機床導(dǎo)軌直線度安裝檢測方法及原理分析

1

序言數(shù)控機床的制造行業(yè)，不乏國家或行業(yè)頒布的各種技術(shù)條件，這些標準文件側(cè)重在機床裝配完成后對性能的檢測考評，具體到機床裝配過程質(zhì)量的把控，更多的是靠各個機床廠家內(nèi)部工藝的控制，而再具體到零部件的安裝方法，往往只停留在有經(jīng)驗的技術(shù)人員頭腦里，那些看似簡單平常的操作，或許是決定機床質(zhì)量的關(guān)鍵。本文以線軌版數(shù)控銑床為例，把機床直線導(dǎo)軌的安裝劃分為部件本體找水平、基準軌的直線度、非基準軌對基準軌的平行度和部件組裝4個步驟，詳細闡述檢測方法及內(nèi)在原理。2

部件本體找水平研究運動，首先要選好參照物，最常見的就是笛卡爾三維直角坐標系，由于它的基礎(chǔ)是水平面，所以機床的安裝首先是找水平，工具就是水平儀。水平儀的讀數(shù)是一格水泡0.02/1000，這是1個傾斜度值，或者說是角度，兩點之間的高度差還需要乘以跨度距離。3點決定1個平面，截面形狀小、剛性較好的部件，比如立式銑床的底座，可以采用3點預(yù)調(diào)整方法快速建立水平面。3個參考點的選取原則：所在位置剛性足夠，3點連線組成的面積盡量大，優(yōu)先采用等腰三角形。最后注意適當增加3點以外的輔助支撐。長寬比很大的零件，例如龍門銑床底座，在長度方向剛性弱，不能使用3點方法。需要結(jié)合長度方向?qū)к壷本€度的安裝來完成底座找水平。水平精度值可參考GB50271—2009《金屬切削機床安裝工程施工及驗收規(guī)范》，對平面銑床的安裝規(guī)定工作臺置于行程中央，并在工作臺中央位置縱橫向放置水平儀檢測，其讀數(shù)應(yīng)≤0.04/1000；對龍門銑床預(yù)調(diào)安裝要求床身縱橫兩個方向放置水平儀，在床身導(dǎo)軌的立柱連接處、多段床身接縫處及全長兩端頭均進行檢測，其讀數(shù)應(yīng)≤0.04/1000。3

