導(dǎo)軌直線度檢測(cè)及其精度分析

張坤領(lǐng)

摘? 要：導(dǎo)軌主要用在機(jī)床的床身、滑臺(tái)、立柱上，起到支承和導(dǎo)向作用，導(dǎo)軌的幾何精度與各坐標(biāo)軸運(yùn)行方向的準(zhǔn)確性相關(guān)，影響到工件的表面粗糙度、尺寸精度和形狀精度。該文通過對(duì)數(shù)控機(jī)床導(dǎo)軌直線度檢測(cè)方法分析，闡述了拉表法、水平儀法、準(zhǔn)直儀法檢測(cè)導(dǎo)軌直線度的具體步驟，并對(duì)其檢測(cè)精度進(jìn)行了對(duì)比，總結(jié)了3種檢測(cè)方法的適用范圍。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)軌直線度? 拉表法? 準(zhǔn)直儀? 水平儀? 檢測(cè)精度

中圖分類號(hào)：TH161 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2020）06（a）-0001-04

Abstract： The guide rail is mainly used on the bed， slide table and column of the machine tool， which plays the role of supporting and guiding. The geometric accuracy of the guide rail is related to the accuracy of the running direction of each coordinate axis， which affects the surface roughness， dimensional accuracy and shape accuracy of the workpiece.Based on the analysis of the straightness detection method of CNC tool guideway， this paper expounds the concrete steps of measuring the straightness of guideway ，by using dial indicator，or precision level，or auto-collimator， and compares the measuring accuracy. The application range of three detection methods is summarized.

Key Words： Guideway Straightness; Precision Level; Auto-collimator; Precision Level; Measuring-Accuracy

導(dǎo)軌是數(shù)控機(jī)床上用來支承運(yùn)動(dòng)部件并起到導(dǎo)向作用的關(guān)鍵部件，其導(dǎo)軌直線度誤差直接影響到機(jī)床直線坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)的精度，進(jìn)而影響到零件加工的尺寸精度和形狀精度。在機(jī)床裝配過程中，導(dǎo)軌的直線度檢測(cè)是非常重要的一個(gè)步驟。

機(jī)床導(dǎo)軌的直線度誤差包括水平面內(nèi)的直線度誤差和豎直面內(nèi)的直線度誤差，其實(shí)質(zhì)是實(shí)際直線相對(duì)于理想直線的偏差，也就是在檢測(cè)平面內(nèi)包含實(shí)際直線的與理想直線平行的兩條包絡(luò)線之間的垂直距離，如圖1所示。

在機(jī)床導(dǎo)軌直線度檢測(cè)時(shí)，一般以檢測(cè)范圍內(nèi)相距最遠(yuǎn)的兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn)（兩端點(diǎn)）連線作為理想直線。

1? 導(dǎo)軌直線度檢測(cè)方法

目前，導(dǎo)軌直線度檢測(cè)常用方法主要包括水平儀檢測(cè)法、準(zhǔn)直儀檢測(cè)法以及拉表法等。

1.1 拉表法檢測(cè)導(dǎo)軌直線度

檢測(cè)儀器、工具：千分表及磁性表座、大理石平尺、固定墊塊與可調(diào)墊塊。

適用范圍：（1）垂直面內(nèi)的直線度檢測(cè);（2）水平面內(nèi)的直線度檢測(cè)。

垂直面內(nèi)的直線度檢測(cè)方法如圖2所示。

（1）儀器、工具的安置。

①將大理石平尺放置在機(jī)床導(dǎo)軌附近，兩端分別墊固定墊塊和可調(diào)墊塊，使其側(cè)面平行于導(dǎo)軌長(zhǎng)度方向。

②磁性表座固定在需要檢測(cè)的導(dǎo)軌上面滑塊上，千分表觸頭觸及大理石平尺上表面。

（2）檢測(cè)步驟。

①校正大理石平尺方向：滑塊移到導(dǎo)軌最左端，讀出此時(shí)千分表的讀數(shù)a1;再將滑塊移到導(dǎo)軌最右端，讀出此時(shí)千分表的讀數(shù)a2;若a1≠a2，調(diào)整可調(diào)墊塊的高度，再次檢測(cè)，調(diào)整，直至a1=a2。

②檢測(cè)：沿著導(dǎo)軌移動(dòng)滑塊，從最左端移動(dòng)到最右端，讀出全行程中千分表示值的最大讀數(shù)和最小讀數(shù)，則最大讀數(shù)和最小讀數(shù)的差值即為導(dǎo)軌在垂直面內(nèi)的直線度誤差。

