导轨直线度对测量结果的影响

戈娟，张伟，贺凤宝

(大连工业大学机械工程与自动化学院，辽宁大连 116034)

随着机械加工业的快速发展，对与之配套的测量设备也提出了更为严格的要求。衡量一台精密测量设备的标准之一就是设备的导轨。导轨精度是一项复合精度，除本身精度外，还与基础件的变形以及使用磨损有关。产品制造时，理论上要达到几何误差与变形误差之差为0。导轨直线度是衡量导轨精度的一个重要指标。导轨直线度误差包括:导轨在水平面内的直线度误差;导轨在垂直面内的直线度误差，一般的导轨直线度误差都是看成以上两种误差的合成［1］。国内外一般有如下几种测量方法:横向调制偏振光测量导轨直线度［1］、EST法测量机床导轨直线度［2］、基于激光剪切干涉的长导轨直线度［3－4］、水平仪测量法［4］、准直仪测量法［4］。

基于某公司的刀具测量仪［5－6］，在现有条件的基础上检测滑台的直线度，并采用机械装置进行调整，进而提高设备的测量精度。

1 实验平台

选取HIWIN的导轨型号为SSR 15XV 2型、精度为高级，垂直面内的平行度为20 μm，北京北光的滑台，搭建实验平台——刀具几何参数测量系统，如图1所示。

图1 刀具几何参数测量仪系统构成框图

该仪器采用三维工作台的目的是带动光学变倍镜头和CCD摄像机移动，从而完成图像聚焦，使被测物体的轮廓形状清晰地显示在屏幕上;并通过三维工作台的移动完成图像被测点的坐标采集，从而测量工件的线性长度。

2 导轨直线度的检测

2.1 检测导轨直线度的方法

以00级大理石为基准面，将工作台按照图纸要求固定在大理石上，用打表的方法在00级大理石方箱进行找正，如图2所示。

图2 检测导轨直线度

依据表头指针的的读数，导轨在竖直面内直线度较好，偏差仅有5 μm，但在水平面内有来回摆动的趋势。相比较而言，误差在水平面比较敏感。试验中导轨从一极限位置开始，运动140 mm，导轨在水平面内的运动轨迹如表1和图3所示。

该测量仪是依据镜头捕捉被测工作的位置，由光栅尺读取所测工件的长度。导轨在移动过程中呈现往复摆动，进而使固定在移动滑台上的镜头往复摆动，会造成所测结果偏大或偏小。试验中选取长度为80 mm的标准量块，在不同位置测量误差相差一百多微米。

表1 导轨运动轨迹

图3 导轨运动轨迹图

2.2 导轨的3种运动轨迹及误差

根据所测长度的不同，镜头起始位置可能出现在不同的范围内。经过反复实验，得出导轨有3种运动趋势，如图4所示。

图4 导轨运动趋势

导轨运动趋势如图4(a)所示时，光栅尺装在导轨的右侧时，测量误差为

α1、α2都很小，tanα1、tanα2可近似等于 α1、α2。在这种情况下，测量误差偏大或偏小由α1、α2的大小决定，当 α1≻α2时，Δ1≺0、Δ2≺0，此时测量的实际值比真实值偏小;当 α1≺α2时，Δ1≻0、Δ2≻0，此时测量的实际值比真实值偏大。

导轨运动趋势如图4(b)时，光栅尺装在导轨的右侧时，测量误差为

α1、α2都很小，tanα1、tanα2可近似等于 α1、α2。在这种情况下，测量值始终比真实值要小，而且随着位置的不同，α1、α2大小也不同，误差值也是变化的，呈现无规律性。

导轨运动趋势如图4(c)时，光栅尺装在导轨的右侧时，测量误差为

α1、α2都很小，tanα1、tanα2可近似等于 α1、α2。在这种情况下，测量值始终比真实值要大，而且随着位置的不同，α1、α2大小也不同，误差值也是变化的，呈现无规律性。

3 调整导轨直线度

以上3种结果正好证实了测量值在不同位置测量误差偏大或偏小这一现象。为此，设计了一套简易的机械装置针对导轨进行调整，以其中一只导轨作为基准导轨，来调节另外一只导轨。试验中做好两只薄钢板来固定导轨，其中一端用调紧螺钉来进行调节，如图5所示。

图5 调整导轨直线度

调节导轨上的螺钉，使导轨的直线度在5 μm内。试验中选取长度为80 mm的量块，连续测量5次，最大误差为9 μm。利用此方法，可以大大减小导轨回来摆动的趋势，进而测量精度可以大大提高。

4 结论

通过分析导轨的运动轨迹，找出了在不同位置下测量误差无规律性的主要原因，并推算出误差公式。测量误差的大小与导轨的摆角和被测工件到导轨中心的距离成正比。

试验中采用固定板对导轨进行固定，其中一边用带有调紧螺钉的活动板进行调整，进而对导轨进行找正。实验表明:通过调整导轨，测量误差可由之前的一百多微米减小到10微米以内，大大提高了测量精度。

【1】朱凌建，李照锁，刘君华，等.横向调制偏振光测量导轨直线度［J］.光学学报，2009，24(4):955 －959.

【2】张军峰，王燕燕.EST法测量机床导轨直线度误差分析［J］.机床与液压，2010，38(3):46 －49.

【3】王文丹，赵美蓉，付鲁华，等.基于激光剪切干涉的长导轨直线度测量系统设计［J］.传感器与微系统，2009，28(12):77－79.

【4】黄天喜，严祯，曾韬.几种测量机床导轨直线度误差的方法［J］.机械工程与自动化，2008(2):186－188.

【5】陈应州.非接触式刀具几何参数测量系统研究［D］.大连:大连轻工业学院，2004.

【6】赵耀.DJCLY92B刀具几何参数测量仪误差分析与精度补偿［D］.大连:大连工业大学，2010.