12 m激光滾珠絲杠（副）動態行程測量儀的研制*

焦 潔 肖正義

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

隨著大型、重型、高效、精密及復合的高檔數控機床的發展，與其配套的關鍵功能部件——滾珠絲杠副的需求量逐年上升。現階段，大型、重型滾珠絲杠副主要由國外生產廠家壟斷，對我國國民經濟長期發展非常不利。國內有規模的絲杠生產廠家都瞄準了大型、重型絲杠的市場，紛紛斥巨資上馬8 m以上滾珠絲杠副的加工及配套設備，去爭取這一市場中的巨大經濟效益。隨著大型滾珠絲杠副的需求量的增加，對其質量要求也越來越高，其中滾珠絲杠（副）的行程誤差是衡量其精度的主要指標。然而，國內8 m以上的大型滾珠絲杠（副）行程測量儀還是空白，國外也沒有此類商品出售。國家在2009年科技重大專項“高檔數控機床與基礎制造裝備”中立項研制高精度大型螺紋加工設備和與之配套的檢測設備。我公司負責的“12 m激光滾珠絲杠（副）行程測量儀研制及測試技術研究”項目是安陽鑫盛機床股份有限公司承擔的重大專項“12 m螺紋磨床及9 m旋風銑床”的子課題，是與項目配套的非常關鍵的檢測設備。在大型測量儀研制的同時，開展測量方法與測量技術研究，制定大型絲杠的精度驗收標準，制定絲杠測量儀檢定規程。本文重點介紹“12 m激光滾珠絲杠（副）行程測量儀”的總體方案及其關鍵技術。

1 主要技術指標與總體方案

12 m測量儀的主要技術指標見表1。

表1 主要技術指標

圖1為測量儀主機整體布局。本儀器的主機采用整體花崗石床身、磁平衡氣浮導軌、雙頂尖夾持絲杠、被測絲杠自驅動的方式、氣浮卸載尾架、多維聯動測頭架、便捷式螺母夾具、可定量控制的浮動支撐。測量系統以精密圓光柵為轉角基準，以雙頻激光為長度基準，動態連續測量，微機處理數據。可測量單件滾珠絲杠、梯型絲杠的導程誤差、滾珠絲杠副綜合行程誤差，增加附件還可測量滾珠絲杠的徑向跳動。該設計方案已取得實用新型專利（ZL 2010 2 0671383.2）。

2 關鍵技術及解決方案

2.1 高精度、高剛度及高穩定性的測量儀主機設計與制造技術

2.1.1 主導軌的結構設計

國內外其他廠家還沒有8 m以上的動態行程測量儀。在較短行程測量儀中，有的采用滑動導軌，有的采用滾動導軌，而我公司的4 m以下的激光行程測量儀采用氣浮結構。

在本課題中，為解決大型測量儀的主導軌精度保持性、測量拖車運動靈活、輕便的問題，主導軌與拖車采用氣浮結構;為解決超長導軌兩立面平行度難加工的問題，在同一側面又采用了磁浮結構。這種磁平衡的氣浮導軌的優點是:拖車在主導軌上運動時，非接觸、無摩擦，長期使用時不磨損，精度保持性好（專利號 ZL 2010 2 0671359.9）。

2.1.2 測量拖車的驅動方式

在測量大型滾珠絲杠副的綜合行程誤差時，由于預緊轉矩及其波動量較大，對拖車的承載及剛性都提出了嚴峻的挑戰。

國外一些小規格的測量儀中有采用類似車床的母絲杠驅動，這種方式結構復雜，制造成本高，傳動鏈誤差大，還要解決母絲杠與被測絲杠螺距不一致的問題，往往還要配置專門的數控系統，使得操作復雜，對檢驗員要求很高。

在本課題中，由于采用氣浮導軌，拖車較輕，測量的又是大型絲杠，用帶動測頭完全可以驅動拖車，而加螺母測量時，著重解決氣浮剛性與運動平穩性的難題就可以了。因此，我們仍然采用被測絲杠自驅動的方式，國產的較短行程測量儀中都是采用這種方式。其優點是:測量儀結構簡單，傳動鏈少，精度高，拖車運動靈活、輕便。

2.1.3 被測絲杠的輔助定位

大型滾珠絲杠的特點就是長徑比大、撓度大。一根直徑φ80 mm，長度8 000 mm的滾珠絲杠，支起兩端，實測中間的下垂量為20 mm，如果沒有支承是無法進行測量的。在測量絲杠導程誤差時，一般都要根據長度配不同數量的固定支承，但在測量綜合行程誤差時，必須解決螺母與支承的干涉等問題。

