步距規(guī)檢測數(shù)控機床直線軸的技術(shù)研究

田俊成 梁熠葆 唐 軍 李瀟冰

(①陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院校辦工廠(咸陽機床廠)，陜西咸陽 712000;②陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研處，陜西咸陽 712000)

直線軸的定位精度和重復(fù)定位精度(以下簡稱精 度)，檢測常用的有3種方法:第一種是激光干涉儀法。它可以根據(jù)被測機床的規(guī)格、技術(shù)要求進(jìn)行自動檢測、數(shù)據(jù)處理、螺距補償?shù)热詣拥臋z測整臺數(shù)控機床，且軸線尺寸的長短都能檢測，精度達(dá)到微米量級，但是這種設(shè)備價格昂貴，不同檔次的激光干涉儀，無論國產(chǎn)還是進(jìn)口，少則二三十萬元，多則六七十萬元。因此在軍工企業(yè)、大型企業(yè)和專業(yè)檢測機構(gòu)中應(yīng)用較為廣泛。第二種是金屬線紋尺法，它是以線紋尺的刻線為標(biāo)準(zhǔn)，借助于讀數(shù)顯微鏡與之配合，進(jìn)行直線軸精度檢測的一種方法。這種方法是用眼睛通過讀數(shù)顯微鏡，瞄準(zhǔn)線紋尺的刻線進(jìn)行人工讀數(shù)，來確定直線軸的檢測數(shù)據(jù)。該方法效率低，靠人的目力瞄準(zhǔn)刻線，因此，精度不高，人為誤差大，只適應(yīng)于普通車床、銑床等低精度機床的檢測，且被檢軸線大于線紋尺長度時就無法檢測。第三種為步距規(guī)法，是以步距規(guī)為標(biāo)準(zhǔn)，用電感測微儀傳感器測頭(以下簡稱測頭)進(jìn)行定位讀數(shù)的一種直線軸檢測方法。此法的設(shè)備與激光干涉儀相比，價格低廉，1 m內(nèi)步距規(guī)加電感測微儀不超過3.5萬元，且精度較高。若將步距規(guī)按等使用(按實際尺寸使用)，測頭分辨率調(diào)整到0.5 μm或0.1 μm，其測量精度與激光干涉儀相當(dāng)，也可達(dá)到微米量級。它的高精度、低成本在數(shù)控機床制造行業(yè)，與使用數(shù)控機床的單位中都有廣泛的應(yīng)用。但步距規(guī)也有它的缺點，那就是步距規(guī)一定要大于被測直線軸的長度，若小于就無法檢測，或者要分段檢測，數(shù)據(jù)不連續(xù)精度很不可靠。因此，我們在近年來檢測實踐中，總結(jié)研發(fā)了一種“雙測頭檢測法”或“多測頭檢測法”進(jìn)行直線軸的檢測。這種方法是用一個步距規(guī)和兩個測頭，或多個測頭，一次性將大于步距規(guī)尺寸的直線軸連續(xù)檢測完畢，很好地克服步距規(guī)的這一缺點，極大地擴展了步距規(guī)的使用范圍。

1 步距規(guī)的結(jié)構(gòu)與精度等級

1.1 步距規(guī)的結(jié)構(gòu)

步距規(guī)的結(jié)構(gòu)見圖1，它是由測量量塊與墊塊拼研在一起，組成標(biāo)準(zhǔn)尺寸，并鑲嵌于步距規(guī)基座通槽之中的一種長度標(biāo)準(zhǔn)量具。其量塊的材料有鋼質(zhì)、陶瓷和鋼質(zhì)與陶瓷混合的3種。

1.2 步距的精度級別

步距的精度分為0級、1級、2級，相關(guān)的技術(shù)要求見表 1［1］所示。

表1 步距規(guī)精度級別

2 步距規(guī)檢測數(shù)控直線軸的測量原理

步距規(guī)是量塊拼研的組合體，屬長度尺寸的實物標(biāo)準(zhǔn)。其測量原理是以步距規(guī)各測量量塊中心測量線，至零平面中心測量線，之間的距離組成的標(biāo)準(zhǔn)長度，以電感測頭為定位元件，與被檢機床直線軸所顯示的長度尺寸之差，即為被檢軸線的定位精度誤差。

3 步距規(guī)檢測直線軸關(guān)鍵技術(shù)的研究

3.1 單測頭檢測法(小于或等于)

將步距規(guī)放置在被檢機床導(dǎo)軌上，用壓板或工業(yè)橡皮泥將其固定后，用測頭將步距規(guī)側(cè)方基準(zhǔn)面，與被檢軸線運動方向拉直找正在0.02 mm即可，然后等溫至少8 h，或者提前等溫后再安裝步距規(guī)。并在檢測時先將測頭讀數(shù)表電源打開，預(yù)熱至少30 min。定位用的測頭要安裝到機床可移動的Z軸或Y軸的適當(dāng)位置，支架要有足夠的剛性，并在測量前反復(fù)校準(zhǔn)零位，然后按國標(biāo)GB/T17421.2－2000要求的測量點數(shù)，目標(biāo)位置趨近方向，記錄格式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，若有超差則要進(jìn)行螺距補償，具體螺距補償方法這里不再贅述。

3.2 雙測頭檢測法和多測頭檢測法(大于)