水平面內(nèi)的直線度檢測(cè)步驟類似，千分表觸頭應(yīng)該接觸側(cè)面，墊塊接觸表面為另一側(cè)面。

1.2 水平儀檢測(cè)導(dǎo)軌直線度

檢測(cè)儀器、工具：精密水平儀、基板或溜板。

適用范圍：垂直面內(nèi)的直線度檢測(cè)。

檢測(cè)方法及步驟如圖3所示。

（1）儀器、工具的安置。

①將基板放置兩導(dǎo)軌滑塊上，將精密水平儀置于基板上。

②精密水平儀沿著導(dǎo)軌長(zhǎng)度方向放置，靠近被檢測(cè)導(dǎo)軌。

（2）檢測(cè)過程。

①將基板置于（或溜板移動(dòng)至）導(dǎo)軌行程一端，記下水平儀偏離格數(shù)。

②沿導(dǎo)軌行程移動(dòng)基板（溜板）約250mm，再次記下水平儀偏離格數(shù)。

③依次移動(dòng)，每段間隔250mm，記下各段水平儀偏離格數(shù)，左偏記為-，右篇記為﹢。

④繪圖計(jì)算出導(dǎo)軌在垂直面內(nèi)的直線度。

（3）計(jì)算方法。

例如某長(zhǎng)度1000mm的導(dǎo)軌，在各個(gè)測(cè)量位置時(shí)水平儀讀數(shù)依次為：+1.4、+1.1、-1.7、+1.0格，記錄為表1。

根據(jù)這些讀數(shù)繪制出圖4，橫坐標(biāo)為測(cè)量點(diǎn)位置，縱坐標(biāo)為累計(jì)偏離格數(shù)。

連接兩端點(diǎn)o和d，od為理想直線，上部距離理想直線最遠(yuǎn)點(diǎn)為b點(diǎn)，下部距離理想直線為c點(diǎn)，則導(dǎo)軌全行程直線度偏離格數(shù)為：△=|H1|+|H2|，H1為b到od的垂直距離折合格數(shù)，H2為c到od的垂直距離折合格數(shù)。由于od相對(duì)于X軸實(shí)際角度極小，故H1≈bb'，H2≈cc'。

則導(dǎo)軌全行程直線度σ=（|bb'|+|cc'|）×A×L，A為水平儀精度（0.02mm/1000mm），L為每段跨度250mm。

1.3 準(zhǔn)直儀檢測(cè)導(dǎo)軌直線度

檢測(cè)儀器、工具：準(zhǔn)直儀、基座（L型彎板或板橋）。

適用范圍：（1）垂直面內(nèi)的直線度檢測(cè);（2）水平面內(nèi)的直線度檢測(cè)。

檢測(cè)方法及步驟具體如下。

（1）儀器、工具的安置。

①將基座（L型彎板或橋板）放置于導(dǎo)軌被測(cè)面，并使表面接觸良好，將反射鏡固定在基座上，保證物鏡光軸與測(cè)量方向一致，如圖5（a）所示。

②將固定反射鏡的基座移動(dòng)至儀器物鏡前，照明燈放置于儀器上，調(diào)節(jié)準(zhǔn)直儀，直到能從目鏡中看清十字刻度線，如圖5（b）所示。

③通過目鏡觀察到兩條綠色的十字線，然后調(diào)節(jié)儀器各旋鈕，使綠色十字線與刻度重合，并且影像清晰，如圖5（c）所示。

（2）測(cè)量步驟。

①記錄下基座處于第一個(gè)位置時(shí)，準(zhǔn)直儀調(diào)整鼓輪的讀數(shù)值;測(cè)量基座長(zhǎng)度，沿導(dǎo)軌長(zhǎng)度方向移動(dòng)基座（一個(gè)基座長(zhǎng)度距離）。

②轉(zhuǎn)動(dòng)讀數(shù)鼓輪，使十字線在視野內(nèi)移動(dòng)，保證每次十字線與刻度線重新重合（回到上一次位置），然后從鼓輪上讀出數(shù)值。

③逐段移動(dòng)基座，基座移動(dòng)時(shí)必須首尾相接，并調(diào)整讀數(shù)鼓輪，依次記錄每個(gè)點(diǎn)的鼓輪讀數(shù)數(shù)據(jù)，直至被測(cè)表面末端。

（3）數(shù)據(jù)處理。

①計(jì)算各點(diǎn)的角度偏差，通過查圖表8或公式計(jì)算出距離偏差。若檢測(cè)項(xiàng)目為垂直面內(nèi)的直線度，則偏離高度計(jì)算公式為：H=L×tan（α），α為角度偏差的弧度值，L為基座長(zhǎng)度（mm）。

