高精度雙V型導(dǎo)軌的研磨與檢測技術(shù)

宋 楠， 姚雪峰， 馮樹龍， 糜小濤

（中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長春 130033）

0 引 言

導(dǎo)軌面是現(xiàn)代儀器上一些相對運(yùn)動部件的導(dǎo)向面，它的加工精度直接影響到儀器的性能。為保證儀器各部件間相對運(yùn)動精度的要求，導(dǎo)軌面需滿足必要的形狀和位置精度。對雙V型導(dǎo)軌而言，導(dǎo)軌精度一般包括單根導(dǎo)軌在垂直平面和水平平面內(nèi)的直線度，兩導(dǎo)軌在水平方向（X方向）的平行度和兩導(dǎo)軌在垂直方向（Y方向）的平行度［1－3］。

現(xiàn)代機(jī)床加工行業(yè)在加工普通精度的雙V型導(dǎo)軌方面已經(jīng)形成了成熟的技術(shù)。而對于大型光柵刻劃機(jī)來說，為刻劃大面積、高刻線密度的高精度光柵，需要有大行程且高精度的導(dǎo)軌配合。在長春光學(xué)精密與物理研究所研制的大型高精度光柵刻劃機(jī)中，為刻劃面積400×500mm2、刻劃精度5nm、刻槽密度6 000g／mm的光柵，需加工一套高精度雙V型導(dǎo)軌，導(dǎo)軌面長1 560mm，中心距離750mm，行程800mm，要求單個導(dǎo)軌副的上下導(dǎo)軌配合直線度誤差在水平的X方向和垂直的Y方向均不大于0.2″，兩導(dǎo)軌副間平行度誤差在垂直和水平方向均不大于1″。對于1 560mm長的導(dǎo)軌面，傳統(tǒng)機(jī)床加工技術(shù)難以滿足這樣的高精度要求。文中在傳統(tǒng)V型導(dǎo)軌加工技術(shù)的基礎(chǔ)上，對成品雙V型導(dǎo)軌進(jìn)一步研磨加工，并對其直線度和平行度誤差指標(biāo)進(jìn)行精密檢測。

1 實(shí)驗(yàn)方案

由于雙V型導(dǎo)軌不僅要求單根導(dǎo)軌的直線度，同時還要求兩根導(dǎo)軌之間的平行度，因此在加工過程中，先將一根導(dǎo)軌的直線度加工至合格，在加工另一根導(dǎo)軌時不斷對兩根導(dǎo)軌的平行度進(jìn)行檢測，并根據(jù)檢測結(jié)果進(jìn)行研磨加工，實(shí)驗(yàn)方案如圖1所示。

圖1 雙V型導(dǎo)軌精密研磨方案

溫度的變化會對導(dǎo)軌面的形狀產(chǎn)生一定的影響，為盡量消除這種影響，導(dǎo)軌應(yīng)置于恒溫室內(nèi)，室溫控制在22（±0.01）℃。為進(jìn)一步減少研磨時帶來的溫度影響，采用手工研磨方式。

2 實(shí)驗(yàn)步驟

2.1 導(dǎo)軌的固定

將導(dǎo)軌固定于工作臺面上時，螺釘?shù)木o固程度會對導(dǎo)軌的形狀產(chǎn)生一定的影響。為避免重復(fù)性工作，導(dǎo)軌固定后不再調(diào)整螺釘，直接在工作臺上對導(dǎo)軌進(jìn)行研磨加工，因此，在固定導(dǎo)軌時需要對兩導(dǎo)軌的平行度進(jìn)行初步調(diào)整，以盡量提高其精度，減少工作量。

除導(dǎo)軌自身形狀外，兩導(dǎo)軌在垂直方向的平行度主要與工作臺表面平面度及導(dǎo)軌底面與臺面接觸情況有關(guān)。實(shí)際使用的大理石工作臺表面平面度為5μm。為保證導(dǎo)軌與臺面接觸良好，還需要對導(dǎo)軌底面進(jìn)行適當(dāng)研磨。

將兩導(dǎo)軌底面涂抹紅色涂料，放置于工作位置處輕輕推動，觀察工作臺表面與導(dǎo)軌底面的接觸面積，根據(jù)具體情況對導(dǎo)軌底面進(jìn)行適當(dāng)刮研與研磨，使其與工作臺表面接觸面積大于85%。將導(dǎo)軌A放置于工作臺上，調(diào)整其位置使其V型面與工作軸線平行，平行度不大于15″，V型面中線與工作軸線距離375mm，偏差不大于0.5mm。調(diào)整完畢使用力矩扳手將導(dǎo)軌A固緊。

