12 m激光滾珠絲杠（副）動(dòng)態(tài)行程測(cè)量?jī)x的研制*

焦 潔 肖正義

（①北京機(jī)床所精密機(jī)電有限公司，北京100102;②北京工研精機(jī)股份有限公司，北京101312）

隨著大型、重型、高效、精密及復(fù)合的高檔數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，與其配套的關(guān)鍵功能部件——滾珠絲杠副的需求量逐年上升?，F(xiàn)階段，大型、重型滾珠絲杠副主要由國(guó)外生產(chǎn)廠家壟斷，對(duì)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)期發(fā)展非常不利。國(guó)內(nèi)有規(guī)模的絲杠生產(chǎn)廠家都瞄準(zhǔn)了大型、重型絲杠的市場(chǎng)，紛紛斥巨資上馬8 m以上滾珠絲杠副的加工及配套設(shè)備，去爭(zhēng)取這一市場(chǎng)中的巨大經(jīng)濟(jì)效益。隨著大型滾珠絲杠副的需求量的增加，對(duì)其質(zhì)量要求也越來(lái)越高，其中滾珠絲杠（副）的行程誤差是衡量其精度的主要指標(biāo)。然而，國(guó)內(nèi)8 m以上的大型滾珠絲杠（副）行程測(cè)量?jī)x還是空白，國(guó)外也沒(méi)有此類商品出售。國(guó)家在2009年科技重大專項(xiàng)“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”中立項(xiàng)研制高精度大型螺紋加工設(shè)備和與之配套的檢測(cè)設(shè)備。我公司負(fù)責(zé)的“12 m激光滾珠絲杠（副）行程測(cè)量?jī)x研制及測(cè)試技術(shù)研究”項(xiàng)目是安陽(yáng)鑫盛機(jī)床股份有限公司承擔(dān)的重大專項(xiàng)“12 m螺紋磨床及9 m旋風(fēng)銑床”的子課題，是與項(xiàng)目配套的非常關(guān)鍵的檢測(cè)設(shè)備。在大型測(cè)量?jī)x研制的同時(shí)，開展測(cè)量方法與測(cè)量技術(shù)研究，制定大型絲杠的精度驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，制定絲杠測(cè)量?jī)x檢定規(guī)程。本文重點(diǎn)介紹“12 m激光滾珠絲杠（副）行程測(cè)量?jī)x”的總體方案及其關(guān)鍵技術(shù)。

1 主要技術(shù)指標(biāo)與總體方案

12 m測(cè)量?jī)x的主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 主要技術(shù)指標(biāo)

圖1為測(cè)量?jī)x主機(jī)整體布局。本儀器的主機(jī)采用整體花崗石床身、磁平衡氣浮導(dǎo)軌、雙頂尖夾持絲杠、被測(cè)絲杠自驅(qū)動(dòng)的方式、氣浮卸載尾架、多維聯(lián)動(dòng)測(cè)頭架、便捷式螺母夾具、可定量控制的浮動(dòng)支撐。測(cè)量系統(tǒng)以精密圓光柵為轉(zhuǎn)角基準(zhǔn)，以雙頻激光為長(zhǎng)度基準(zhǔn)，動(dòng)態(tài)連續(xù)測(cè)量，微機(jī)處理數(shù)據(jù)?？蓽y(cè)量單件滾珠絲杠、梯型絲杠的導(dǎo)程誤差、滾珠絲杠副綜合行程誤差，增加附件還可測(cè)量滾珠絲杠的徑向跳動(dòng)。該設(shè)計(jì)方案已取得實(shí)用新型專利（ZL 2010 2 0671383.2）。

2 關(guān)鍵技術(shù)及解決方案

2.1 高精度、高剛度及高穩(wěn)定性的測(cè)量?jī)x主機(jī)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)

2.1.1 主導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

國(guó)內(nèi)外其他廠家還沒(méi)有8 m以上的動(dòng)態(tài)行程測(cè)量?jī)x。在較短行程測(cè)量?jī)x中，有的采用滑動(dòng)導(dǎo)軌，有的采用滾動(dòng)導(dǎo)軌，而我公司的4 m以下的激光行程測(cè)量?jī)x采用氣浮結(jié)構(gòu)。