基準軌的直線度直線運動看似簡單，其實其精度在三維直角坐標系里被劃分為了6個誤差分量，分別是沿3個坐標的線性誤差和繞3個坐標的偏角誤差。用1個人走路的動作來形象概況，可劃分為：走直、走正、走準。走直：考察直線運動在與前進方向垂直的兩個方向的偏差量，即走路的高低起伏、左右移動，這一項是直線度的檢測內(nèi)容。走正：考察前進的姿態(tài)，即行進過程中身體的俯仰、偏擺和扭曲，這一項往往是被忽視的直線運動的角度偏差的檢測內(nèi)容。之所以要考慮這一項，是因為移動部件不是質(zhì)點，而是空間輪廓，“走直″是把運動質(zhì)點化，而輪廓越大，選擇不同的質(zhì)點進行檢測，得到的數(shù)據(jù)差別越大，所以需要考察前進過程中姿態(tài)是否有變化。走準：這是數(shù)控機床的特征，用數(shù)控指令落實到實際行走軌跡，通常采用雙頻激光干涉儀檢測其位置精度。機床的每個直線運動軸是通過兩個或以上導(dǎo)軌構(gòu)成，其中1個導(dǎo)軌為基準導(dǎo)軌，其余導(dǎo)軌為非基準導(dǎo)軌。機床安裝的第二步就是基準軌的直線度檢測。直線度檢測方法具體如下所述。1）大理石平尺拖表法，適合短行程。其原理是用基準直線的平行度誤差來反應(yīng)導(dǎo)軌的安裝直線度。優(yōu)點是操作方便快捷，可以連續(xù)即時讀數(shù)。2）自準直儀測量法，適合長行程。其原理是把行程分割為有限個點，以每個點上的姿態(tài)，作為運動趨勢，將所有的趨勢連成一條線，近似代表運動的曲線，再對曲線進行直線性分析。反過來可以說是在運動曲線上等距選點做切線，切線連接起來近似代表曲線。老款的自準直儀，還需要通過記錄目鏡下的讀數(shù)，再人工繪圖處理得到結(jié)果。新款的自準直儀，已經(jīng)可以在電腦上自動生成誤差曲線，得到偏差數(shù)值。有時候采用大理石平尺拖表和自準直儀測量兩種方法得到的結(jié)果會不同，如何衡量誰更準確，可以先用機體的加工方式預(yù)估安裝面引起的“走正”誤差是否不容忽視，然后看誰更單純的檢測前文所述的“走直”，誰的檢測過程更能排除“走正”的偏擺引起的讀數(shù)誤差。偏擺誤差是1個角度值，因此，檢測基準距離運動位置越遠，誤差越大。大理石平尺拖表法，因為平尺與導(dǎo)軌之間有距離，就包含了“走正”偏擺的誤差因素。這一點可以從把平尺放置到與導(dǎo)軌不同距離位置，可能檢測出不同的直線度偏差得以印證。3）水平儀測直線度。自準直儀通過光線的直線傳播、鏡面反射而獲得檢測點的運動趨勢，可以測量垂直和水平兩個方向直線度；而水平儀也可以通過地心引力引起的水泡變化，獲得行程檢測點在垂直面內(nèi)的運動趨勢。這樣，通過水平儀也可以檢測直線度在垂直方向的高低起伏的分量。水平儀的檢測精度可能受到質(zhì)疑，水平儀水泡一格0.02/1000，這是刻度分辨率，折合到角度是0.072″，按我們?nèi)庋勰芊直?.5格來計算，分辨率就是0.01/1000，折合為0.036″。對比筆者公司使用的一款自準直儀，其分辨率為0.1″，比水平儀還差，但是它通過目視鏡的細分刻度，可以讓我們分辨出0.01″的顯示分辨率；其實就類似于把水平儀的刻度，再進行10等分，用放大鏡去觀察?？梢娝絻x更多的是用讀數(shù)人的眼睛判斷精度，自準直儀顯示的分辨率相當于你要能用眼睛分辨出0.14格水泡變化，通常肉眼是達不到的。將水平儀讀數(shù)轉(zhuǎn)換為直線度，簡陋的辦法是用坐標紙，或者自己畫滿方格的紙。從紙的左邊開始，第一條豎線是起點，往右一格豎線是第一次測量水平儀的變動，再往右一格豎線，是第二個測量位置的變動，水平讀數(shù)變高一格，就按相對值往上標一格，重復(fù)操作，直到把全部位置點標出來；再把首尾點用直線連接，觀察所有測量點中，離這條首尾連線最遠的那點，量出它距離連線豎方向差幾格，在連線上下各找1個最遠點。比如結(jié)果是M、N格。然后，計算一下一格誤差：0.02/1000×跨距。最大的誤差（M＋N）×（0.02/1000×跨距）就是全行程的直線度誤差?？梢杂肊xcel電子表格，編好格式后，輸入水平儀讀數(shù)，見表1，得到直線度誤差，并畫出圖形（見圖1）。表１水平儀測直線度的數(shù)據(jù)處理圖1

直線度曲線4）平尺＋水平儀混用法。沒有自準直儀，如何測量長行程導(dǎo)軌直線度？挪動平尺逐段拖表，理論上是正確的。但是有兩個誤差疊加：①挪動平尺時，兩次的平尺位置需要有一小段重疊，因重疊部位拖表精度的一致，可將兩次平尺的位置視同1個標準的長平尺，屬于用小段距離精度延伸“借用”于長距離，等比例放大誤差。②導(dǎo)軌運動的“偏擺”直接造成拖表平尺上平面的誤差。平尺與導(dǎo)軌間距越大，誤差越大。不過，運動“偏擺”對拖表平尺立面的誤差很小。從圖2中可看出，滑塊的“偏擺”引起的A誤差很大，并且與測量距離成正比放大，而引起的B誤差較小。a）A誤差b）B誤差圖2