固定導(dǎo)軌B時需調(diào)整兩導(dǎo)軌在水平方向的平行度，如圖2所示。

圖2 平面鏡與導(dǎo)軌平行度調(diào)整

將長條平面鏡1置于導(dǎo)軌A上表面，為滿足測量精度，平面鏡面形需要優(yōu)于1／4λ（約160nm）。調(diào)整激光器的入射角度，使激光光束自準(zhǔn)直，將轉(zhuǎn)向型干涉儀10706B置于光路中。調(diào)整平面鏡，使上導(dǎo)軌運(yùn)動過程中干涉儀讀數(shù)變化小于100nm。此時可認(rèn)為平面鏡表面與導(dǎo)軌V型面中線平行。

將長條平面鏡2置于一可調(diào)俯仰的調(diào)整架上，置于導(dǎo)軌B上表面，重復(fù)上述過程，使其表面平行于導(dǎo)軌V型面中線。

由于自準(zhǔn)直儀自身擺放姿態(tài)對檢測結(jié)果存在較大的影響，其在不同位置擺放的檢測結(jié)果不存在可比較性，因此，在導(dǎo)軌平行度的粗調(diào)過程中僅對一點(diǎn)進(jìn)行檢測。

將自準(zhǔn)直儀垂直于導(dǎo)軌V型面中線方向放置于導(dǎo)軌中點(diǎn)位置附近，記錄下自準(zhǔn)直儀對平面鏡1的讀數(shù)，如圖3所示。

自準(zhǔn)直儀的位置不動，移開導(dǎo)軌A，調(diào)整鏡面俯仰程度使平面鏡2處于自準(zhǔn)直儀的視場內(nèi)。調(diào)整導(dǎo)軌B的位置，使自準(zhǔn)直儀的讀數(shù)與平面鏡1的讀數(shù)相差不大于0.2″。使用力矩扳手將導(dǎo)軌B固緊，固緊過程中根據(jù)自準(zhǔn)直儀讀數(shù)對導(dǎo)軌B的位置進(jìn)行調(diào)整，以保持該讀數(shù)差不超過0.2″。此時可認(rèn)為兩導(dǎo)軌水平方向平行度粗調(diào)完畢。

圖3 雙V型導(dǎo)軌X方向平行度初步調(diào)整

2.2 導(dǎo)軌直線度的檢測與修整

導(dǎo)軌的直線度誤差包括兩個方面，即水平的X方向和垂直的Y方向。首先對導(dǎo)軌的直線度誤差進(jìn)行檢測，如圖4所示。

圖4 導(dǎo)軌直線度的測量

將一標(biāo)準(zhǔn)反射鏡置于檢具上方，沿導(dǎo)軌拉動檢具，記錄下檢具停留在每個位置時自準(zhǔn)直儀顯示的X（或Y）數(shù)值α（i）。該值為導(dǎo)軌在該點(diǎn)附近區(qū)間與自準(zhǔn)直儀光軸的夾角。

按以下公式繪制導(dǎo)軌直線度誤差曲線：

式中：d——檢測的跨距，跨距越小則檢測曲線越接近導(dǎo)軌面的真實(shí)形狀。

根據(jù)導(dǎo)軌的實(shí)際長度，采用75mm的跨距進(jìn)行檢測。

考慮到自準(zhǔn)直儀自身放置的位置因素，所獲得的曲線并不代表導(dǎo)軌的實(shí)際形態(tài)，而是存在一個旋轉(zhuǎn)角度，需要對該曲線進(jìn)行處理。平面內(nèi)直線度誤差評定方法有：最小包容區(qū)域法、最小二乘法和兩端點(diǎn)連線法。其中最小包容區(qū)域法所得直線度誤差是最小且唯一的，因此對曲線進(jìn)行最小包容區(qū)域法處理［4－7］。

由于上導(dǎo)軌的長度為800mm，使用其作為檢具時產(chǎn)生的均化作用較大，無法準(zhǔn)確反映出導(dǎo)軌的直線度，所以，上導(dǎo)軌作為檢具時僅用于判定導(dǎo)軌的直線度合格與否。而研磨加工中則需使用較短的檢具進(jìn)行檢測，理論上越短的檢具檢測出的結(jié)果曲線越接近導(dǎo)軌的實(shí)際形狀。在實(shí)際應(yīng)用中，考慮反射鏡的大小及穩(wěn)定性，使用長度為150mm的檢具進(jìn)行檢測。