在本課題中，為解決大型測(cè)量?jī)x的主導(dǎo)軌精度保持性、測(cè)量拖車運(yùn)動(dòng)靈活、輕便的問(wèn)題，主導(dǎo)軌與拖車采用氣浮結(jié)構(gòu);為解決超長(zhǎng)導(dǎo)軌兩立面平行度難加工的問(wèn)題，在同一側(cè)面又采用了磁浮結(jié)構(gòu)。這種磁平衡的氣浮導(dǎo)軌的優(yōu)點(diǎn)是:拖車在主導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)時(shí)，非接觸、無(wú)摩擦，長(zhǎng)期使用時(shí)不磨損，精度保持性好（專利號(hào) ZL 2010 2 0671359.9）。

2.1.2 測(cè)量拖車的驅(qū)動(dòng)方式

在測(cè)量大型滾珠絲杠副的綜合行程誤差時(shí)，由于預(yù)緊轉(zhuǎn)矩及其波動(dòng)量較大，對(duì)拖車的承載及剛性都提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

國(guó)外一些小規(guī)格的測(cè)量?jī)x中有采用類似車床的母絲杠驅(qū)動(dòng)，這種方式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，傳動(dòng)鏈誤差大，還要解決母絲杠與被測(cè)絲杠螺距不一致的問(wèn)題，往往還要配置專門的數(shù)控系統(tǒng)，使得操作復(fù)雜，對(duì)檢驗(yàn)員要求很高。

在本課題中，由于采用氣浮導(dǎo)軌，拖車較輕，測(cè)量的又是大型絲杠，用帶動(dòng)測(cè)頭完全可以驅(qū)動(dòng)拖車，而加螺母測(cè)量時(shí)，著重解決氣浮剛性與運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性的難題就可以了。因此，我們?nèi)匀徊捎帽粶y(cè)絲杠自驅(qū)動(dòng)的方式，國(guó)產(chǎn)的較短行程測(cè)量?jī)x中都是采用這種方式。其優(yōu)點(diǎn)是:測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)鏈少，精度高，拖車運(yùn)動(dòng)靈活、輕便。

2.1.3 被測(cè)絲杠的輔助定位

大型滾珠絲杠的特點(diǎn)就是長(zhǎng)徑比大、撓度大。一根直徑φ80 mm，長(zhǎng)度8 000 mm的滾珠絲杠，支起兩端，實(shí)測(cè)中間的下垂量為20 mm，如果沒(méi)有支承是無(wú)法進(jìn)行測(cè)量的。在測(cè)量絲杠導(dǎo)程誤差時(shí)，一般都要根據(jù)長(zhǎng)度配不同數(shù)量的固定支承，但在測(cè)量綜合行程誤差時(shí)，必須解決螺母與支承的干涉等問(wèn)題。

曾經(jīng)考慮過(guò)在主導(dǎo)軌旁邊增加2條輔助導(dǎo)軌，拖車運(yùn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)絲杠支架沿著輔助導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，以減小絲杠的下垂。然而，這種結(jié)構(gòu)使得測(cè)量?jī)x的體積更龐大、制造成本更高、調(diào)整更困難。經(jīng)分析比較，在本課題中，我們?cè)O(shè)計(jì)了蝸輪絲杠升降機(jī)構(gòu)。其優(yōu)點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)緊湊，便于在測(cè)量?jī)x有限的空間安放;剛性好，支頂大型重型絲杠時(shí)變形小。

2.1.4 選擇床身的材料，研究加工技術(shù)

由于該測(cè)量?jī)x床身長(zhǎng)度14.5 m，如何保證該床身的精度及穩(wěn)定性非常關(guān)鍵。常用床身結(jié)構(gòu)主要有2種:鑄鐵床身與花崗巖床身。相比之下，采用花崗巖床身優(yōu)點(diǎn)更為突出:組織結(jié)構(gòu)均勻，內(nèi)應(yīng)力完全消失，不變形;剛性好，硬度高，耐磨性強(qiáng);線脹系數(shù)極小，溫度變形小;無(wú)滯澀感，平面穩(wěn)定度好等等。因此，我們毅然選用無(wú)拼接的整體花崗石作為床身，但同時(shí)顯著增加了床身的加工難度。