現(xiàn)以300 mm的步距規(guī)用“雙測頭檢測法”，檢測600 mm的X導(dǎo)軌直線軸為例進(jìn)行詳述(測頭的安裝中心距如圖2所示)。

第一步，將步距規(guī)安裝在導(dǎo)軌工作臺的中間位置，方法和要求與3.1所述相同。第二步，將測頭A和B安裝到機床可移動的Z軸或Y軸的適當(dāng)位置上，這里要說明的是，安裝A、B測頭的兩個支架的其中一個夾頭，必須做成可微調(diào)的結(jié)構(gòu)。安裝時用數(shù)控電子手輪移動X導(dǎo)軌，使A測頭指針壓至零位附近，再用電感測微儀上的旋鈕精確調(diào)零，A測頭安裝完畢(見圖2的測頭A)。接下來B測頭安裝是關(guān)鍵的一步，此時X導(dǎo)軌固定不動，用微調(diào)夾頭使B測頭指針壓至零位附近，再用B測頭電感測微儀上的旋鈕精調(diào)至零位(見圖2的測頭B)。這時移動安裝A、B測頭的Z軸或Y軸，使測頭退出步距規(guī)測量面。第三步，將導(dǎo)軌X軸向左移動300 mm，使步距規(guī)處于1位置，然后移動安裝A、B測頭的軸線進(jìn)入步距規(guī)的測量位置(見圖3測量分解示意圖的1位置)，使測頭A與步距規(guī)的零平面接觸，并將A測頭指針再次調(diào)零后開始測量。導(dǎo)軌向右移動，測頭A測完L1=100 mm、L2=200 mm、L3=300 mm時，B測頭進(jìn)入零平面的測量位置(見圖3測量分解示意圖的2位置)。這時要把B測頭對零平面的指針示值，調(diào)整到與A測頭指針相同的數(shù)值，表示B測頭進(jìn)入測量位置接替A測頭，繼續(xù)測量L4=400 mm、L5=500 mm、L6=600 mm，這時步距規(guī)就移動到圖3的3位置。一個連續(xù)檢測600 mm的過程全部完成。然后再進(jìn)行反向測量，導(dǎo)軌向左移動，B測頭的最后一點又成為反向測量的起始點，依次測量反向的100 mm、200 mm、300 mm，這時A測頭進(jìn)入測量面接替即將退出測量的B測頭，步距規(guī)又回到2位置，此時與測量正向行程相同的是，要把A測頭指針的示值調(diào)整到與B測頭相同的數(shù)值，A測頭依次測完反向的400 mm、500 mm、600 mm后又回到1位置，一個反向的連續(xù)測量600 mm的過程到此結(jié)束。這是測量中最為關(guān)鍵的一個步驟，其目的就是要保證測量的連續(xù)性，和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確銜接。按照上述方法，測量5個往返后，再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，確定是否合格。

以上介紹的是用兩臺電感測微儀，檢測直線軸的具體方法與步驟。如果有的單位只有一臺電感測微儀，那么只要有兩個旁向傳感器測頭也是可以的。測量方法與兩臺電感測微儀基本相同。但不同的是，在圖3的2位置，當(dāng)B測頭進(jìn)入零平面接替A測頭測量時，要通過測微儀的A、B測頭轉(zhuǎn)換開關(guān)，將B測頭對零平面的指針示值，調(diào)整到與A測頭指針相同的數(shù)值即可。同樣反行程測量到2位置時，仍要通過測微儀的A、B測頭轉(zhuǎn)換開關(guān)，將A測頭的指針示值，調(diào)整到與B測頭指針相同的數(shù)值即可。

4 結(jié)語

(1)文中所舉實例為0～300步距規(guī)，用雙測頭檢測法可檢測600 mm的直線軸，此方法同樣適用所有規(guī)格的步距規(guī)。如0～1 000 mm步距規(guī)，用雙測頭檢測法可檢測2 000 mm的直線軸，用三測頭檢測法可測3 000 mm的直線軸，對于大型機床可推廣到“N測頭檢測法”。由于機床結(jié)構(gòu)的不同，有的還需加裝測頭支架才能實現(xiàn)“N測頭檢測法”。(2)步距規(guī)做為檢測數(shù)控直線軸的標(biāo)準(zhǔn)器，為提高檢測精度，一定要按實際尺寸對測量值進(jìn)行修正，用雙測頭檢測法則要雙倍修正，用N測頭檢測法就要修正N次。(3)由于步距規(guī)是由許多量塊拼合組成，每年應(yīng)按JJF1258－2010校準(zhǔn)規(guī)范校準(zhǔn)，以確保其量值傳遞的可靠性。(4)由表1可知步距規(guī)的精度是很高的，尤其是0級，因此對于磨床等高精度直線軸的檢測，還應(yīng)考慮溫度對陶瓷步距規(guī)熱脹系數(shù)的影響。

［1］國家工業(yè)和信息化部.機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T10977－2010 步距規(guī)［S］.北京:機械工業(yè)出版社，2010.

［2］中國計量科學(xué)研究院.國家計量技術(shù)規(guī)范JJF1258－2010〈步距規(guī)校準(zhǔn)規(guī)范〉［S］.北京:中國計量出版社，2010.

［3］全國金屬切削機床標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T17421.2－2000 機床檢驗通則第2部分:數(shù)控軸線的定位精度和重復(fù)定位精度的確定［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2000.