導(dǎo)軌直線度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響

戈娟，張偉，賀鳳寶

(大連工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧大連 116034)

隨著機(jī)械加工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)與之配套的測(cè)量設(shè)備也提出了更為嚴(yán)格的要求。衡量一臺(tái)精密測(cè)量設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)之一就是設(shè)備的導(dǎo)軌。導(dǎo)軌精度是一項(xiàng)復(fù)合精度，除本身精度外，還與基礎(chǔ)件的變形以及使用磨損有關(guān)。產(chǎn)品制造時(shí)，理論上要達(dá)到幾何誤差與變形誤差之差為0。導(dǎo)軌直線度是衡量導(dǎo)軌精度的一個(gè)重要指標(biāo)。導(dǎo)軌直線度誤差包括:導(dǎo)軌在水平面內(nèi)的直線度誤差;導(dǎo)軌在垂直面內(nèi)的直線度誤差，一般的導(dǎo)軌直線度誤差都是看成以上兩種誤差的合成［1］。國(guó)內(nèi)外一般有如下幾種測(cè)量方法:橫向調(diào)制偏振光測(cè)量導(dǎo)軌直線度［1］、EST法測(cè)量機(jī)床導(dǎo)軌直線度［2］、基于激光剪切干涉的長(zhǎng)導(dǎo)軌直線度［3－4］、水平儀測(cè)量法［4］、準(zhǔn)直儀測(cè)量法［4］。

基于某公司的刀具測(cè)量?jī)x［5－6］，在現(xiàn)有條件的基礎(chǔ)上檢測(cè)滑臺(tái)的直線度，并采用機(jī)械裝置進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而提高設(shè)備的測(cè)量精度。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

選取HIWIN的導(dǎo)軌型號(hào)為SSR 15XV 2型、精度為高級(jí)，垂直面內(nèi)的平行度為20 μm，北京北光的滑臺(tái)，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)——刀具幾何參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 刀具幾何參數(shù)測(cè)量?jī)x系統(tǒng)構(gòu)成框圖

該儀器采用三維工作臺(tái)的目的是帶動(dòng)光學(xué)變倍鏡頭和CCD攝像機(jī)移動(dòng)，從而完成圖像聚焦，使被測(cè)物體的輪廓形狀清晰地顯示在屏幕上;并通過(guò)三維工作臺(tái)的移動(dòng)完成圖像被測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)采集，從而測(cè)量工件的線性長(zhǎng)度。

2 導(dǎo)軌直線度的檢測(cè)

2.1 檢測(cè)導(dǎo)軌直線度的方法

以00級(jí)大理石為基準(zhǔn)面，將工作臺(tái)按照?qǐng)D紙要求固定在大理石上，用打表的方法在00級(jí)大理石方箱進(jìn)行找正，如圖2所示。

圖2 檢測(cè)導(dǎo)軌直線度

依據(jù)表頭指針的的讀數(shù)，導(dǎo)軌在豎直面內(nèi)直線度較好，偏差僅有5 μm，但在水平面內(nèi)有來(lái)回?cái)[動(dòng)的趨勢(shì)。相比較而言，誤差在水平面比較敏感。試驗(yàn)中導(dǎo)軌從一極限位置開(kāi)始，運(yùn)動(dòng)140 mm，導(dǎo)軌在水平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡如表1和圖3所示。

該測(cè)量?jī)x是依據(jù)鏡頭捕捉被測(cè)工作的位置，由光柵尺讀取所測(cè)工件的長(zhǎng)度。導(dǎo)軌在移動(dòng)過(guò)程中呈現(xiàn)往復(fù)擺動(dòng)，進(jìn)而使固定在移動(dòng)滑臺(tái)上的鏡頭往復(fù)擺動(dòng)，會(huì)造成所測(cè)結(jié)果偏大或偏小。試驗(yàn)中選取長(zhǎng)度為80 mm的標(biāo)準(zhǔn)量塊，在不同位置測(cè)量誤差相差一百多微米。

表1 導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)軌跡

圖3 導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)軌跡圖

2.2 導(dǎo)軌的3種運(yùn)動(dòng)軌跡及誤差

根據(jù)所測(cè)長(zhǎng)度的不同，鏡頭起始位置可能出現(xiàn)在不同的范圍內(nèi)。經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，得出導(dǎo)軌有3種運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，如圖4所示。

圖4 導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)