曾經考慮過在主導軌旁邊增加2條輔助導軌，拖車運動時，帶動絲杠支架沿著輔助導軌運動，以減小絲杠的下垂。然而，這種結構使得測量儀的體積更龐大、制造成本更高、調整更困難。經分析比較，在本課題中，我們設計了蝸輪絲杠升降機構。其優點是:結構緊湊，便于在測量儀有限的空間安放;剛性好，支頂大型重型絲杠時變形小。

2.1.4 選擇床身的材料，研究加工技術

由于該測量儀床身長度14.5 m，如何保證該床身的精度及穩定性非常關鍵。常用床身結構主要有2種:鑄鐵床身與花崗巖床身。相比之下，采用花崗巖床身優點更為突出:組織結構均勻，內應力完全消失，不變形;剛性好，硬度高，耐磨性強;線脹系數極小，溫度變形小;無滯澀感，平面穩定度好等等。因此，我們毅然選用無拼接的整體花崗石作為床身，但同時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軌。對主導軌直線度要求:2 μm/2 m、10 μm/全長，優于“000”級平板的要求，加工工藝難度很大。

除了機械加工外，最終的精度都是由人工精研完成。除要用到高精密的檢測設備外，長期積累的工藝數據和工藝方法也至關重要。本課題中，我們總結了之前10 m及其以下測量儀主導軌的加工經驗，并兼顧長途運輸對精度帶來的影響，在用戶使用場地完成了要求的精度，這也是對超長導軌高精度加工工藝的一個突破。

2.1.5 設計副導軌的結構、研究加工工藝

測量儀的副導軌用于支撐和尾座的移動。考慮加工工藝性，選用鑄鐵材料，每塊導軌板長度近1 m，全長由13塊拼接而成，如何保證尾座在大于12 m的副導軌上移動并與床身主導軌保持平行是本項目的難點。

圖3為副導軌截面圖，在機械加工時，要保證13塊導軌板導軌面及T型槽的一致性，副導軌最終的精度也是由人工刮研完成的。對于超長精密鑄鐵導軌來說，“平”且“直”可不是件容易的事。除了恒溫潔凈的環境條件、高精度的測量儀器、專用研具等必要條件外，工人的經驗、智慧、毅力、耐性更為重要。在施工過程中，必須特別仔細地檢測才能得到有效的數據，再做科學的分析，判斷是溫度影響還是主導軌影響，是單導軌超差還是“一V一平”相互“咬合”?稍有不慎，就會造成事倍功半的后果。我們兼顧長途運輸的影響，制定了工藝路線。在用戶場地，副導軌在近13 m長度上的直線度小于5 μm。更難得的是，我們將刮研的導軌面作為氣浮面，實現了尾架氣浮卸載方案，不僅使尾架移動時輕松省力，也避免了尾架過重對副導軌造成的磨損。

2.1.6 主軸與尾座的優化設計與制造

在圖4的主軸箱部件中，采用了“死頂尖”結構。齒輪套與主軸采用密珠軸承，過盈配合。齒輪套旋轉，主軸與頂尖不轉，可以避免主軸軸向竄動對測量結果的影響，一方面保證高的旋轉精度;另一方面可以縮小徑向尺寸，使得結構緊湊。此外，由于被測絲杠副重量最大時接近3 t，動態測量時，預緊轉矩的變動量很大，對頂尖的影響不能按靜荷載計算了，必須要考慮主軸在大負載下的動剛性，我們用模態分析和有限元分析的方法，對主軸進行了優化設計。

為解決大型絲杠副在測量時的安裝定位精度與支撐剛度問題，我們設計了“V型尾架頂尖套”結構，如圖5所示。其結構特點是:（1）接觸面大，承載大、剛性好;（2）導軌配合好，移動精度高;（3）如果長期使用精度喪失時，又可以通過刮研尾架導軌調整間隙恢復精度;（4）削扁的頂尖套體積小，使測量光能夠接近被測絲杠軸線，減小阿貝誤差。此外，針對尾架過重，移動不方便及磨損過快的問題，專門設計了尾架氣浮卸載裝置（專利號:ZL 2010 2 0671388.5）。

2.1.7 測量拖車的優化設計與調整

由于重型絲杠副預緊轉矩及其波動量很大，精密測量時，必須解決氣浮支承承載、剛性及氣浮系統的穩定性問題。在這里，床身兩凸起軌道的上平面分別放置2個氣浮支承，床身的側面導軌上放置2個氣浮支承和一對磁鋼，我們采用氣浮支承多點定位、分別調整，在垂直面內達成氣浮與重力平衡，在側面達成氣浮與磁力平衡，保證了測量過程中，拖車承載大，運動穩定（專利號:ZL 2010 2 0671359.9），如圖6所示。

