機(jī)床導(dǎo)軌直線度安裝檢測(cè)方法及原理分析

劉文化

江西吉米立機(jī)械科技有限公司 江西吉安 343100

1 序言

數(shù)控機(jī)床的制造行業(yè)，不乏國(guó)家或行業(yè)頒布的各種技術(shù)條件，這些標(biāo)準(zhǔn)文件側(cè)重在機(jī)床裝配完成后對(duì)性能的檢測(cè)考評(píng)，具體到機(jī)床裝配過(guò)程質(zhì)量的把控，更多的是靠各個(gè)機(jī)床廠家內(nèi)部工藝的控制，而再具體到零部件的安裝方法，往往只停留在有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員頭腦里，那些看似簡(jiǎn)單平常的操作，或許是決定機(jī)床質(zhì)量的關(guān)鍵。

本文以線軌版數(shù)控銑床為例，把機(jī)床直線導(dǎo)軌的安裝劃分為部件本體找水平、基準(zhǔn)軌的直線度、非基準(zhǔn)軌對(duì)基準(zhǔn)軌的平行度和部件組裝4個(gè)步驟，詳細(xì)闡述檢測(cè)方法及內(nèi)在原理。

2 部件本體找水平

研究運(yùn)動(dòng)，首先要選好參照物，最常見(jiàn)的就是笛卡爾三維直角坐標(biāo)系，由于它的基礎(chǔ)是水平面，所以機(jī)床的安裝首先是找水平，工具就是水平儀。

水平儀的讀數(shù)是一格水泡0.02/1000，這是1個(gè)傾斜度值，或者說(shuō)是角度，兩點(diǎn)之間的高度差還需要乘以跨度距離。

3點(diǎn)決定1個(gè)平面，截面形狀小、剛性較好的部件，比如立式銑床的底座，可以采用3點(diǎn)預(yù)調(diào)整方法快速建立水平面。3個(gè)參考點(diǎn)的選取原則：所在位置剛性足夠，3點(diǎn)連線組成的面積盡量大，優(yōu)先采用等腰三角形。最后注意適當(dāng)增加3點(diǎn)以外的輔助支撐。

長(zhǎng)寬比很大的零件，例如龍門(mén)銑床底座，在長(zhǎng)度方向剛性弱，不能使用3點(diǎn)方法。需要結(jié)合長(zhǎng)度方向?qū)к壷本€度的安裝來(lái)完成底座找水平。

水平精度值可參考GB 50271—2009《金屬切削機(jī)床安裝工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》，對(duì)平面銑床的安裝規(guī)定工作臺(tái)置于行程中央，并在工作臺(tái)中央位置縱橫向放置水平儀檢測(cè)，其讀數(shù)應(yīng)≤0.04/1000；對(duì)龍門(mén)銑床預(yù)調(diào)安裝要求床身縱橫兩個(gè)方向放置水平儀，在床身導(dǎo)軌的立柱連接處、多段床身接縫處及全長(zhǎng)兩端頭均進(jìn)行檢測(cè)，其讀數(shù)應(yīng)≤0.04/1000。

3 基準(zhǔn)軌的直線度

直線運(yùn)動(dòng)看似簡(jiǎn)單，其實(shí)其精度在三維直角坐標(biāo)系里被劃分為了6個(gè)誤差分量，分別是沿3個(gè)坐標(biāo)的線性誤差和繞3個(gè)坐標(biāo)的偏角誤差。用1個(gè)人走路的動(dòng)作來(lái)形象概況，可劃分為：走直、走正、走準(zhǔn)。

走直：考察直線運(yùn)動(dòng)在與前進(jìn)方向垂直的兩個(gè)方向的偏差量，即走路的高低起伏、左右移動(dòng)，這一項(xiàng)是直線度的檢測(cè)內(nèi)容。走正：考察前進(jìn)的姿態(tài)，即行進(jìn)過(guò)程中身體的俯仰、偏擺和扭曲，這一項(xiàng)往往是被忽視的直線運(yùn)動(dòng)的角度偏差的檢測(cè)內(nèi)容。之所以要考慮這一項(xiàng)，是因?yàn)橐苿?dòng)部件不是質(zhì)點(diǎn)，而是空間輪廓，“走直″是把運(yùn)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)化，而輪廓越大，選擇不同的質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，得到的數(shù)據(jù)差別越大，所以需要考察前進(jìn)過(guò)程中姿態(tài)是否有變化。走準(zhǔn)：這是數(shù)控機(jī)床的特征，用數(shù)控指令落實(shí)到實(shí)際行走軌跡，通常采用雙頻激光干涉儀檢測(cè)其位置精度。