導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)如圖4(a)所示時(shí)，光柵尺裝在導(dǎo)軌的右側(cè)時(shí)，測(cè)量誤差為

α1、α2都很小，tanα1、tanα2可近似等于 α1、α2。在這種情況下，測(cè)量誤差偏大或偏小由α1、α2的大小決定，當(dāng) α1?α2時(shí)，Δ1?0、Δ2?0，此時(shí)測(cè)量的實(shí)際值比真實(shí)值偏小;當(dāng) α1?α2時(shí)，Δ1?0、Δ2?0，此時(shí)測(cè)量的實(shí)際值比真實(shí)值偏大。

導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)如圖4(b)時(shí)，光柵尺裝在導(dǎo)軌的右側(cè)時(shí)，測(cè)量誤差為

α1、α2都很小，tanα1、tanα2可近似等于 α1、α2。在這種情況下，測(cè)量值始終比真實(shí)值要小，而且隨著位置的不同，α1、α2大小也不同，誤差值也是變化的，呈現(xiàn)無(wú)規(guī)律性。

導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)如圖4(c)時(shí)，光柵尺裝在導(dǎo)軌的右側(cè)時(shí)，測(cè)量誤差為

α1、α2都很小，tanα1、tanα2可近似等于 α1、α2。在這種情況下，測(cè)量值始終比真實(shí)值要大，而且隨著位置的不同，α1、α2大小也不同，誤差值也是變化的，呈現(xiàn)無(wú)規(guī)律性。

3 調(diào)整導(dǎo)軌直線度

以上3種結(jié)果正好證實(shí)了測(cè)量值在不同位置測(cè)量誤差偏大或偏小這一現(xiàn)象。為此，設(shè)計(jì)了一套簡(jiǎn)易的機(jī)械裝置針對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行調(diào)整，以其中一只導(dǎo)軌作為基準(zhǔn)導(dǎo)軌，來(lái)調(diào)節(jié)另外一只導(dǎo)軌。試驗(yàn)中做好兩只薄鋼板來(lái)固定導(dǎo)軌，其中一端用調(diào)緊螺釘來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，如圖5所示。

圖5 調(diào)整導(dǎo)軌直線度

調(diào)節(jié)導(dǎo)軌上的螺釘，使導(dǎo)軌的直線度在5 μm內(nèi)。試驗(yàn)中選取長(zhǎng)度為80 mm的量塊，連續(xù)測(cè)量5次，最大誤差為9 μm。利用此方法，可以大大減小導(dǎo)軌回來(lái)擺動(dòng)的趨勢(shì)，進(jìn)而測(cè)量精度可以大大提高。

4 結(jié)論

通過(guò)分析導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)軌跡，找出了在不同位置下測(cè)量誤差無(wú)規(guī)律性的主要原因，并推算出誤差公式。測(cè)量誤差的大小與導(dǎo)軌的擺角和被測(cè)工件到導(dǎo)軌中心的距離成正比。

試驗(yàn)中采用固定板對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行固定，其中一邊用帶有調(diào)緊螺釘?shù)幕顒?dòng)板進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行找正。實(shí)驗(yàn)表明:通過(guò)調(diào)整導(dǎo)軌，測(cè)量誤差可由之前的一百多微米減小到10微米以?xún)?nèi)，大大提高了測(cè)量精度。

【1】朱凌建，李照鎖，劉君華，等.橫向調(diào)制偏振光測(cè)量導(dǎo)軌直線度［J］.光學(xué)學(xué)報(bào)，2009，24(4):955 －959.

【2】張軍峰，王燕燕.EST法測(cè)量機(jī)床導(dǎo)軌直線度誤差分析［J］.機(jī)床與液壓，2010，38(3):46 －49.

【3】王文丹，趙美蓉，付魯華，等.基于激光剪切干涉的長(zhǎng)導(dǎo)軌直線度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2009，28(12):77－79.

【4】黃天喜，嚴(yán)禎，曾韜.幾種測(cè)量機(jī)床導(dǎo)軌直線度誤差的方法［J］.機(jī)械工程與自動(dòng)化，2008(2):186－188.

【5】陳應(yīng)州.非接觸式刀具幾何參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)研究［D］.大連:大連輕工業(yè)學(xué)院，2004.

【6】趙耀.DJCLY92B刀具幾何參數(shù)測(cè)量?jī)x誤差分析與精度補(bǔ)償［D］.大連:大連工業(yè)大學(xué)，2010.