非接觸式滾動(dòng)直線導(dǎo)軌精度測(cè)量裝置*

楊炫召，葉飛原，張艷紅

（廣東高新凱特精密機(jī)械股份有限公司，廣東江門 529100）

非接觸式滾動(dòng)直線導(dǎo)軌精度測(cè)量裝置*

楊炫召，葉飛原，張艷紅

（廣東高新凱特精密機(jī)械股份有限公司，廣東江門 529100）

非接觸式滾動(dòng)直線導(dǎo)軌精度測(cè)量裝置主要用于滾動(dòng)直線導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)精度（平直度）的檢測(cè)，同時(shí)也可以測(cè)量導(dǎo)軌溝槽到導(dǎo)軌底面的距離。對(duì)滾動(dòng)直線導(dǎo)軌要測(cè)量的精度項(xiàng)目以及其傳統(tǒng)的測(cè)量方法作了簡(jiǎn)單介紹，對(duì)新的非接觸式動(dòng)態(tài)測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)原理、測(cè)量方法以及實(shí)現(xiàn)這一測(cè)量方法的機(jī)臺(tái)作了詳細(xì)說明，最后還在技術(shù)特點(diǎn)方面對(duì)新舊兩種方法作了比較。關(guān)鍵詞：滾動(dòng)直線導(dǎo)軌；導(dǎo)軌精度;非接觸式動(dòng)態(tài)測(cè)量

1 導(dǎo)軌精度主要的測(cè)量項(xiàng)目

直線導(dǎo)軌需要測(cè)量的精度項(xiàng)目主要是溝槽中心相對(duì)導(dǎo)軌底面的距離（高度H）、平行度1和平行度2，如圖1所示。高度H為在導(dǎo)軌任一橫截面上溝槽中心對(duì)導(dǎo)軌底面的距離；平行度1為在導(dǎo)軌任一橫截面上導(dǎo)軌左右溝槽中心連線對(duì)導(dǎo)軌底面的平行度；平行度2為沿導(dǎo)軌縱向方向上溝槽中心線對(duì)導(dǎo)軌底面的平行度。

2 導(dǎo)軌精度的普通測(cè)量方法

圖1 直線導(dǎo)軌的精度

測(cè)量導(dǎo)軌上述精度的普通方法是把導(dǎo)軌裝夾在檢測(cè)平板的夾具上，測(cè)量時(shí)套上基準(zhǔn)滑塊或在導(dǎo)軌左右兩側(cè)溝槽放置量棒并用手按緊然后在檢測(cè)平板上移動(dòng)表座進(jìn)行測(cè)量。要測(cè)量導(dǎo)軌一個(gè)橫截面的高度和平行度1需在檢測(cè)平板上沿導(dǎo)軌橫截面方向移動(dòng)表座測(cè)量滑塊頂面3個(gè)點(diǎn)的位置或兩量棒最高點(diǎn)。沿導(dǎo)軌縱向移動(dòng)基準(zhǔn)滑塊和表座，用同樣的方式測(cè)量每一截面位置的高度和平行度1，綜合每一截面位置高度的最大最小值便可得出導(dǎo)軌的平行度2。這種測(cè)量方法的缺點(diǎn)在于：

（1）需要在檢測(cè)平板上裝夾導(dǎo)軌和移動(dòng)表座，工作量和勞動(dòng)強(qiáng)度都很大，檢測(cè)效率極低；

（2）測(cè)量誤差大，檢測(cè)平板、導(dǎo)軌夾具以及表座的接觸面容易磨損和變形，檢測(cè)平板和導(dǎo)軌夾具的誤差需要頻繁地進(jìn)行校對(duì)測(cè)量；