2.1.8 測頭架的設計制造

測頭架是測量儀最關鍵部件之一，對測量數據的準確性影響極大。如圖7所示，測頭架工作原理為:帶動測頭通過測頭架主體與拖車剛性連接，絲杠旋轉時，靠螺旋升力的作用帶動拖車運動，產生軸向位移;外圓定位測頭克服絲杠彎曲對測量造成的影響;測量測頭帶著測量元件始終沿著某一條螺旋線軸向移動，真實反映絲杠導程誤差。在這里，除了軸向、徑向有調整機構可調位移外，巧妙地利用了彈性元件，測量測頭在帶動測頭和外圓定位測頭的聯合作用下，軸向、徑向都有自由度，從而保證測量測頭始終與螺旋線接觸（專利號:ZL 2010 2 0671376.2）。

2.2 高可靠性、高定位精度的浮動支撐及自動控制系統

浮動支撐是由步進電動機帶動的蝸輪絲桿升降機構（圖8），通過PLC智能控制器去完成升降行程（圖9為控制界面）。升降的重復定位精度及各支撐動作的控制非常關鍵。要保證支承升降時的定位精度，除了制造精度外，控制時要克服步進電動機啟動頻率過高或負載過大易出現丟步或堵轉的現象，停止時轉速過高易出現過沖的現象，這就需要設定好運動模式及加減速時間常數。

2.3 高精度的測量系統與測試技術

圖10為測量系統的構成。測量原理為:以圓光柵編碼器作為測角的基準，以雙頻激光干涉儀作為測長基準。圓光柵與絲杠一起轉動，由讀數頭拾取代表絲杠轉角的信號;同時，絲杠轉動通過螺母帶動測量拖車移動，拖車上的立體棱鏡與其他干涉系統形成代表位移的激光測量信號。通過綜合處理電路及接口將所測到的絲杠轉角值及螺母的位移量，按規定的采樣點數送往計算機，經計算機數據處理以后，即可得到測量結果。

測量系統的精度有賴于傳感器及信號調理系統。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Heidenhain高精度的精密圓光柵作為絲杠旋轉的角度基準，選用美國Agilent 5519A雙頻激光作為長度基準，這些知名品牌的產品精度有保證。

其次，采用信號細分技術，提高分辨率，減小量化誤差。

最后，在信號調理電路中采取相應的措施。如:設計激光信號處理電路，確保激光信號的長距離穩定和計數精度;設計實時中斷型的數據采集接口電路，確保測量時采數正確、動態響應速度高;采用可逆計數器消除機械振動或爬行帶來的影響等。

2.4 微機數據處理及其誤差評定

在專用接口硬件的基礎上，利用Windows操作系統VC++編程，開發相適應的軟件，用于基本測量和儀器自檢及故障排除。另外還針對大型絲杠數據處理中的問題，采取專門措施:（1）母線處理:計算4個截面（0°、90°、180°、270°）的結果，用來分析絲杠彎曲帶來的影響，也便于與國外多用的截面處理結果相比對;（2）框選:在整個誤差曲線上用鼠標任意框選截取曲線，自動算出所選長度的結果，便于了解大型絲杠各段的精度，在改制時參考;（3）手動剔除:在測量時，由于種種原因，有些測量點并不反映工件的真實情況，這就是隨機誤差，可用手動剔除方法剔除之;（4）自動剔除:當隨機誤差較多時，用手動剔除效率低，用此法自動完成，效率高。測量軟件人機界面（圖11）友好、方便。

3 使用效果

目前，我公司研制的2臺大型絲杠行程測量儀，已成功應用于行業龍頭企業——南京工藝裝備制造有限公司（圖12為10 m測量儀，2009年使用）、山東博特精工股份有限公司（圖13為12 m測量儀，2011年使用），測試了多種規格的大型滾珠絲杠副，使用情況良好。整機測量精度高、性能穩定、可靠、功能強、操作方便、快捷。通過產品的檢測和試驗，收集了大量的數據，為科學地分析與探索大型滾珠絲杠副的技術性能指標和精度指標，有針對性地改進結構參數設計、指導產品加工技術及工藝的完善與升級，提供了檢測手段和科學依據，為批量生產優質精密級大型滾珠絲杠副提供了保障。

“12 m激光滾珠絲杠（副）行程測量儀”于2011年底通過了專家鑒定，評價為:“填補了國內外大型絲杠測量儀的空白，在國內處于領先水平，達到國際先進水平……”，并于2012年榮獲機械工業科技進步二等獎。