機(jī)床的每個(gè)直線運(yùn)動(dòng)軸是通過(guò)兩個(gè)或以上導(dǎo)軌構(gòu)成，其中1個(gè)導(dǎo)軌為基準(zhǔn)導(dǎo)軌，其余導(dǎo)軌為非基準(zhǔn)導(dǎo)軌。機(jī)床安裝的第二步就是基準(zhǔn)軌的直線度檢測(cè)。

直線度檢測(cè)方法具體如下所述。

1）大理石平尺拖表法，適合短行程。其原理是用基準(zhǔn)直線的平行度誤差來(lái)反應(yīng)導(dǎo)軌的安裝直線度。優(yōu)點(diǎn)是操作方便快捷，可以連續(xù)即時(shí)讀數(shù)。

2）自準(zhǔn)直儀測(cè)量法，適合長(zhǎng)行程。其原理是把行程分割為有限個(gè)點(diǎn)，以每個(gè)點(diǎn)上的姿態(tài)，作為運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，將所有的趨勢(shì)連成一條線，近似代表運(yùn)動(dòng)的曲線，再對(duì)曲線進(jìn)行直線性分析。反過(guò)來(lái)可以說(shuō)是在運(yùn)動(dòng)曲線上等距選點(diǎn)做切線，切線連接起來(lái)近似代表曲線。

老款的自準(zhǔn)直儀，還需要通過(guò)記錄目鏡下的讀數(shù)，再人工繪圖處理得到結(jié)果。新款的自準(zhǔn)直儀，已經(jīng)可以在電腦上自動(dòng)生成誤差曲線，得到偏差數(shù)值。

有時(shí)候采用大理石平尺拖表和自準(zhǔn)直儀測(cè)量?jī)煞N方法得到的結(jié)果會(huì)不同，如何衡量誰(shuí)更準(zhǔn)確，可以先用機(jī)體的加工方式預(yù)估安裝面引起的“走正”誤差是否不容忽視，然后看誰(shuí)更單純的檢測(cè)前文所述的“走直”，誰(shuí)的檢測(cè)過(guò)程更能排除“走正”的偏擺引起的讀數(shù)誤差。偏擺誤差是1個(gè)角度值，因此，檢測(cè)基準(zhǔn)距離運(yùn)動(dòng)位置越遠(yuǎn)，誤差越大。大理石平尺拖表法，因?yàn)槠匠吲c導(dǎo)軌之間有距離，就包含了“走正”偏擺的誤差因素。這一點(diǎn)可以從把平尺放置到與導(dǎo)軌不同距離位置，可能檢測(cè)出不同的直線度偏差得以印證。

3）水平儀測(cè)直線度。自準(zhǔn)直儀通過(guò)光線的直線傳播、鏡面反射而獲得檢測(cè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，可以測(cè)量垂直和水平兩個(gè)方向直線度；而水平儀也可以通過(guò)地心引力引起的水泡變化，獲得行程檢測(cè)點(diǎn)在垂直面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。這樣，通過(guò)水平儀也可以檢測(cè)直線度在垂直方向的高低起伏的分量。

水平儀的檢測(cè)精度可能受到質(zhì)疑，水平儀水泡一格0.02/1000，這是刻度分辨率，折合到角度是0.072″，按我們?nèi)庋勰芊直?.5格來(lái)計(jì)算，分辨率就是0.01/1000，折合為0.036″。

對(duì)比筆者公司使用的一款自準(zhǔn)直儀，其分辨率為0.1″，比水平儀還差，但是它通過(guò)目視鏡的細(xì)分刻度，可以讓我們分辨出0.01″的顯示分辨率；其實(shí)就類似于把水平儀的刻度，再進(jìn)行10等分，用放大鏡去觀察。

可見(jiàn)水平儀更多的是用讀數(shù)人的眼睛判斷精度，自準(zhǔn)直儀顯示的分辨率相當(dāng)于你要能用眼睛分辨出0.14格水泡變化，通常肉眼是達(dá)不到的。