圖2為床身截面圖，上面中間開槽鑲嵌鑄鐵副導(dǎo)軌。對(duì)主導(dǎo)軌直線度要求:2 μm/2 m、10 μm/全長(zhǎng)，優(yōu)于“000”級(jí)平板的要求，加工工藝難度很大。

除了機(jī)械加工外，最終的精度都是由人工精研完成。除要用到高精密的檢測(cè)設(shè)備外，長(zhǎng)期積累的工藝數(shù)據(jù)和工藝方法也至關(guān)重要。本課題中，我們總結(jié)了之前10 m及其以下測(cè)量?jī)x主導(dǎo)軌的加工經(jīng)驗(yàn)，并兼顧長(zhǎng)途運(yùn)輸對(duì)精度帶來(lái)的影響，在用戶使用場(chǎng)地完成了要求的精度，這也是對(duì)超長(zhǎng)導(dǎo)軌高精度加工工藝的一個(gè)突破。

2.1.5 設(shè)計(jì)副導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)、研究加工工藝

測(cè)量?jī)x的副導(dǎo)軌用于支撐和尾座的移動(dòng)。考慮加工工藝性，選用鑄鐵材料，每塊導(dǎo)軌板長(zhǎng)度近1 m，全長(zhǎng)由13塊拼接而成，如何保證尾座在大于12 m的副導(dǎo)軌上移動(dòng)并與床身主導(dǎo)軌保持平行是本項(xiàng)目的難點(diǎn)。

圖3為副導(dǎo)軌截面圖，在機(jī)械加工時(shí)，要保證13塊導(dǎo)軌板導(dǎo)軌面及T型槽的一致性，副導(dǎo)軌最終的精度也是由人工刮研完成的。對(duì)于超長(zhǎng)精密鑄鐵導(dǎo)軌來(lái)說(shuō)，“平”且“直”可不是件容易的事。除了恒溫潔凈的環(huán)境條件、高精度的測(cè)量?jī)x器、專用研具等必要條件外，工人的經(jīng)驗(yàn)、智慧、毅力、耐性更為重要。在施工過(guò)程中，必須特別仔細(xì)地檢測(cè)才能得到有效的數(shù)據(jù)，再做科學(xué)的分析，判斷是溫度影響還是主導(dǎo)軌影響，是單導(dǎo)軌超差還是“一V一平”相互“咬合”?稍有不慎，就會(huì)造成事倍功半的后果。我們兼顧長(zhǎng)途運(yùn)輸?shù)挠绊?，制定了工藝路線。在用戶場(chǎng)地，副導(dǎo)軌在近13 m長(zhǎng)度上的直線度小于5 μm。更難得的是，我們將刮研的導(dǎo)軌面作為氣浮面，實(shí)現(xiàn)了尾架氣浮卸載方案，不僅使尾架移動(dòng)時(shí)輕松省力，也避免了尾架過(guò)重對(duì)副導(dǎo)軌造成的磨損。

2.1.6 主軸與尾座的優(yōu)化設(shè)計(jì)與制造

在圖4的主軸箱部件中，采用了“死頂尖”結(jié)構(gòu)。齒輪套與主軸采用密珠軸承，過(guò)盈配合。齒輪套旋轉(zhuǎn)，主軸與頂尖不轉(zhuǎn)，可以避免主軸軸向竄動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，一方面保證高的旋轉(zhuǎn)精度;另一方面可以縮小徑向尺寸，使得結(jié)構(gòu)緊湊。此外，由于被測(cè)絲杠副重量最大時(shí)接近3 t，動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，預(yù)緊轉(zhuǎn)矩的變動(dòng)量很大，對(duì)頂尖的影響不能按靜荷載計(jì)算了，必須要考慮主軸在大負(fù)載下的動(dòng)剛性，我們用模態(tài)分析和有限元分析的方法，對(duì)主軸進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