②繪圖計(jì)算直線度：例如某導(dǎo)軌測(cè)量數(shù)據(jù)及處理結(jié)果如圖9所示。

根據(jù)得到的數(shù)據(jù)，畫出曲線圖，X軸方向?yàn)闇y(cè)量點(diǎn)的數(shù)量，Y軸方向?yàn)橛涗浀臄?shù)據(jù)值;作出曲線后，將曲線首尾相連，經(jīng)曲線最高點(diǎn)和最低點(diǎn)作垂直于X軸方向的垂線，與連線相交的距離和，通過網(wǎng)格坐標(biāo)轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)，即被測(cè)工件的直線度，如圖6（a）所示。如果曲線全部位于連接線的一邊，則只需要做一條垂線，換算其長(zhǎng)度即可得出直線度數(shù)據(jù)，如圖6（b）所示。

2? 導(dǎo)軌直線度檢測(cè)精度分析

導(dǎo)軌直線度檢測(cè)誤差主要有儀器精度誤差和檢測(cè)讀數(shù)誤差構(gòu)成。

儀器精度誤差是指檢測(cè)儀器和檢測(cè)工具本身固有的誤差，例如水平儀、準(zhǔn)直儀、千分表以及平尺本身的制造精度，滑塊沿導(dǎo)軌移動(dòng)的導(dǎo)向精度，基板或板橋與導(dǎo)軌表面（或滑塊表面）的貼合精度;檢測(cè)讀數(shù)誤差有估讀誤差，計(jì)算方法誤差，另外，還有由于環(huán)境因素而造成的折光、熱脹冷縮影響等。

2.1 拉表法檢測(cè)導(dǎo)軌直線度檢測(cè)精度

拉表法檢測(cè)所用檢測(cè)儀器及工具為千分表、大理石平尺，其檢測(cè)誤差為。其儀器精度誤差由δ1千分表測(cè)量精度誤差δ11、大理石平尺精度誤差δ12、滑塊導(dǎo)向精度δ13組成，總的儀器精度誤差為。

其中千分表測(cè)量精度為0.002mm;大理石平尺精度與其制造等級(jí)以及長(zhǎng)度有關(guān)，如表4所示。

以1000mm長(zhǎng)度的導(dǎo)軌為例，若采用00級(jí)1000mm平尺檢測(cè)，則其直線度檢測(cè)精度為0.003mm。而滑塊導(dǎo)向精度主要取決于導(dǎo)軌以及滑塊的表面粗糙度，因?qū)к墶⒒瑝K表面粗糙度值均較小，一般為0.1～0.4μm，則由其引起的導(dǎo)向精度誤差最大為0.56μm。

拉表法檢測(cè)讀數(shù)誤差δ2由估讀誤差δ21、環(huán)境影響誤差δ22組成，因千分表精度為0.002mm，則其估讀誤差為0.001mm。若環(huán)境影響δ22忽略不計(jì)，則δ2=1μm。

則拉表法檢測(cè)誤差為即當(dāng)采用00級(jí)大理石平尺和千分表檢測(cè)1000mm長(zhǎng)度的導(dǎo)軌時(shí)，其檢測(cè)精度可高于5μm。同理可計(jì)算當(dāng)檢測(cè)3000mm的導(dǎo)軌時(shí)，其檢測(cè)誤差≈8.33μm即檢測(cè)精度高于10μm。

2.2 水平儀檢測(cè)導(dǎo)軌直線度檢測(cè)精度

水平儀檢測(cè)導(dǎo)軌直線度所用檢測(cè)儀器及工具為精密水平儀以及板橋，其檢測(cè)誤差為。其儀器精度誤差δ1由水平儀測(cè)量精度誤差δ11、板橋貼合精度δ12組成，總的儀器精度誤差為。

企業(yè)檢測(cè)數(shù)控機(jī)床導(dǎo)軌所用水平儀靈敏度一般為0.02mm/1000mm，若檢測(cè)時(shí)每段跨度為250mm，則其檢測(cè)精度為0.005mm，即δ11=0.005mm，板橋貼合精度δ12主要取決于導(dǎo)軌以及板橋底面的表面粗糙度，若其表面粗糙度為0.1～0.4μm，則尤其引起的貼合精度誤差δ12<1μm。

水平儀檢測(cè)導(dǎo)軌直線度檢測(cè)讀數(shù)誤差δ2由估讀誤差δ21、計(jì)算方法誤差δ22、環(huán)境影響誤差δ23組成。按水平儀估讀誤差為0.5格，則其估讀誤差δ21為0.0025mm。

計(jì)算方法誤差δ22如圖7所示。

假設(shè)最大偏離Ya為5格，終點(diǎn)d偏離累計(jì)為10格，則：

帶入上述公式可得δ22=3.125×10-11mm≈0mm，即δ22可以忽略不計(jì)。

若環(huán)境影響δ23忽略不計(jì)，則δ2=2.5μm。

則總的檢測(cè)誤差為：

即當(dāng)采用靈敏度為0.002mm/1000mm的精密水平儀檢測(cè)導(dǎo)軌時(shí)，其檢測(cè)精度略低于5μm。

2.3 準(zhǔn)直儀檢測(cè)導(dǎo)軌直線度檢測(cè)精度

準(zhǔn)直儀檢測(cè)導(dǎo)軌直線度所用檢測(cè)儀器及工具為準(zhǔn)直儀以及基板，其檢測(cè)誤差為。其儀器精度誤差δ1由準(zhǔn)直儀測(cè)量精度誤差δ11、基板貼合精度δ12組成，總的儀器精度誤差為。