V型導(dǎo)軌成品經(jīng)精密磨床加工達(dá)到的直線度為9.0～10.0μm［8］，為進(jìn)一步提高精度需根據(jù)檢測曲線進(jìn)行研磨。一般可采用的研磨方法有兩種，即使用平面研具對V型導(dǎo)軌的兩個平面分別進(jìn)行研磨，以及使用V型研具直接進(jìn)行整體研磨。由于使用平面研具加工時必須將V型導(dǎo)軌的斜面擺放到水平的位置才能加工，因此在分別加工兩個斜面時容易造成V型角度誤差較大而與上導(dǎo)軌不匹配，并且加工完成后再固定于工作臺上時又會產(chǎn)生一定的形變，因此采用V型研具直接研磨加工。所使用的研具包括上研具與下研具兩種，研具V型面的角度為90°±30″，如圖5所示。

圖5 研磨所用研具

首先對導(dǎo)軌A進(jìn)行研磨。由于初始導(dǎo)軌直線度較大，約為10μm，所以，使用標(biāo)號M14的碳化硼磨料進(jìn)行粗研，待直線度不大于5μm時改用標(biāo)號為M7的白剛玉磨料進(jìn)行研磨。

由于越短的研具自身的直線性越好，對X方向直線度的影響也越小，所以，首先使用較長的研具對導(dǎo)軌X方向的直線度進(jìn)行修整。長研具使用前也需使用自準(zhǔn)直儀對其直線度進(jìn)行檢測，并使用配套研具修整其直線度，合格后方可用于導(dǎo)軌的研磨。研具在使用過程中也會產(chǎn)生磨損，需要經(jīng)常進(jìn)行檢測和修整。

每次研磨后對導(dǎo)軌面進(jìn)行拋光以保證導(dǎo)軌面與檢具接觸良好，并靜置30min以釋放研磨中產(chǎn)生的熱量。使用自準(zhǔn)直儀對導(dǎo)軌的直線度誤差進(jìn)行檢測，依照檢測結(jié)果曲線對導(dǎo)軌繼續(xù)修整。

將X方向直線度修整至不大于1.5μm后，參照Y方向檢測曲線使用較短的研具研磨曲線的峰值部分，同樣，將Y方向直線度誤差修整至不大于1.5μm，同時需兼顧X方向直線度。

對導(dǎo)軌A的上導(dǎo)軌按同樣步驟進(jìn)行研磨，合格后將其與下導(dǎo)軌進(jìn)行適當(dāng)互研，使其配合良好。此時使用上導(dǎo)軌為檢具進(jìn)行檢測，若滿足直線度誤差要求則停止研磨，否則重復(fù)上述過程至合格。導(dǎo)軌A研磨合格后不再變動。

對導(dǎo)軌B同樣按上述過程處理，為留有余量以修整兩導(dǎo)軌平行度，將導(dǎo)軌B修整至X，Y方向直線度均不大于2μm即可。

2.3 X方向平行度的檢測與修整

X方向平行度檢測過程與導(dǎo)軌固定過程類似，首先將兩長條平面鏡分別置于導(dǎo)軌A，B上，按圖2所示調(diào)整鏡面與導(dǎo)軌V型面中線平行。按圖3所示擺放自準(zhǔn)直儀，遮擋平面鏡2，以跨距30mm移動導(dǎo)軌A，并保持平面鏡處于自準(zhǔn)直儀視場范圍內(nèi)。記錄自準(zhǔn)直儀X方向讀數(shù)。保持自準(zhǔn)直儀位置不變，遮擋平面鏡1，同樣以跨距30mm移動導(dǎo)軌B，記錄下自準(zhǔn)直儀對導(dǎo)軌B在X方向的讀數(shù)。對檢測結(jié)果運(yùn)用Matlab軟件擬合工具箱（cftool）將檢測結(jié)果擬合成直線：

兩直線的夾角為

由于自準(zhǔn)直儀自身放置狀態(tài)對檢測結(jié)果會產(chǎn)生較大影響，因此其位置不可移動，檢測X方向平行度時，上導(dǎo)軌僅在長條平面鏡范圍內(nèi)移動，行程為210mm。當(dāng)兩導(dǎo)軌直線度均滿足要求時，可認(rèn)為該夾角即為兩導(dǎo)軌在水平X方向的平行度。