為解決大型絲杠副在測(cè)量時(shí)的安裝定位精度與支撐剛度問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)了“V型尾架頂尖套”結(jié)構(gòu)，如圖5所示。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是:（1）接觸面大，承載大、剛性好;（2）導(dǎo)軌配合好，移動(dòng)精度高;（3）如果長(zhǎng)期使用精度喪失時(shí)，又可以通過(guò)刮研尾架導(dǎo)軌調(diào)整間隙恢復(fù)精度;（4）削扁的頂尖套體積小，使測(cè)量光能夠接近被測(cè)絲杠軸線，減小阿貝誤差。此外，針對(duì)尾架過(guò)重，移動(dòng)不方便及磨損過(guò)快的問(wèn)題，專門設(shè)計(jì)了尾架氣浮卸載裝置（專利號(hào):ZL 2010 2 0671388.5）。

2.1.7 測(cè)量拖車的優(yōu)化設(shè)計(jì)與調(diào)整

由于重型絲杠副預(yù)緊轉(zhuǎn)矩及其波動(dòng)量很大，精密測(cè)量時(shí)，必須解決氣浮支承承載、剛性及氣浮系統(tǒng)的穩(wěn)定性問(wèn)題。在這里，床身兩凸起軌道的上平面分別放置2個(gè)氣浮支承，床身的側(cè)面導(dǎo)軌上放置2個(gè)氣浮支承和一對(duì)磁鋼，我們采用氣浮支承多點(diǎn)定位、分別調(diào)整，在垂直面內(nèi)達(dá)成氣浮與重力平衡，在側(cè)面達(dá)成氣浮與磁力平衡，保證了測(cè)量過(guò)程中，拖車承載大，運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定（專利號(hào):ZL 2010 2 0671359.9），如圖6所示。

2.1.8 測(cè)頭架的設(shè)計(jì)制造

測(cè)頭架是測(cè)量?jī)x最關(guān)鍵部件之一，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性影響極大。如圖7所示，測(cè)頭架工作原理為:帶動(dòng)測(cè)頭通過(guò)測(cè)頭架主體與拖車剛性連接，絲杠旋轉(zhuǎn)時(shí)，靠螺旋升力的作用帶動(dòng)拖車運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生軸向位移;外圓定位測(cè)頭克服絲杠彎曲對(duì)測(cè)量造成的影響;測(cè)量測(cè)頭帶著測(cè)量元件始終沿著某一條螺旋線軸向移動(dòng)，真實(shí)反映絲杠導(dǎo)程誤差。在這里，除了軸向、徑向有調(diào)整機(jī)構(gòu)可調(diào)位移外，巧妙地利用了彈性元件，測(cè)量測(cè)頭在帶動(dòng)測(cè)頭和外圓定位測(cè)頭的聯(lián)合作用下，軸向、徑向都有自由度，從而保證測(cè)量測(cè)頭始終與螺旋線接觸（專利號(hào):ZL 2010 2 0671376.2）。

2.2 高可靠性、高定位精度的浮動(dòng)支撐及自動(dòng)控制系統(tǒng)

浮動(dòng)支撐是由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的蝸輪絲桿升降機(jī)構(gòu)（圖8），通過(guò)PLC智能控制器去完成升降行程（圖9為控制界面）。升降的重復(fù)定位精度及各支撐動(dòng)作的控制非常關(guān)鍵。要保證支承升降時(shí)的定位精度，除了制造精度外，控制時(shí)要克服步進(jìn)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)頻率過(guò)高或負(fù)載過(guò)大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時(shí)轉(zhuǎn)速過(guò)高易出現(xiàn)過(guò)沖的現(xiàn)象，這就需要設(shè)定好運(yùn)動(dòng)模式及加減速時(shí)間常數(shù)。

2.3 高精度的測(cè)量系統(tǒng)與測(cè)試技術(shù)

圖10為測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成。測(cè)量原理為:以圓光柵編碼器作為測(cè)角的基準(zhǔn)，以雙頻激光干涉儀作為測(cè)長(zhǎng)基準(zhǔn)。圓光柵與絲杠一起轉(zhuǎn)動(dòng)，由讀數(shù)頭拾取代表絲杠轉(zhuǎn)角的信號(hào);同時(shí)，絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)螺母帶動(dòng)測(cè)量拖車移動(dòng)，拖車上的立體棱鏡與其他干涉系統(tǒng)形成代表位移的激光測(cè)量信號(hào)。通過(guò)綜合處理電路及接口將所測(cè)到的絲杠轉(zhuǎn)角值及螺母的位移量，按規(guī)定的采樣點(diǎn)數(shù)送往計(jì)算機(jī)，經(jīng)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理以后，即可得到測(cè)量結(jié)果。