（3）檢測(cè)平板和導(dǎo)軌夾具由于容易磨損而經(jīng)常需要修復(fù)和維護(hù)，檢測(cè)成本高。

3 非接觸式檢測(cè)裝置的測(cè)量原理

非接觸式測(cè)量裝置的原理結(jié)構(gòu)為：在基準(zhǔn)滑塊上固定一個(gè)支架，支架上安裝兩個(gè)非接觸式測(cè)頭，組成基準(zhǔn)滑塊測(cè)量組件。兩個(gè)非接觸式測(cè)頭A、B分別用于測(cè)量導(dǎo)軌底面左右兩邊位置，測(cè)頭與導(dǎo)軌底面不接觸，為非接觸式測(cè)量。測(cè)量時(shí)先將基準(zhǔn)滑塊測(cè)量組件套入基準(zhǔn)導(dǎo)軌校對(duì)傳感器的初始值（基準(zhǔn)導(dǎo)軌溝槽中心線相對(duì)導(dǎo)軌底面的距離（高度H）及平行度1為已知），然后將基準(zhǔn)滑塊測(cè)量組件套進(jìn)被測(cè)導(dǎo)軌。基準(zhǔn)滑塊套進(jìn)被測(cè)導(dǎo)軌后，若被測(cè)導(dǎo)軌的高度和平行度1與基準(zhǔn)導(dǎo)軌不一致，將引起基準(zhǔn)滑塊相對(duì)導(dǎo)軌底面高度距離產(chǎn)生變化以及滑塊繞導(dǎo)軌縱向軸線產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。基準(zhǔn)滑塊與固定在其上的支架和非接觸式測(cè)頭組成的是剛性組件，基準(zhǔn)滑塊相對(duì)導(dǎo)軌底面的尺寸變化可以由兩個(gè)非接觸式測(cè)頭檢測(cè)出來(lái)。根據(jù)兩測(cè)頭在被測(cè)導(dǎo)軌測(cè)量值與在基準(zhǔn)導(dǎo)軌初始測(cè)量值的相對(duì)變化以及基準(zhǔn)導(dǎo)軌已知的高度距離和平行度1便可計(jì)算出被測(cè)導(dǎo)軌的高度和平行度1。計(jì)算方法如下：假設(shè)基準(zhǔn)導(dǎo)軌的高度為H，平行度1為PAL1，基準(zhǔn)滑塊測(cè)量組件套入基準(zhǔn)導(dǎo)軌校對(duì)時(shí)兩傳感器的初始測(cè)量值分別為A0、B0，基準(zhǔn)滑塊測(cè)量組件套入被測(cè)導(dǎo)軌某一位置時(shí)兩傳感器的測(cè)量值分別為A1、B1，則被測(cè)導(dǎo)軌在該位置的高度和平行度1分別為：

沿導(dǎo)軌縱向在全長(zhǎng)范圍以一定的距離間隔移動(dòng)基準(zhǔn)滑塊測(cè)量組件進(jìn)行測(cè)量可得到每個(gè)測(cè)量位置的測(cè)量值：A1，A2，A3，…，An；B1，B2， B3，…，Bn。依據(jù)上述計(jì)算方法可以得到導(dǎo)軌各測(cè)量位置的高度和平行度1：

根據(jù)各位置的測(cè)量值可以計(jì)算和綜合評(píng)定被測(cè)導(dǎo)軌的高度、平行度1和平行度2：

取各測(cè)量位置高度測(cè)量值絕對(duì)值的最大值為被測(cè)導(dǎo)軌的高度值：

h=max(bas(h1)，bas(h2)，bas(h3)，…，bas(hn))

取各測(cè)量位置平行度1測(cè)量值絕對(duì)值的最大值為被測(cè)導(dǎo)軌的平行度1：

pal1=max(bas(pal11)， bas(pal12)，bas(pal13)，…，bas(pal1n))

所有位置高度測(cè)量值的最大值與最小值之差為被測(cè)導(dǎo)軌的平行度2：

4 檢測(cè)裝置的實(shí)現(xiàn)

為實(shí)現(xiàn)這一測(cè)量方法，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的檢測(cè)機(jī)臺(tái)。如圖2所示，檢測(cè)機(jī)分成兩個(gè)臺(tái)架（主要是考慮導(dǎo)軌檢測(cè)時(shí)搬運(yùn)和裝夾的便利性），每個(gè)臺(tái)架都有兩路相同的檢測(cè)機(jī)構(gòu)，均為步進(jìn)電機(jī)加同步帶驅(qū)動(dòng)測(cè)量頭的結(jié)構(gòu)方式。在臺(tái)架的一頭有用于固定過渡導(dǎo)軌的區(qū)域，該區(qū)域裝有連接板和導(dǎo)軌定位塊。導(dǎo)軌定位塊用于安裝過渡導(dǎo)軌和定位被測(cè)導(dǎo)軌，被測(cè)導(dǎo)軌放上檢測(cè)臺(tái)架后通過定位塊的約束能迅速對(duì)齊過渡導(dǎo)軌，以便于標(biāo)準(zhǔn)滑塊順利進(jìn)入被測(cè)導(dǎo)軌或從被測(cè)導(dǎo)軌退回過渡導(dǎo)軌。換型號(hào)時(shí)導(dǎo)軌定位塊隨過渡導(dǎo)軌一同更換。過渡導(dǎo)軌用于測(cè)量前和測(cè)量后標(biāo)準(zhǔn)滑塊的承接，過渡導(dǎo)軌同時(shí)也是標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌，以便于傳感器的校對(duì)。每路檢測(cè)機(jī)構(gòu)都有一根導(dǎo)向?qū)к?，?dǎo)向?qū)к売袃蓚€(gè)作用：（1）是用于裝夾被測(cè)導(dǎo)軌時(shí)的導(dǎo)向；（2）是測(cè)量時(shí)的導(dǎo)向。非接觸測(cè)量電箱安裝在導(dǎo)向?qū)к壍幕瑝K上，測(cè)量時(shí)讓非接觸測(cè)量電箱跟隨測(cè)頭模塊一同運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)向?qū)к壍幕瑝K上還裝有支承機(jī)構(gòu)，支承機(jī)構(gòu)的作用是便于被測(cè)導(dǎo)軌的裝夾以及測(cè)量過程的支撐，支承機(jī)構(gòu)的動(dòng)作由軟件進(jìn)行控制。檢測(cè)機(jī)工作時(shí)，所有校對(duì)傳感器、驅(qū)動(dòng)、采集數(shù)據(jù)、返回、數(shù)據(jù)處理等一系列動(dòng)作和過程均由安裝在工控機(jī)上的軟件來(lái)完成。

