滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副綜合精度的檢測(cè)

廣東高新凱特精密機(jī)械股份有限公司 (江門 529100) 楊炫召 葉飛原 張艷紅

滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副是一種滾動(dòng)直線導(dǎo)向部件，由滾動(dòng)體 (鋼球、滾柱等)在滑塊與導(dǎo)軌之間作無(wú)限滾動(dòng)循環(huán)，負(fù)載平臺(tái)能沿著導(dǎo)軌輕易地以高精度作直線運(yùn)動(dòng)。滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副以滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)導(dǎo)軌的滑動(dòng)摩擦，具有大承載、高精度、高速度和低磨損等優(yōu)良特性，作為功能部件廣泛用于各種機(jī)床及電子機(jī)械中。

1.滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副綜合精度

滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副作為高精度直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向部件，其精度要求非常高，2級(jí)的運(yùn)動(dòng)精度為6 μm/m、15 μm/4 m，組合尺寸公差為±12 μm。我國(guó)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7175.4—2006驗(yàn)收技術(shù)條件對(duì)滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的精度項(xiàng)目和要求作了規(guī)定。

(1)滑塊沿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)相對(duì)導(dǎo)軌基準(zhǔn)面 (包括底面基準(zhǔn)、側(cè)面基準(zhǔn))的平行度。

(2)滑塊頂面與導(dǎo)軌基準(zhǔn)底面高度H的尺寸偏差。

(3)同一平面上配對(duì)導(dǎo)軌的多個(gè)滑塊頂面高度H的變動(dòng)量。

(4)與導(dǎo)軌基準(zhǔn)側(cè)面同側(cè)的滑塊側(cè)面與導(dǎo)軌基準(zhǔn)側(cè)面之間的距離W的尺寸偏差。

(5)同一導(dǎo)軌上多個(gè)滑塊側(cè)面與導(dǎo)軌基準(zhǔn)側(cè)面之間的距離W的尺寸變動(dòng)量。

2.JB/T 7175.4—2006的檢測(cè)方法

機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7175.4—2006中還對(duì)上述精度項(xiàng)目的檢測(cè)方法作了說(shuō)明。如圖1所示，將被測(cè)導(dǎo)軌緊固在專用檢測(cè)平臺(tái)上，在平臺(tái)上放置專用表架，表架的一側(cè)平面緊靠在導(dǎo)軌的側(cè)面基準(zhǔn)上，在專用表架上固定兩個(gè)千分表等指示器，使其中一測(cè)頭觸及滑塊頂面中心處，另一測(cè)頭觸及與導(dǎo)軌基準(zhǔn)側(cè)面同側(cè)的滑塊側(cè)面中心處。沿專用檢測(cè)平臺(tái)和導(dǎo)軌基準(zhǔn)側(cè)面同步移動(dòng)滑塊和專用表架，在導(dǎo)軌的各個(gè)位置進(jìn)行檢測(cè)。用這種方法對(duì)導(dǎo)軌上各件滑塊進(jìn)行檢測(cè)，最后通過(guò)綜合運(yùn)算就可得到上述5個(gè)項(xiàng)目的檢測(cè)結(jié)果。綜合運(yùn)算的計(jì)算方法如下:以測(cè)量一根配有兩件滑塊的導(dǎo)軌副為例，依照上述檢測(cè)方法，兩個(gè)方向指示器在導(dǎo)軌各檢測(cè)位置測(cè)得的各件滑塊高度偏差和寬度偏差分別為

滑塊1高度偏差:H11，H12，…，H1n;

滑塊1寬度偏差:W11，W12，…，W1n;

滑塊2高度偏差:H21，H22，…，H2n;

滑塊2寬度偏差:W21，W22，…，W2n。

圖1

根據(jù)上述測(cè)量得到的偏差值，可以計(jì)算出導(dǎo)軌副的各項(xiàng)精度:

