直线导轨测量平台的设计与制造

刘福文 马 定 李天骄



直线导轨测量平台的设计与制造

刘福文 马 定 李天骄

（大连德欣新技术工程有限公司 辽宁大连 116033）

介绍了直线导轨测量平台的测量功能、特点和测量原理、机械系统和电气测控系统；直线导轨测量平台的操作流程、验收标准和验收报告。阐述了大理石测量平台的结构、精度以及测量平台的支撑和直线导轨测量平台电气系统各硬件参数和软件；论述了直线导轨测量平台的总体结构、测量平台电控系统原理图及验收报告；为直线导轨测量平台的设计、制造提供了参考。

测量平台 测量原理 大理石 测控系统

1 直线导轨测量平台的测量功能

直线导轨测量平台对导轨全长上进行动态检查，并将每项技术参数与标准值比较，进行合格判定。如图1所示，具体的测量任务：

（1）确定全长上，最大直线度的数值（ht），并指出其位置。

（2）确定全长上，每1 m长的最大直线度的数值，并指出其位置。

（3）确定全长上，每300 mm最弯曲的突出缝隙的直线度的数值（hs），并指出其位置。

（4）确定直线导轨两端头在300 mm长的区域的端升和端缝的数值。

（5）确定全长上最大扭曲度的数值，并指出其位置。

图1 直线导轨在测量平台上安放时的示意图

1.1 直线导轨检测扭曲度的定义和检测

直线导轨检测的扭曲度是导轨底面朝下时，导轨仅有自重时上平面的两侧棱边的高度差。

下图2所示，为直线导轨扭曲度检测示意图。扭曲度值由探测头T2和探测头T3所测数值确定。

扭曲度：T=|T3-T2|

图2 直线导轨扭曲度检测

1.2 直线导轨检测的直线度的定义和检测

直线导轨的检测有两种情形；一种是图3所示的情形，即底面朝下直线导轨仅有自重时，导轨侧面探测头T1检测的直线度数值和导轨上面探测头T2检测的直线度数值。另一种是图4所示的情形，即侧棱边朝下直线导轨底面无自重时，导轨上面探测头T2检测的侧棱边直线度数值和探测头T1检测的直线度数值。

图3 上面和侧面直线度、扭曲度检测

图4 底面、愣边直线度检测

1.3 两端头在300 mm长的区域的端升和端缝的定义和检测的意义

两端头在300 mm长的区域，向上弯曲的为端升；向下弯曲的为端缝。由于直线导轨在加工时，无论是粗加工轧制后，还是在热处理后的精加工磨削前，直线导轨两端头弯曲变形的校直是很困难的，所以在直线导轨的检测时，两端头的端升和端缝检测，作为重要两项检测内容，进行检测。

2 直线导轨测量平台的特点

直线导轨测量平台，可以应用到不同规格、不同系列的导轨直线度和扭曲度检测；其测量工作原理和设计方法，不仅适用于轧制直线导轨的检测，而且适合于磨削后的高精度的直线导轨的检测。

（1）操作省力简便、效率高。一次操作便可完成多种功能的技术参数的综合测量。

（2）由于采用了Heidenhan、Renishaw、Solartron的多项传感新技术，使得采集数据更准确迅速、可靠稳定，测量平台的使用寿命更长。

（3）使用工控机，使得测量参数的设置、数据采集、坐标值计算、变换以及测量结果统计实现自动化；装载了LabVIEW软件，使得测量结果和表格，清晰的呈现在显示屏上。

3 直线导轨测量平台的机械和电气测控系统

3.1 直线导轨测量平台机械系统

直线导轨测量平台机械系统主要分测头、定位栅尺、大理石平台、平台支撑、导轨夹具共5部分。见图5所示。

图5 直线导轨测量平台组成图

测头测量部分由Heidenhan水平探测头T1、 Solartron竖直探测头T2、T3的竖直移动机构和导轨滑块水平移动机构组成。

大理石平台部分由天然大理石平台和高精度直线导轨组成。为了安装夹具，在大理石平台上镶嵌不锈钢T型槽。天然理石平台按《GB/T20428-2006岩石平板》国家标准制作。有精度高、不扭曲、不损伤工件、硬度高、变形小、不锈蚀的特点。

平台支撑部分由5条金属支腿组成。为使得理石平台变形最小，主支撑点按照白塞尔定律分布[1]；其余各个支撑点仅起辅助支撑作用。见图6所示底面支撑点位置示意图。

图6 底面支撑点位置示意图

3.2 直线导轨测量平台电气测控系统

3.2.1 测量平台硬件及其电气控制原理

测量平台硬件系统主要由工控机、电脑显示器、低压配电部分组成。工控机是测量平台的核心控制单元以及实现测量功能的关键部件，工控机要与测量平台所使用的其他硬件和LabVIEW运行程序相适应，工控机选用Advantech IPC-610L，主要配置有Intel Core i5-2400 CPU @ 3.3GHz、DDR3 4GB内存、SATA HDD 500GB硬盘、4×USB 3.0（用于连接Solartron USBIM接口模块）和4×RS-232/422/485串口扩展I/O接口;显示器选用AOC 1680 x 1050像素、21英寸高清宽屏显示器;低压配电部分选用Schneider元件和MISUMI启动按钮。