若準(zhǔn)直儀鼓輪最小讀數(shù)為1''，基板長(zhǎng)度為250mm，根據(jù)表2可知，其檢測(cè)精度為0.0012mm，即δ11=0.0012mm，基板貼合精度δ12主要取決于導(dǎo)軌以及基板底面的表面粗糙度，表面由前述可知引起的貼合精度誤差δ12<1μm。

準(zhǔn)直儀檢測(cè)導(dǎo)軌直線度檢測(cè)讀數(shù)誤差δ2由估讀誤差δ21、計(jì)算方法誤差δ22、環(huán)境影響誤差δ23組成。按準(zhǔn)直儀估讀誤差為0.5”，則其估讀誤差δ21為0.0006mm。即δ2=0.6μm。

則總的檢測(cè)誤差為

即當(dāng)采用靈敏度為1''的準(zhǔn)直儀檢測(cè)導(dǎo)軌直線度時(shí)，其檢測(cè)精度高于2μm。

3? 結(jié)語

從以上分析可知，導(dǎo)軌直線度檢測(cè)精度以準(zhǔn)直儀檢測(cè)最為精確，角度檢測(cè)靈敏度為1''時(shí)，其檢測(cè)精度高達(dá)2μm;拉表法檢測(cè)精度除了與指示器精度有關(guān)外，還主要與導(dǎo)軌和大理石長(zhǎng)度及制造精度有關(guān)，當(dāng)采用精度為0.002mm的千分表配合00級(jí)大理石平尺檢測(cè)時(shí)，1000mm長(zhǎng)度導(dǎo)軌直線度檢測(cè)精度高于5μm，3000mm長(zhǎng)度導(dǎo)軌直線度檢測(cè)精度高于10μm;而水平儀檢測(cè)法精度主要與水平儀精度有關(guān)，當(dāng)采用0.02mm/1000mm的精密水平儀檢測(cè)時(shí)，其檢測(cè)精度略低于5μm。

另外，準(zhǔn)直儀檢測(cè)適宜于導(dǎo)軌直線度要求較高的長(zhǎng)導(dǎo)軌，可以同時(shí)檢測(cè)垂直面內(nèi)和水平面內(nèi)的直線度;拉表法適宜于檢測(cè)3m長(zhǎng)度以內(nèi)的導(dǎo)軌，可以分別檢測(cè)垂直面和水平面內(nèi)的直線度;水平儀檢測(cè)法精度相對(duì)較低，且只能用于垂直面內(nèi)的直線度檢測(cè)。

參考文獻(xiàn)

[1] 嚴(yán)杰文，司衛(wèi)征.大長(zhǎng)尺寸光滑精密導(dǎo)軌直線度測(cè)量[J].工程與材料科學(xué)，2013（2）：93.

[2] 和云敏.機(jī)床導(dǎo)軌直線度的檢驗(yàn)方法綜述[J].河北農(nóng)機(jī)，2016（12）：47.

[3] 吳呼玲.自準(zhǔn)直儀測(cè)量直線度誤差[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2018（4）：70-72.

[4] 戴國(guó)東.水平儀測(cè)量導(dǎo)軌直線度誤差數(shù)據(jù)的處理方法[J].科技風(fēng)，2017（8）：167-168.

[5] 馬曉峰，盧紅，張永權(quán)，等.直線導(dǎo)軌的矯直及其直線度的誤差評(píng)定[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2014（10）：226-228.

[6] 王云龍，李逸群，孫誼.基于激光準(zhǔn)直儀的導(dǎo)軌幾何誤差測(cè)量[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2017（7）：138-139.

[7].羅俊波，林松，楊甫，等.基于雙自準(zhǔn)直儀對(duì)置測(cè)量直線度的測(cè)量數(shù)據(jù)處理分析[J].機(jī)床與液壓，2017（10）：158-161.

[8] 任海濤，常文芬.精密臥式加工中心滾動(dòng)導(dǎo)軌直線度檢測(cè)方法的探討[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2018（6）：117-119.

[9] 吳麗雄.自準(zhǔn)直儀示值誤差測(cè)量結(jié)果不確定度分析[J].中國(guó)計(jì)量，2016（2）：77-78.

[10] 張正，郝靈波.淺談?dòng)每蚴剿絻x測(cè)量導(dǎo)軌直線度誤差[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2011（5）：26-27.