一種表面輪廓測量儀X 軸驅動系統的設計分析

曲澤海

（哈爾濱量具刃具集團有限責任公司，哈爾濱 150040）

0 引言

傳統表面輪廓測量儀的X 軸驅動系統多采用旋轉電機驅動絲杠等傳動部件，帶動傳感器沿被測平面做勻速直線運動，即傳統旋轉電機通過減速機構與絲杠連接，絲母推動傳感器做水平運動，采集的X 軸水平位移信號交付電機驅動器進行反饋處理。由于絲杠副部件之間存在著間隙、柔度以及運動的不平穩性，都會導致測量的誤差偏大，使得裝調驅動系統的工作繁重。

1 本例X軸驅動系統介紹

與傳統絲杠、旋轉電機、軸承滑塊的X 軸驅動系統相比，本例的X 軸驅動系統設計采用直線電機搭載滾珠直線導軌鏈進行滾動式驅動，機械裝配緊湊，減少了儀器的零部件數量，具有運行速度非常平穩和靜音運行的優點，是表面輪廓測量儀的重要部件，用來驅動傳感器沿水平方向勻速直線運動，并提供傳感器的水平位移坐標信息與運行基準。

該結構的優點：零間隙和柔度；高剛度、高定位精度；運動速度非常平穩、靜音運行；緊湊的機械裝配，減少了機器的零部件數量。

X 軸驅動系統工作原理：X 軸驅動系統采用光柵系統作為位移變化量的信號采集器件，將封閉滑架系統位移轉換為光柵信號輸出；利用直線電機作為驅動源，將光柵信號反饋到電機驅動器上實現更高的定位精度，同時直線電機的零間隙特點可以大大減小測量過程中驅動系統帶進測量中的系統誤差。更高的剛性使得整個驅動系統響應更快，運行速度更加平穩，不會因系統自身的剛性問題帶來影響測量速度的問題，有利于提高工作效率。

2 X 軸驅動系統設計與分析

X 軸驅動系統，其組成包括：光柵讀數頭、前滑板、上滑板、后滑板，后滑板和下滑板通過螺釘剛性連接后形成封閉滑架系統，滾珠帶被緊壓到封閉滑架系統內與導軌之間形成滾動摩擦傳動系統，其結構如圖1 所示。

圖1 X 軸驅動系統結構示意圖

圖2 X 軸驅動結構簡圖

X 軸驅動系統采用滾珠傳動介質，所以滾珠的受載能力、精度和壽命就是設計的重中之重，設計計算分析如下：

1）勻速運動或靜止時，負荷P1=P2=-mgl3/（2l1），P3=P4=mgl3/（2l1），P1T=P4T=mg/4+mgl2/（2l0），P2T=P3T=mg/4 -mgl2/（2l0）。

2）平均負荷計算分析。

平均負荷：運動中滑架整體的負荷大小因各種各樣的條件而變動時，與這些變動負荷條件具有相同壽命的一定大小的負荷。

圖3 變化曲線

式中：Pm為平均負荷，N；Pn為變化負荷，N；L 為總運動距離，mm；Ln為負荷Pn時運動距離，mm；i 為由滾動體決定的常數，mm。

3）額定壽命計算分析。

額定壽命：一批相同的直線運動系統在相同條件下分別運行時，其中的90%不產生表面剝落（金屬表面的鱗片狀剝落）所能達到的總運行距離。

式中：L 為額定壽命，km；C 為基本動額定載荷，N；Pc為負荷計算值，N；fH為硬度系數（參照圖4）；fT為溫度系數（參照圖4）；fC為接觸系數（表1），fW為負荷系數（表2）。

硬度系數：為了充分發揮X 軸驅動導軌的負荷能力，滾動面的硬度應在58～64 HRC 之間。

溫度系數：如果導軌的使用環境溫度超過100℃時，就要考慮高溫的不良影響，應將基本額定載荷乘以溫度系數。

接觸系數：多條滾珠鏈使用時將基本額定載荷（C 或Co）乘以接觸系數。

負荷系數：通常作往復運動的機械在運轉中大都伴隨振動或沖擊，特別是在要正確計算在高速運轉時所產生的振動以及頻繁啟動與停止所導致的所有沖擊則尤為困難。因此，在速度、振動的影響很大時，將基本動額定載荷C 除以負荷系數。

圖4 硬度系數及溫度系數圖

表1 接觸系數fc

表2 負荷系數fw

3 結語

介紹了X 軸驅動系統的設計分析，針對應用于表面輪廓測量儀的觸針傳感器的測量滑行的高直線性和高定位精度的要求，可以廣泛適用于各種場所，穩定的驅動運動可以普遍應用在高精度測量儀中。根據計算分析可以更好的設計驅動系統的形成和整體機構的壽命及其承載能力，使輪廓測量儀能夠滿足市場的需要。

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