將水平儀讀數(shù)轉(zhuǎn)換為直線度，簡(jiǎn)陋的辦法是用坐標(biāo)紙，或者自己畫(huà)滿方格的紙。從紙的左邊開(kāi)始，第一條豎線是起點(diǎn)，往右一格豎線是第一次測(cè)量水平儀的變動(dòng)，再往右一格豎線，是第二個(gè)測(cè)量位置的變動(dòng)，水平讀數(shù)變高一格，就按相對(duì)值往上標(biāo)一格，重復(fù)操作，直到把全部位置點(diǎn)標(biāo)出來(lái)；再把首尾點(diǎn)用直線連接，觀察所有測(cè)量點(diǎn)中，離這條首尾連線最遠(yuǎn)的那點(diǎn)，量出它距離連線豎方向差幾格，在連線上下各找1個(gè)最遠(yuǎn)點(diǎn)。比如結(jié)果是M、N格。

然后，計(jì)算一下一格誤差：0.02/1000×跨距。最大的誤差（M＋N）×（0.02/1000×跨距）就是全行程的直線度誤差。

可以用Excel電子表格，編好格式后，輸入水平儀讀數(shù)，見(jiàn)表1，得到直線度誤差，并畫(huà)出圖形（見(jiàn)圖1）。

4）平尺＋水平儀混用法。沒(méi)有自準(zhǔn)直儀，如何測(cè)量長(zhǎng)行程導(dǎo)軌直線度？挪動(dòng)平尺逐段拖表，理論上是正確的。但是有兩個(gè)誤差疊加：①挪動(dòng)平尺時(shí)，兩次的平尺位置需要有一小段重疊，因重疊部位拖表精度的一致，可將兩次平尺的位置視同1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的長(zhǎng)平尺，屬于用小段距離精度延伸“借用”于長(zhǎng)距離，等比例放大誤差。②導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)的“偏擺”直接造成拖表平尺上平面的誤差。平尺與導(dǎo)軌間距越大，誤差越大。不過(guò)，運(yùn)動(dòng)“偏擺”對(duì)拖表平尺立面的誤差很小。從圖2中可看出，滑塊的“偏擺”引起的A誤差很大，并且與測(cè)量距離成正比放大，而引起的B誤差較小。

因此更好的辦法是用水平儀＋平尺混用，各取優(yōu)勢(shì)，利用水平儀測(cè)量垂直面內(nèi)的直線度；拖動(dòng)平尺，測(cè)量水平面內(nèi)的直線度。

測(cè)量床身安裝面的直線度時(shí)，由于加工面是精磨的剛性連續(xù)面，所以測(cè)量跨距不用太密?？梢允蔷€軌滑塊長(zhǎng)度的數(shù)倍，這樣能提高效率。安裝線軌的時(shí)候，由于每顆螺釘?shù)乃删o都會(huì)對(duì)直線度的變化有影響，所以測(cè)量跨距要加密。

用滑塊拖表平尺觀察水平面內(nèi)直線度的同時(shí)，在滑塊上沿運(yùn)動(dòng)方向放置水平儀，讓水平儀的讀數(shù)波動(dòng)在可控范圍內(nèi)。這樣，線軌水平面內(nèi)的偏差可以直接通過(guò)線軌壓塊來(lái)調(diào)整。理論上安裝面合格，線軌合格，只要螺釘擰正了，線軌垂直面內(nèi)的偏差就應(yīng)該合格。數(shù)據(jù)上，通過(guò)觀察水平儀的讀數(shù)恒定即可。從直線導(dǎo)軌的一頭到另外一頭，直線度的兩個(gè)分量，拖表和水平儀同時(shí)讀數(shù)，一次性調(diào)整即可完成。

表1 水平儀測(cè)直線度的數(shù)據(jù)處理

圖1 直線度曲線

圖2 滑塊偏擺引起的誤差

4 非基準(zhǔn)軌對(duì)基準(zhǔn)軌的平行度

基準(zhǔn)導(dǎo)軌直線度合格以后，非基準(zhǔn)導(dǎo)軌需要調(diào)試與之平行。檢測(cè)方法：①以基準(zhǔn)軌為基準(zhǔn)直接對(duì)非基準(zhǔn)軌拖表，只適合小跨距。②大理石平尺拖表，適合短行程?；鶞?zhǔn)軌和非基準(zhǔn)軌通過(guò)拖表，均平行于大理石平尺。③采用跨越式工裝板；適合大跨距、長(zhǎng)行程。