3.常規(guī)檢測(cè)方法的困難與不足

滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副屬于高精度的機(jī)械產(chǎn)品，因此導(dǎo)軌副綜合精度的測(cè)量要求也很高。目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)導(dǎo)軌生產(chǎn)廠家使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中所述的檢測(cè)方法進(jìn)行檢測(cè)，這是一種常規(guī)的檢測(cè)方法。這種檢測(cè)方法如果用手工方式并用接觸式指示表進(jìn)行，對(duì)少量導(dǎo)軌副進(jìn)行綜合精度的判定驗(yàn)收是可以的。但如果用于大批量導(dǎo)軌副的檢測(cè)顯然是難以滿足要求的，不僅人為誤差大，而且檢測(cè)效率非常低。測(cè)量時(shí)需小心地移動(dòng)專用表架和滑塊在導(dǎo)軌的每個(gè)檢測(cè)位置進(jìn)行測(cè)量，檢測(cè)數(shù)據(jù)需手工逐個(gè)記錄，測(cè)完以后還需要人工進(jìn)行綜合計(jì)算才能得到導(dǎo)軌副的各項(xiàng)綜合精度。如果導(dǎo)軌副的滑塊數(shù)較多，導(dǎo)軌長(zhǎng)度也比較長(zhǎng)，在導(dǎo)軌上檢測(cè)的位置數(shù)相應(yīng)增多，測(cè)量、記錄和計(jì)算的工作量將成倍地增加。因此，用手工在檢測(cè)平臺(tái)上推動(dòng)專用表架來(lái)進(jìn)行檢測(cè)的方式不僅效率低，而且檢測(cè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度也很大，不適合滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副大批量的檢測(cè)。

4.導(dǎo)軌副綜合精度檢測(cè)儀的結(jié)構(gòu)原理

針對(duì)滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副綜合精度檢測(cè)的特殊性，根據(jù)多年從事滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副綜合精度檢測(cè)的經(jīng)驗(yàn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了可以快速檢測(cè)導(dǎo)軌副綜合精度的檢測(cè)儀。如圖2所示，在專用平臺(tái)上安裝一龍門架，龍門架可沿專用平臺(tái)兩邊的高精度導(dǎo)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。5個(gè)非接觸式測(cè)頭通過(guò)夾頭和調(diào)整機(jī)構(gòu)安裝在龍門架的橫梁上，夾頭和調(diào)整機(jī)構(gòu)用于調(diào)整測(cè)頭在高度和寬度兩方向的位置，以適應(yīng)不同型號(hào)規(guī)格導(dǎo)軌副的測(cè)量。側(cè)面測(cè)頭與定位桿組成的機(jī)構(gòu)用于測(cè)量導(dǎo)軌副寬度方向的偏差，包括滑塊與導(dǎo)軌基準(zhǔn)側(cè)面之間尺寸的極限偏差和各滑塊之間的尺寸變動(dòng)量、滑塊基準(zhǔn)側(cè)面相對(duì)導(dǎo)軌基準(zhǔn)側(cè)面的運(yùn)動(dòng)平行度等。頂面測(cè)頭用于測(cè)量導(dǎo)軌副的高度方向的偏差，包括導(dǎo)軌副高度的極限偏差、滑塊之間的高度變動(dòng)量、滑塊頂面相對(duì)導(dǎo)軌底面的運(yùn)動(dòng)平行度以及滑塊沿導(dǎo)軌在全長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)時(shí)的偏擺等。基準(zhǔn)測(cè)頭用于高度方向動(dòng)態(tài)系統(tǒng)誤差的補(bǔ)償，達(dá)到高精度的測(cè)量。編碼器通過(guò)連接機(jī)構(gòu)固定在龍門架上，并通過(guò)齒輪與固定在測(cè)量平臺(tái)側(cè)面下部的同步帶嚙合，用于實(shí)時(shí)監(jiān)控龍門架的移動(dòng)位置。測(cè)量時(shí)同步移動(dòng)龍門架及被測(cè)滑塊在導(dǎo)軌的各測(cè)量位置采集數(shù)據(jù)，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合計(jì)算就可以得出導(dǎo)軌副的各項(xiàng)綜合精度，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)軌副綜合精度的測(cè)量。

圖2

檢測(cè)儀對(duì)采集數(shù)據(jù)的綜合計(jì)算方法與手工測(cè)量的計(jì)算方法是一樣的，所不同的是檢測(cè)數(shù)據(jù)是自動(dòng)采集的，減少了人為的讀數(shù)誤差，同時(shí)綜合計(jì)算也是由軟件自動(dòng)完成，因此大大提高了檢測(cè)效率和檢測(cè)精度。此檢測(cè)儀創(chuàng)新之處是采用了非接觸式相對(duì)測(cè)量。由于檢測(cè)導(dǎo)軌副綜合精度時(shí)，測(cè)頭需要在同一根導(dǎo)軌上不同滑塊之間來(lái)回移動(dòng)測(cè)量，如果使用接觸式測(cè)量，將難以保證每次測(cè)量時(shí)接觸示值的穩(wěn)定性。而非接觸式測(cè)量由于不存在測(cè)量時(shí)的接觸碰撞，因此測(cè)量示值以及對(duì)表值都非常穩(wěn)定，很好地解決了接觸式測(cè)量由于頻繁接觸碰撞造成測(cè)量值不穩(wěn)定的問(wèn)題。