测量平台其他硬件还有1套镭射薄层光栅尺和读头T1030-RTLC构成的路径线性编码系统，Renishaw完成直线导轨长度上的记数功能。探测头T1,行程范围30，完成直线导轨无重时的全长上的直线度检测。人工选择测量任务并输入直线导轨相关参数，将传感器放置在直线导轨测量起始端，按下启动/停止按钮向工控机发出测量采样开始指令，随着路径传感器读数头采样数值的递增，每1 mm（STEP_SIZE可设定）执行一次探测头T1、探测头T2、探测头T3的原始数值采样记录、人工从右向左匀速推动测量滑台直至直线导轨测量结束端，再次按下启动/停止按钮，一次测量任务完成。

工控机首先实时采集各个传感器的反馈数值并存储，形成一个以路径数值为横坐标X以探测头T1、探测头T2、探测头T3为纵坐标Y的原始数值坐标系，然后根据直线度的定义分别给各个300 mm、1 000 mm以及全长上的直角坐标系旋转做转换运算，最后应用回归分析法对最终数据进行统计处理，求出直线度、扭曲度和其他检测项目数值，并与工艺要求的各项公差数值进行比较且作出结果判断，并以*.txt和*.png的形式输出并存储测量结果、统计数据、表格和曲线，也可选择连接打印机将测量存档文件打印出来。

3.2.2 操作系统及软件

操作系统：本次测量平台采用微软Windows 7旗舰版 service pack1 操作系统

软件平台：本次测量平台采用NI公司的labview 2011sp1软件平台，通过USB通讯接口和传感器数据采集模块连接。

软件工作原理：操作工按下启动按钮，向工控机发出采集数据指令，根据光栅尺每移动一毫米采集一次数据的原理采集所需数据。

4 直线导轨测量平台的操作流程

直线导轨测量平台的操作流程，如图7所示。

图7 导轨测量平台的操作流程图

5 直线导轨测量平台的验收

5.1 直线导轨测量平台的验收及验收标准

直线导轨测量平台的验收实质是对其检定即对测量平台的性能（准确度、稳定性、灵敏度等）的评定[1]；并确定其是否合格所进行的全部工作。验收的主要对象是测量平台。由于国内没有相关的验收标准，特别是测量平台精度、稳定性的验收，参照并执行博世-力士乐的《Booklet 10 Capability of Measurement and Test Processes》相关标准。

测量平台的验收标准主要有两项内容：

第一项是对直线导轨测量平台平面度的检定和高精度水平直线导轨副的精度检定；第二项是对直线导轨测量平台的精度、稳定性，进行分析检定。

5.1.1 直线导轨测量平台平面度和高精度

直线导轨测量平台平面度的检定，使用数字电子水平仪（精度0.001）如图8所示。对平台的纵向和横向的平面度进行检定，按照《中华人民共和国国家计量检定规程-平板》JJG 117-2005的平板平面度要求，进行测量采样，对测量数据处理并判断是否合格。

图8 平台平面度检定

高精度水平直线导轨副精度的检定，使用大理石测量尺（O级）和千分表进行，如图9所示。

图9 直线导轨副精度的检定

5.1.2 直线导轨测量平台精度、稳定性检定

a)重复性（Repeatability）EV值（ Equipment Variation）检定。

b)可能的能力指数Cg（Potential capabilityIndex)检定。

c)关键的能力指数Cgk (Critical capability index)检定。

所谓重复性即测量平台的随机误差占设计误差的比例，即：重复性（Repeatability）＝EV／TR, EV值＝Sg, Sg,为测量值的标准偏差,TR=T /6,T为被检查的工件设计误差。

则重复性:（Repeatability）= EV／TR= 6 Sg/T。

能力指数:Cg＝0.2T/6 Sg;

关键的能力指数:CgK＝(0.1T－|-Xm| ) /3 Sg，为测量值均值也称系统误差，Xm为设计公称均值。检测的样本N＝50。即要对样件反复进行50次检测，以确定能力指数Cg值和关键的能力指数CgK值。

5.2 直线导轨测量平台的验收报告

验收报告对具体的测量任务中的每一项数据，都要分析和判定，即：

（1）全长上，最大直线度的数值（ht）。

（2）全长上，每1 m的最大直线度的数值的Cg值和CgK值。

（3）全长上，每300 mm最弯曲的突出缝隙的直线度的数值（hs）的Cg值和CgK值。

（4）直线导轨两端头在300 mm长的区域的端升和端缝的数值Cg值和CgK值。

（5）全长上最大扭曲度数值的Cg值和CgK值。

结语

本直线导轨测量平台的设计和制造，参考和借鉴了国外技术和经验。应用天然大理石硬度高、变形小和不损伤工件的特性，以及Renishaw镭射薄层光栅和读数头线性编码系统、Solartron Orbit3模块技术、计算机采样、LabVIEW软件的计算统计技术，不仅适用于直线导轨单品种、单项技术参数的检测，而且适用于系列品种和多项技术参数的检测，同时效率高、具有灵活性和广泛的适用性；对国内同类测量平台的设计与制造，具有参考意义。

[1] 花国梁,王旭蕴,丁佰炬等.机械精密测量技术[M].北京:清华大学出版社,1985.

[2] Quality Management in the Bosch GroupTechnical Statistics:Booklet 10 –Capability of Measurement and Test Processes[S].Edition 05,Bosch Group,2010.