淺談三坐標測量機應用滾珠直線導軌時應注意的問題

文學鋒

（西安愛德華測量設備股份有限公司，陜西 西安 710077）

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淺談三坐標測量機應用滾珠直線導軌時應注意的問題

文學鋒

（西安愛德華測量設備股份有限公司，陜西 西安 710077）

摘 要：本文以滾珠直線導軌的運動精度試驗為基礎，結合三坐標測量機的誤差原理，進行理論分析，論述了在三坐標測量機中應用滾珠直線導軌時應注意的問題，為三坐標測量機的設計開發提供了理論依據。

關鍵詞：運動直線度誤差；運動角誤差；運動精度；滾珠直線導軌

0. 引言

近年來，隨著制造技術的發展，滾珠直線導軌（以下簡稱導軌）以其精度高、剛度高、摩擦因素小、運動靈活、低速運動平穩等特點，被廣泛應用于精密機床、數控機床和測量儀器中。我們在三坐標測量機的設計開發中應用導軌時遇到了諸多問題，本文將以導軌的運動精度試驗為基礎，結合三坐標測量機的誤差原理，進行理論分析，論述了在三坐標測量機中應用導軌時應注意的問題。

1. 與導軌有關的幾何誤差

三坐標測量機共有21項幾何誤差，其中與導軌有關的有15項，即每個運動方向的導軌各產生5項誤差，它們是2項運動直線度誤差和3項運動角誤差。

如滑板沿x軸運動，它的運動直線度誤差包括在y軸的運動直線度誤差δy（x）和在z軸的運動直線度誤差δz（x），其中x表示滑板在x軸的位移量，下標y、z表示誤差變動的方向，它們都是位移量x的函數；它的運動角誤差包括繞y軸回轉的運動角誤差εy（x）、繞z軸回轉的運動角誤差εz（x）以及繞x軸回轉的運動角誤差εx（x），其中括號內x表示滑板在x軸的位移量，下標x、y、z表示轉軸的方向。

2. 試驗原理

當滑板沿x軸運動時，每隔一定距離，電感測微儀能夠準確地顯示出該位移時滑板沿y軸或z軸的變動量或電子水平儀能夠準確地顯示出該位移時滑板繞x、y或z軸的運動角誤差，將測量結果存入計算機，并進行數據處理和分析，在其他因素都不變的情況下，改變單一因素，分析導軌5項運動誤差的測量結果。

3. 試驗數據分析及結論

3.1 滑板剛度

試驗采用厚度分別為20mm和40mm的滑板進行測試，對比測量結果，當其他因素不變時，滑板剛度增大，運動角誤差εy（x）減小。

3.2 導軌跨距c

試驗通過測量導軌跨距c為50、100 和150mm時的各項運動誤差，對比測量結果，當其他因素不變，導軌跨距c增大，運動角誤差εx（x）減小。

3.3 滑塊跨距d與導軌安裝孔距λ

從測量結果中我們發現，滑塊跨距d與導軌安裝孔距λ存在以下關系：當滑塊跨距d為導軌安裝孔距λ的半數倍時，運動直線度誤差δz（x）和運動角誤差εz（x）會隨著位移進行周期性的波動，在三坐標測量機的設計中，出現這種周期性的波動是不允許的；當滑塊跨距d為導軌安裝孔距λ的整數倍時，運動直線度誤差δz（x）和運動角誤差εz（x）則不會隨著位移進行周期性的變動。

導軌是用鎖緊螺釘固定在機臺上的，導軌是一彈性體，鎖緊螺釘所產生的壓縮力會使其發生變形，這里采用NSK LH30導軌進行分析，導軌的上下球溝道的兩個表面都經過磨削，標準要求是導軌安裝孔座表面比下溝道的中心略低，用FEM（有限元）分析，如圖1所示，在低于導軌安裝孔座表面的地方存在很大的變形，最大的變形在接近下溝道處（③處）和接近導軌安裝孔座表面（②處），因此，由于螺釘鎖緊引起導軌變形，產生隨著導軌安裝孔距λ進行周期性的變化，從而反映到運動直線度誤差δz（x）和運動角誤差εz（x）中，所以在三坐標測量機的設計時，應盡量將滑塊跨距d設計為所選導軌安裝孔距λ的整數倍，防止運動直線度和運動角誤差出現周期性的波動。

3.4 導軌安裝孔距λ與深度h

這里采用NSK LH30導軌進行分析，導軌安裝孔的標準深度h為12mm，通過4.3的分析可知，加深導軌安裝孔的深度會減小下溝道處的變形，考慮到導軌的使用強度，加深后h為18mm，如圖2所示，在下溝道處具有不同導軌安裝孔距λ及沉孔深度h時導軌的變形，圖3為圖2中不同導軌的最大變形量，增加導軌安裝孔的沉孔深度h，將在機臺上安裝時由鎖緊螺釘所產生的軌道變形減少至將近1/2，抑制了由于導軌安裝孔的間距λ引起的軌道起伏；導軌安裝孔距λ減少至一半，軌道變形量也有明顯的降低，提高了導軌安裝的直線度。

3.5 加長滑塊

由于直線導軌的結構關系，來自球通過時的振動是不可避免的，即使幾何形狀完美的產品也不例外，但是這種振動可以通過有效的設計予以減少，與標準滑塊相比，采用加長滑塊后鋼球通過時振動減少至1/3，提高了工作臺面的運動直線度。

結語

以上從理論和試驗兩方面闡述了多方面因素對滾珠直線導軌運動精度的影響，而且各因素的作用效果不一樣，因此，我們在設計三坐標測量機時，應綜合考慮各個因素對滾珠直線導軌運動精度的影響，同時兼顧產品成本，設計出公司和客戶都滿意的三坐標測量機。

參考文獻

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［4］ Shigeharu Kobayashi. Technological Trends in Linear Motion Rolling Guides for Machine Tools. NSK Technical Journal Motion & Control.2013（23）： 27-32.

中圖分類號：TH721

文獻標識碼：A

Abstract：In this paper， we do the theoretical analysis on the basis of movement precision test for the ball linear guide，combined with the error principle of three coordinate measuring machine. This paper discusses the problems which should pay attention to when three coordinate measuring machine apply the ball linear guide. This provides theory basis for design and development of three coordinate measuring machine.

Keywords：motion straightness error； motion rotarional error； motion accuracy； ball linear guide