檢測(cè)儀有以下性能特點(diǎn):①采用非接觸式測(cè)量，檢測(cè)精度高，穩(wěn)定性好。②對(duì)滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副型號(hào)規(guī)格的兼容性強(qiáng)，能檢測(cè)從小型的LM12到大型的LGR100等數(shù)十種型號(hào)規(guī)格，測(cè)量導(dǎo)軌副長(zhǎng)度可達(dá)4 m，而且導(dǎo)軌副上的滑塊數(shù)量不限。

5.數(shù)據(jù)采集與高精度測(cè)量

不僅接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量在測(cè)量值的穩(wěn)定性上存在區(qū)別，數(shù)據(jù)采集和數(shù)字濾波技術(shù)也會(huì)對(duì)檢測(cè)儀的示值穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。檢測(cè)儀數(shù)據(jù)采集原理如圖3所示。

圖3

在工控機(jī)上安裝數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)數(shù)卡及I/O卡等功能卡，測(cè)量軟件通過(guò)這些卡分別采集非接觸式位移傳感器輸出的測(cè)量值、編碼器發(fā)出的脈沖數(shù)以及采集按鈕控制板發(fā)出的控制信號(hào)。非接觸式位移傳感器將導(dǎo)軌副尺寸變化產(chǎn)生的位移量轉(zhuǎn)換成毫伏電壓模擬量，需要經(jīng)過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換才能用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行處理，模/數(shù)轉(zhuǎn)換由數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)。測(cè)量軟件按設(shè)定的時(shí)鐘周期不斷地掃描安裝在工控機(jī)上各板卡的端口、通道，并將掃描數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存中的動(dòng)態(tài)變量數(shù)組，經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波等處理后再更新軟件界面上的示值。當(dāng)測(cè)量軟件通過(guò)掃描I/O卡檢測(cè)到采集按鈕控制板發(fā)出采集等控制信號(hào)后，將動(dòng)態(tài)變量數(shù)值讀入固定變量數(shù)組，從而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)儀的數(shù)據(jù)采集。非接觸式位移傳感器將導(dǎo)軌副尺寸變化產(chǎn)生的位移量轉(zhuǎn)換成幾毫伏的電壓輸出，經(jīng)放大器放大后成為幾伏的電壓信號(hào)。由于測(cè)量環(huán)境中存在振動(dòng)、溫度變化和電場(chǎng)耦合等干擾因素，經(jīng)放大器放大后的電壓信號(hào)不可避免地存在干擾信號(hào)，因此需要對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行濾波處理。電壓信號(hào)在進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換之前先經(jīng)過(guò)具有RC濾波功能的端子板進(jìn)行模擬濾波。經(jīng)過(guò)模擬濾波后干擾信號(hào)雖然大為減少，但仍然存在低頻的脈沖干擾，仍不能滿足高穩(wěn)定性示值的要求，因而要對(duì)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波。數(shù)字濾波的方法有很多，其中中位值平均濾波法對(duì)脈沖干擾有良好的過(guò)濾效果。中位值平均濾波法是先對(duì)采集的一組數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，截去首尾各若干個(gè)數(shù)據(jù)后，將剩余數(shù)據(jù)的平均值作為本組數(shù)據(jù)的濾波結(jié)果。

6.測(cè)量軟件的功能

此檢測(cè)儀的另一關(guān)鍵之處是強(qiáng)大的軟件功能。為此檢測(cè)儀器專門編寫(xiě)軟件，具有系統(tǒng)誤差自動(dòng)修正、檢測(cè)位置自動(dòng)監(jiān)測(cè)、綜合精度自動(dòng)計(jì)算、自動(dòng)判定合格與否、可供選擇接收或拒收，以及生產(chǎn)批次管理、測(cè)量數(shù)據(jù)共享管理等眾多功能。檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)人員需要做的就是選擇生產(chǎn)批次，在平臺(tái)上緊固被測(cè)導(dǎo)軌，然后采集數(shù)據(jù)，其余工作全部由軟件自動(dòng)完成，軟件界面如圖4所示。

圖4

7.結(jié)語(yǔ)

綜上所述，應(yīng)用新技術(shù)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的導(dǎo)軌副綜合精度檢測(cè)儀具有檢測(cè)精度高、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，在降低檢測(cè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)，可以大幅提高檢測(cè)效率和檢測(cè)精度，滿足導(dǎo)軌副綜合精度批量檢測(cè)的需要 (該檢測(cè)儀的研制受2012年國(guó)家重大專項(xiàng)“高檔數(shù)控機(jī)床滾動(dòng)功能部件共性技術(shù)研發(fā)”的支持，支持基金的項(xiàng)目編號(hào)為:2012ZX04002021-06)。