;（4）自动剔除:当随机误差较多时，用手动剔除效率低，用此法自动完成，效率高。测量软件人机界面（图11）友好、方便。

3 使用效果

目前，我公司研制的2台大型丝杠行程测量仪，已成功应用于行业龙头企业——南京工艺装备制造有限公司（图12为10 m测量仪，2009年使用）、山东博特精工股份有限公司（图13为12 m测量仪，2011年使用），测试了多种规格的大型滚珠丝杠副，使用情况良好。整机测量精度高、性能稳定、可靠、功能强、操作方便、快捷。通过产品的检测和试验，收集了大量的数据，为科学地分析与探索大型滚珠丝杠副的技术性能指标和精度指标，有针对性地改进结构参数设计、指导产品加工技术及工艺的完善与升级，提供了检测手段和科学依据，为批量生产优质精密级大型滚珠丝杠副提供了保障。

“12 m激光滚珠丝杠（副）行程测量仪”于2011年底通过了专家鉴定，评价为:“填补了国内外大型丝杠测量仪的空白，在国内处于领先水平，达到国际先进水平……”，并于2012年荣获机械工业科技进步二等奖。