圖2 測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖

5 檢測(cè)裝置的技術(shù)特點(diǎn)

本測(cè)量裝置主要的技術(shù)特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)。

（1）采用基準(zhǔn)滑塊測(cè)量組件沿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)進(jìn)行測(cè)量的模式，位移傳感器與基準(zhǔn)滑塊組成剛性測(cè)量組件，在測(cè)量組件沿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)過程中測(cè)量基準(zhǔn)滑塊相對(duì)導(dǎo)軌底面的尺寸變化，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)軌高度及兩平行度的測(cè)量。采用這種測(cè)量模式的好處在于不用將導(dǎo)軌在檢測(cè)平臺(tái)上用螺釘固定。一根導(dǎo)軌大約有60個(gè)安裝孔，在檢測(cè)平板上拆裝60根螺釘是相當(dāng)耗時(shí)的。本測(cè)量裝置不用在檢測(cè)平板上裝夾導(dǎo)軌，因而可以極大地提高測(cè)量的效率。

（2）采用非接觸測(cè)量方式。本裝置所使用的非接觸測(cè)量方式是利用氣電傳感器將測(cè)頭與導(dǎo)軌底面間隙的位移量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將模擬的電信號(hào)數(shù)字化，從而實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量。氣電傳感器的分辨率很高，可達(dá)0.5微米，線性0.5%F.S。與接觸式測(cè)量相比較，非接觸式測(cè)量沒有接觸式測(cè)量所具有的機(jī)械誤差和反向間隙誤差，受振動(dòng)的影響也比接觸式測(cè)量小得多，因而非接觸測(cè)量的穩(wěn)定性相對(duì)接觸式測(cè)量要高。

本測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高，穩(wěn)定性好，易于進(jìn)行自動(dòng)化測(cè)量。通過自動(dòng)控制可以檢測(cè)導(dǎo)軌任意位置的精度，比在檢測(cè)平板上用螺釘鎖緊導(dǎo)軌然后手工移動(dòng)表座逐點(diǎn)測(cè)量的方式要先進(jìn)得多，檢測(cè)導(dǎo)軌的位置數(shù)目也是手動(dòng)移動(dòng)表座逐點(diǎn)測(cè)量的方式所無(wú)法比擬的。由于不用在檢測(cè)平板上擰螺釘裝夾導(dǎo)軌以及不用手工移動(dòng)表座逐點(diǎn)測(cè)量，因而本測(cè)量裝置的應(yīng)用可以大幅降低檢測(cè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。另外，由于本測(cè)量裝置不用檢測(cè)平板，因而可以免去檢測(cè)平板的維護(hù)，也在一定程度上降低了檢測(cè)成本。

6 結(jié)束語(yǔ)

本測(cè)量裝置使用非接觸式動(dòng)態(tài)測(cè)量滾動(dòng)直線導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)精度，極大地提高了導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)精度的檢測(cè)精度和檢測(cè)效率，實(shí)現(xiàn)了滾動(dòng)直線導(dǎo)軌精度檢測(cè)從手工到自動(dòng)化、從傳統(tǒng)到信息化、從低效到高效的技術(shù)轉(zhuǎn)變，可以說是滾動(dòng)直線導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)精度檢測(cè)的一項(xiàng)大技術(shù)革新，是直線導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)精度檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)里程碑。

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The Precision Measuring Device for the Linear Rolling Guide with the Non Contact Type

YANG Xuan-zhao，YE Fei-yuan，ZHANG Yan-hong
（Guangdong GAOXIN Height Precision Machinery Co.，Ltd，Jiangmen529100，China）

This paper describes the precision measuring device for the linear rolling guide with the non-contact type is mainly used for the precision(flatness)detection with the motion of the linear rolling guides， but also can measure the distance between the groove and bottom surface of the linear rolling guide.This paper is briefly introducing the precision project and its traditional measurement methods of the linear rolling guide，and makes the explain in details for the new non-contact measuring principle dynamic structure of the device，the measurement methods and this machine，finally it also compares the technical features both about the old and new methods.

the linear rolling guide；precision；non-contact dynamic measurement

TG502.31

A

1009－9492(2014)07－0005－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.07.002

楊炫召，男，1971年生，廣東新會(huì)人，大學(xué)本科，工程師。研究領(lǐng)域：滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副精度檢測(cè)和性能測(cè)試技術(shù)。已發(fā)表論文2篇。

(編輯：阮 毅)

*2012年國(guó)家重大專項(xiàng)（編號(hào)：2012ZX04002021-06）

2014－04－22