滑塊偏擺引起的誤差因此更好的辦法是用水平儀＋平尺混用，各取優(yōu)勢，利用水平儀測量垂直面內(nèi)的直線度；拖動平尺，測量水平面內(nèi)的直線度。測量床身安裝面的直線度時，由于加工面是精磨的剛性連續(xù)面，所以測量跨距不用太密?？梢允蔷€軌滑塊長度的數(shù)倍，這樣能提高效率。安裝線軌的時候，由于每顆螺釘?shù)乃删o都會對直線度的變化有影響，所以測量跨距要加密。用滑塊拖表平尺觀察水平面內(nèi)直線度的同時，在滑塊上沿運動方向放置水平儀，讓水平儀的讀數(shù)波動在可控范圍內(nèi)。這樣，線軌水平面內(nèi)的偏差可以直接通過線軌壓塊來調(diào)整。理論上安裝面合格，線軌合格，只要螺釘擰正了，線軌垂直面內(nèi)的偏差就應(yīng)該合格。數(shù)據(jù)上，通過觀察水平儀的讀數(shù)恒定即可。從直線導(dǎo)軌的一頭到另外一頭，直線度的兩個分量，拖表和水平儀同時讀數(shù)，一次性調(diào)整即可完成。4

非基準軌對基準軌的平行度基準導(dǎo)軌直線度合格以后，非基準導(dǎo)軌需要調(diào)試與之平行。檢測方法：①以基準軌為基準直接對非基準軌拖表，只適合小跨距。②大理石平尺拖表，適合短行程?；鶞受壓头腔鶞受壨ㄟ^拖表，均平行于大理石平尺。③采用跨越式工裝板；適合大跨距、長行程。生產(chǎn)現(xiàn)場比較常見的方式是將磁力表座緊固在基準導(dǎo)軌滑塊上，跨距較大時，通過在滑塊上固定一塊剛性板，使百分表（千分表）表針探測到非基準導(dǎo)軌上，推動滑塊直接讀數(shù)。同樣如上述分析，受到基準滑塊運動“偏擺”的影響，這種方法對垂直面內(nèi)的平行度偏差不準確。當導(dǎo)軌跨距大、基準導(dǎo)軌安裝面平面度不佳的情況下，平行度的這項誤差尤其失真。為此，在大跨距、長行程的情況下，推薦采用如圖3所示的跨越式工裝板，工裝板在基準軌滑塊上固定，在非基準軌滑塊上是浮動支撐（松動連接）；水平面內(nèi)的平行度誤差，通過拖表測量；垂直面內(nèi)的誤差，通過水平儀讀數(shù)測量。這個方法需要注意如何平穩(wěn)地推動工裝板，筆者采用一根長度稍大于導(dǎo)軌跨距的方形鋁型材，同時推基準軌和非基準軌上的兩個滑塊，整個過程不去觸碰工裝板及上面的檢測儀器。水平儀的讀數(shù)需要按跨距換算成非基準軌對基準軌的偏差。圖3

跨越式工裝板平行度測量合格后，非基準軌不用單獨去測量直線度。特殊情況：提前預(yù)估總裝之后可能出現(xiàn)的變形方向、變形量，部裝的基礎(chǔ)導(dǎo)軌給予反向彌補（牢記部裝的目標，是要讓總裝后的運動精度合格）。5

部件組裝移動部件通過多個導(dǎo)軌多個滑塊組裝后，整體移動的直線度才是向用戶交機時候的測量項目。理論上整體移動的誤差會被均化，誤差值會縮小約10%～30%。部件移動的直線度完成后，還要增加一項前文說的直線運動的“走正”，即運動姿態(tài)的檢測項目。標準中的名稱為“移動軸線的角度偏差”，即軸線運動過程中姿態(tài)的俯仰、偏擺和扭曲程度。水平儀無法測量水平面內(nèi)的扭曲，需要光學(xué)儀器，其他面內(nèi)的誤差都可以用水平儀在全行程上多點讀數(shù)獲得。在實踐中發(fā)現(xiàn)，國標規(guī)定的此項誤差是很容易達到的。引起這項誤差的源頭是兩根線軌的直線度、平行度雖然合格了，但是相互間偏差的方向有波動變化，造成部件移動過程中姿態(tài)的變化?；A(chǔ)精度做得好的