生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)比較常見(jiàn)的方式是將磁力表座緊固在基準(zhǔn)導(dǎo)軌滑塊上，跨距較大時(shí)，通過(guò)在滑塊上固定一塊剛性板，使百分表（千分表）表針探測(cè)到非基準(zhǔn)導(dǎo)軌上，推動(dòng)滑塊直接讀數(shù)。

同樣如上述分析，受到基準(zhǔn)滑塊運(yùn)動(dòng)“偏擺”的影響，這種方法對(duì)垂直面內(nèi)的平行度偏差不準(zhǔn)確。當(dāng)導(dǎo)軌跨距大、基準(zhǔn)導(dǎo)軌安裝面平面度不佳的情況下，平行度的這項(xiàng)誤差尤其失真。

為此，在大跨距、長(zhǎng)行程的情況下，推薦采用如圖3所示的跨越式工裝板，工裝板在基準(zhǔn)軌滑塊上固定，在非基準(zhǔn)軌滑塊上是浮動(dòng)支撐（松動(dòng)連接）；水平面內(nèi)的平行度誤差，通過(guò)拖表測(cè)量；垂直面內(nèi)的誤差，通過(guò)水平儀讀數(shù)測(cè)量。這個(gè)方法需要注意如何平穩(wěn)地推動(dòng)工裝板，筆者采用一根長(zhǎng)度稍大于導(dǎo)軌跨距的方形鋁型材，同時(shí)推基準(zhǔn)軌和非基準(zhǔn)軌上的兩個(gè)滑塊，整個(gè)過(guò)程不去觸碰工裝板及上面的檢測(cè)儀器。水平儀的讀數(shù)需要按跨距換算成非基準(zhǔn)軌對(duì)基準(zhǔn)軌的偏差。

圖3 跨越式工裝板

平行度測(cè)量合格后，非基準(zhǔn)軌不用單獨(dú)去測(cè)量直線度。

特殊情況：提前預(yù)估總裝之后可能出現(xiàn)的變形方向、變形量，部裝的基礎(chǔ)導(dǎo)軌給予反向彌補(bǔ)（牢記部裝的目標(biāo)，是要讓總裝后的運(yùn)動(dòng)精度合格）。

5 部件組裝

移動(dòng)部件通過(guò)多個(gè)導(dǎo)軌多個(gè)滑塊組裝后，整體移動(dòng)的直線度才是向用戶交機(jī)時(shí)候的測(cè)量項(xiàng)目。理論上整體移動(dòng)的誤差會(huì)被均化，誤差值會(huì)縮小約10%～30%。

部件移動(dòng)的直線度完成后，還要增加一項(xiàng)前文說(shuō)的直線運(yùn)動(dòng)的“走正”，即運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的檢測(cè)項(xiàng)目。標(biāo)準(zhǔn)中的名稱為“移動(dòng)軸線的角度偏差”，即軸線運(yùn)動(dòng)過(guò)程中姿態(tài)的俯仰、偏擺和扭曲程度。水平儀無(wú)法測(cè)量水平面內(nèi)的扭曲，需要光學(xué)儀器，其他面內(nèi)的誤差都可以用水平儀在全行程上多點(diǎn)讀數(shù)獲得。

在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，國(guó)標(biāo)規(guī)定的此項(xiàng)誤差是很容易達(dá)到的。引起這項(xiàng)誤差的源頭是兩根線軌的直線度、平行度雖然合格了，但是相互間偏差的方向有波動(dòng)變化，造成部件移動(dòng)過(guò)程中姿態(tài)的變化?；A(chǔ)精度做得好的話，此項(xiàng)不會(huì)太差。短行程、剛性好的部件，此項(xiàng)不容易差。反之，行程越長(zhǎng)、部件剛性越差，此項(xiàng)越容易有問(wèn)題。

6 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)床導(dǎo)軌的直線度安裝，首先部件擺放水平，其次基準(zhǔn)導(dǎo)軌調(diào)直線度，然后非基準(zhǔn)軌與之平行。檢測(cè)方法：①小行程（平尺最多挪一次）的直線度、平行度，推薦使用平尺拖表測(cè)量。②大行程的直線度，推薦首選使用自準(zhǔn)直儀測(cè)量，其次水平儀＋平尺拖表測(cè)量。③大行程的平行度，使用跨越工裝板＋水平儀＋拖表測(cè)量。