測(cè)量系統(tǒng)的精度有賴于傳感器及信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)。為此，需要采取以下措施:

首先，要選擇高精度的傳感器，我們選擇了德國(guó)Heidenhain高精度的精密圓光柵作為絲杠旋轉(zhuǎn)的角度基準(zhǔn)，選用美國(guó)Agilent 5519A雙頻激光作為長(zhǎng)度基準(zhǔn)，這些知名品牌的產(chǎn)品精度有保證。

其次，采用信號(hào)細(xì)分技術(shù)，提高分辨率，減小量化誤差。

最后，在信號(hào)調(diào)理電路中采取相應(yīng)的措施。如:設(shè)計(jì)激光信號(hào)處理電路，確保激光信號(hào)的長(zhǎng)距離穩(wěn)定和計(jì)數(shù)精度;設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)中斷型的數(shù)據(jù)采集接口電路，確保測(cè)量時(shí)采數(shù)正確、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度高;采用可逆計(jì)數(shù)器消除機(jī)械振動(dòng)或爬行帶來(lái)的影響等。

2.4 微機(jī)數(shù)據(jù)處理及其誤差評(píng)定

在專用接口硬件的基礎(chǔ)上，利用Windows操作系統(tǒng)VC++編程，開發(fā)相適應(yīng)的軟件，用于基本測(cè)量和儀器自檢及故障排除。另外還針對(duì)大型絲杠數(shù)據(jù)處理中的問(wèn)題，采取專門措施:（1）母線處理:計(jì)算4個(gè)截面（0°、90°、180°、270°）的結(jié)果，用來(lái)分析絲杠彎曲帶來(lái)的影響，也便于與國(guó)外多用的截面處理結(jié)果相比對(duì);（2）框選:在整個(gè)誤差曲線上用鼠標(biāo)任意框選截取曲線，自動(dòng)算出所選長(zhǎng)度的結(jié)果，便于了解大型絲杠各段的精度，在改制時(shí)參考;（3）手動(dòng)剔除:在測(cè)量時(shí)，由于種種原因，有些測(cè)量點(diǎn)并不反映工件的真實(shí)情況，這就是隨機(jī)誤差，可用手動(dòng)剔除方法剔除之;（4）自動(dòng)剔除:當(dāng)隨機(jī)誤差較多時(shí)，用手動(dòng)剔除效率低，用此法自動(dòng)完成，效率高。測(cè)量軟件人機(jī)界面（圖11）友好、方便。

3 使用效果

目前，我公司研制的2臺(tái)大型絲杠行程測(cè)量?jī)x，已成功應(yīng)用于行業(yè)龍頭企業(yè)——南京工藝裝備制造有限公司（圖12為10 m測(cè)量?jī)x，2009年使用）、山東博特精工股份有限公司（圖13為12 m測(cè)量?jī)x，2011年使用），測(cè)試了多種規(guī)格的大型滾珠絲杠副，使用情況良好。整機(jī)測(cè)量精度高、性能穩(wěn)定、可靠、功能強(qiáng)、操作方便、快捷。通過(guò)產(chǎn)品的檢測(cè)和試驗(yàn)，收集了大量的數(shù)據(jù)，為科學(xué)地分析與探索大型滾珠絲杠副的技術(shù)性能指標(biāo)和精度指標(biāo)，有針對(duì)性地改進(jìn)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)、指導(dǎo)產(chǎn)品加工技術(shù)及工藝的完善與升級(jí)，提供了檢測(cè)手段和科學(xué)依據(jù)，為批量生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)精密級(jí)大型滾珠絲杠副提供了保障。

“12 m激光滾珠絲杠（副）行程測(cè)量?jī)x”于2011年底通過(guò)了專家鑒定，評(píng)價(jià)為:“填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外大型絲杠測(cè)量?jī)x的空白，在國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先水平，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平……”，并于2012年榮獲機(jī)械工業(yè)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。