根據(jù)檢測結(jié)果，使用較長的研具對導(dǎo)軌B進(jìn)行針對性修整至θ角不大于1″。

2.4 Y方向平行度的檢測與修整

使用水平儀對兩導(dǎo)軌的垂直方向平行度進(jìn)行檢測。檢測方法有以下兩種：

第一種是將數(shù)字水平儀設(shè)定為絕對零位，放置于短檢具上沿導(dǎo)軌拉動，記錄下每個位置水平儀的讀數(shù)，代入式（1）繪制出兩導(dǎo)軌的垂直方向直線度曲線。由于使用絕對零位檢測，此曲線可認(rèn)為是導(dǎo)軌直線度的真實(shí)狀態(tài)。但一般的水平儀在絕對零位下的精度不高，重復(fù)性大于1″，無法滿足實(shí)驗(yàn)要求［9－10］。

另一種方法是使用水平儀的相對零位進(jìn)行檢測。垂直方向平行度檢測如圖6所示。

圖6 垂直方向平行度檢測

在雙V型導(dǎo)軌同一端各放置一圓柱檢棒，檢棒的圓度好于0.5μm。將一剛性跨橋放置于兩圓柱上，標(biāo)記好位置以便重復(fù)測量。水平儀放置于跨橋中央并膠固，以免測量過程中移動。將水平儀設(shè)定為相對零位并調(diào)零，將檢棒與跨橋移動至導(dǎo)軌另一端，記錄水平儀的讀數(shù)。當(dāng)兩導(dǎo)軌直線度均滿足要求時，該讀數(shù)即可認(rèn)為兩導(dǎo)軌在空間中的夾角。

對導(dǎo)軌B相對于導(dǎo)軌A較高一端進(jìn)行研磨，并重復(fù)上述檢測過程至水平儀讀數(shù)不大于1″。

2.5 導(dǎo)軌B直線度的檢測與修整

檢測導(dǎo)軌B的直線度，并依照檢測曲線對導(dǎo)軌B繼續(xù)進(jìn)行研磨至其直線度滿足要求。檢測兩導(dǎo)軌在X和Y方向的平行度，若滿足指標(biāo)要求則停止研磨，否則重復(fù)以上步驟至全部指標(biāo)合格。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

雙V型導(dǎo)軌按照以上步驟研磨完成后，導(dǎo)軌A和導(dǎo)軌B的直線度數(shù)據(jù)見表1和表2。

表1 導(dǎo)軌A直線度檢測數(shù)據(jù)

表2 導(dǎo)軌B直線度檢測數(shù)據(jù)

擬合曲線如圖7和圖8所示。

由曲線可知，兩導(dǎo)軌的直線度均不大于0.5μm，按導(dǎo)軌行程760mm計(jì)算其直線度均不大于0.15″，滿足指標(biāo)要求。

兩導(dǎo)軌間X方向平行度檢測數(shù)據(jù)見表3。

兩導(dǎo)軌間Y方向平行度檢測結(jié)果見表4。

圖7 3號導(dǎo)軌A直線度曲線

圖8 4號導(dǎo)軌B直線度曲線

表3 兩導(dǎo)軌間X方向平行度檢測數(shù)據(jù)

表4 兩導(dǎo)軌間Y方向平行度檢測結(jié)果

根據(jù)表3，由式（2）可得兩導(dǎo)軌X方向擬合曲線：

由式（3）可得兩導(dǎo)軌間X方向平行度：

對表4結(jié)果取算術(shù)平均值，則兩導(dǎo)軌間Y方向平行度：

即雙V型導(dǎo)軌在水平X方向和垂直Y方向平行度均滿足要求。

4 結(jié) 語

根據(jù)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的需要，為加工出更高精度的雙V型導(dǎo)軌，從而實(shí)現(xiàn)更高的定位精度以滿足大型光柵刻劃機(jī)的使用要求，提出了一種導(dǎo)軌精密研磨的加工和檢測方案。介紹了對雙V型導(dǎo)軌進(jìn)行精密研磨的實(shí)驗(yàn)步驟以及對導(dǎo)軌直線度和平行度的檢測方法和工作原理，最后給出了檢測結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該實(shí)驗(yàn)方案可以有效地提高雙V型導(dǎo)軌配合的直線度及導(dǎo)軌間的平行度，使其滿足高精度的使用要求。

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