超长导轨直线度的测量和计算方法

江苏省计量科学研究院

0 引言

直线度是机械零件上各种要素中最常见的一种要素，直线度误差的测量是形状误差测量中最基本的一项测量。

直线度误差的定义是“被测实际轮廓线对理想直线的变动量”。在实际检测中，“与理想要素比较原理”应用较多，常采用精密加工形成的刃、棱、导轨、平面或拉紧的细钢丝等做为标准直线，这类标准直线通常跨度比较小，不适于对大型长导轨进行测量。也有利用几何光学原理制成的准直类仪器的光轴来做“标准直线”的，这类仪器在实际使用中，超过一定的长度（极限为几十米）就变得很不稳定，同样也解决不了超长导轨直线度的测量问题。

本文利用光电自准直仪加反射镜的方法，采用分段拼接技术，能很好地解决超长导轨直线度的测量问题。

1 工作原理

传统的用光电自准直仪测量导轨直线度的工作原理如下：将自准直仪置于被测零件之外的基座上，反射镜安放在跨距适当的桥板上，桥板置于被测导轨上，如图1所示。测量时，先记下反射光点的位置，然后将反射镜沿被测导轨按一定间距移动，若反射光点的位置没有变化，则导轨的直线度为零，若反射光点的位置有变化，则通过计算可以得到导轨的直线度误差。

常用的直线度误差有两端点连线法和最小区域法两种评定方法。

传统方法的测量距离通常不大，已知仪器的测量极限大约有几十米，对更长的导轨就可以按照分段拼接技术来加以解决，具体的做法是把反射镜与自准直仪都装在磁性表座上，光电自准直仪下面和反射镜下面的桥板完全一致，先把反射镜和自准直仪靠在一起，置于被测导轨上，将自准直仪固定在导轨上，将其示值置零，接着把反射镜沿导轨前移步距L后固定到导轨上，记下此时的X和Y方向上的角度偏移(dx1，dy1)；然后把自准直仪前移到靠近反射镜处固定在导轨上，将其示值置零，接着把反射镜沿导轨前移步距L后固定到导轨上，记下此时的X和Y方向上的角度偏移(dx2，dy2)；重复以上过程，直到经过第n个步距L后记下此时的X和Y方向上的角度偏移（dxn，dyn）。

图1 传统直线度测量

图2 分段拼接工作原理

2 系统的组成

目前光电自准直仪的主要生产厂家有德国、美国、英国和日本等国企业，准确度较高的有德国生产的EC-3000光电自准直仪，其准确度在20''之内是±0.1''，在±1 000''范围内为±0.25''，仪器采用高分辨力CCD相机，带有RS-232接口，最大工作距离为25 m。

3 实例计算

以对跨度为1 000 mm， 50 m的长导轨进行分段测量为例，得到如表1所示的结果。

表1 测试结果

与原始位移图（见图3）相比，采用端点连线法（见图4）进行评定，计算得到X方向直线度为0.0412 mm，Y方向直线度为0.040 9 mm。

计算方法是把所有点绕第0点旋转，使最后一点与第0点等高，分别找出最高点和最低点，则端点连线法的直线度误差就是该最高点和该最低点之间的高度差。

图3 原始位移

图4 端点连接法

采用最小区域法（见图5）进行评定，计算得到X方向直线度为0.038 5 mm，Y方向直线度为0.035 6 mm。

计算方法是把所有点绕第0点旋转，使所有的点出现低高低或高低高的情况，则最小区域法的直线度误差就是该最高点和最低点之间的高度差。

图5 最小区域法

图5中所示的X方向为典型的低高低现象，即两最低点等高，最高点在两低点之间。Y方向为典型的高低高现象，即两最高点等高，最低点在两高点之间。这两种情况都符合最小区域法的判定准则。

4 结语

用光电自准直仪可以测量导轨的直线度，采用拼接技术可以实现超长导轨的直线度测量，通过旋转可以快速计算端点连线法和最小区域法的直线度误差。将测量方法进行适当改进可以大大拓展传统方法的测量极限。

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