劉福文 馬 定 李天驕

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直線導(dǎo)軌測(cè)量平臺(tái)的設(shè)計(jì)與制造

劉福文 馬 定 李天驕

（大連德欣新技術(shù)工程有限公司 遼寧大連 116033）

介紹了直線導(dǎo)軌測(cè)量平臺(tái)的測(cè)量功能、特點(diǎn)和測(cè)量原理、機(jī)械系統(tǒng)和電氣測(cè)控系統(tǒng)；直線導(dǎo)軌測(cè)量平臺(tái)的操作流程、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)和驗(yàn)收?qǐng)?bào)告。闡述了大理石測(cè)量平臺(tái)的結(jié)構(gòu)、精度以及測(cè)量平臺(tái)的支撐和直線導(dǎo)軌測(cè)量平臺(tái)電氣系統(tǒng)各硬件參數(shù)和軟件；論述了直線導(dǎo)軌測(cè)量平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)、測(cè)量平臺(tái)電控系統(tǒng)原理圖及驗(yàn)收?qǐng)?bào)告；為直線導(dǎo)軌測(cè)量平臺(tái)的設(shè)計(jì)、制造提供了參考。

測(cè)量平臺(tái) 測(cè)量原理 大理石 測(cè)控系統(tǒng)

1 直線導(dǎo)軌測(cè)量平臺(tái)的測(cè)量功能

直線導(dǎo)軌測(cè)量平臺(tái)對(duì)導(dǎo)軌全長(zhǎng)上進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢查，并將每項(xiàng)技術(shù)參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)值比較，進(jìn)行合格判定。如圖1所示，具體的測(cè)量任務(wù)：

（1）確定全長(zhǎng)上，最大直線度的數(shù)值（ht），并指出其位置。

（2）確定全長(zhǎng)上，每1 m長(zhǎng)的最大直線度的數(shù)值，并指出其位置。

（3）確定全長(zhǎng)上，每300 mm最彎曲的突出縫隙的直線度的數(shù)值（hs），并指出其位置。

（4）確定直線導(dǎo)軌兩端頭在300 mm長(zhǎng)的區(qū)域的端升和端縫的數(shù)值。

（5）確定全長(zhǎng)上最大扭曲度的數(shù)值，并指出其位置。

圖1 直線導(dǎo)軌在測(cè)量平臺(tái)上安放時(shí)的示意圖

1.1 直線導(dǎo)軌檢測(cè)扭曲度的定義和檢測(cè)

直線導(dǎo)軌檢測(cè)的扭曲度是導(dǎo)軌底面朝下時(shí)，導(dǎo)軌僅有自重時(shí)上平面的兩側(cè)棱邊的高度差。

下圖2所示，為直線導(dǎo)軌扭曲度檢測(cè)示意圖。扭曲度值由探測(cè)頭T2和探測(cè)頭T3所測(cè)數(shù)值確定。

扭曲度：T=|T3-T2|

圖2 直線導(dǎo)軌扭曲度檢測(cè)

1.2 直線導(dǎo)軌檢測(cè)的直線度的定義和檢測(cè)

直線導(dǎo)軌的檢測(cè)有兩種情形；一種是圖3所示的情形，即底面朝下直線導(dǎo)軌僅有自重時(shí)，導(dǎo)軌側(cè)面探測(cè)頭T1檢測(cè)的直線度數(shù)值和導(dǎo)軌上面探測(cè)頭T2檢測(cè)的直線度數(shù)值。另一種是圖4所示的情形，即側(cè)棱邊朝下直線導(dǎo)軌底面無自重時(shí)，導(dǎo)軌上面探測(cè)頭T2檢測(cè)的側(cè)棱邊直線度數(shù)值和探測(cè)頭T1檢測(cè)的直線度數(shù)值。

圖3 上面和側(cè)面直線度、扭曲度檢測(cè)

圖4 底面、愣邊直線度檢測(cè)

1.3 兩端頭在300 mm長(zhǎng)的區(qū)域的端升和端縫的定義和檢測(cè)的意義

兩端頭在300 mm長(zhǎng)的區(qū)域，向上彎曲的為端升；向下彎曲的為端縫。由于直線導(dǎo)軌在加工時(shí)，無論是粗加工軋制后，還是在熱處理后的精加工磨削前，直線導(dǎo)軌兩端頭彎曲變形的校直是很困難的，所以在直線導(dǎo)軌的檢測(cè)時(shí)，兩端頭的端升和端縫檢測(cè)，作為重要兩項(xiàng)檢測(cè)內(nèi)容，進(jìn)行檢測(cè)。

2 直線導(dǎo)軌測(cè)量平臺(tái)的特點(diǎn)

直線導(dǎo)軌測(cè)量平臺(tái)，可以應(yīng)用到不同規(guī)格、不同系列的導(dǎo)軌直線度和扭曲度檢測(cè)；其測(cè)量工作原理和設(shè)計(jì)方法，不僅適用于軋制直線導(dǎo)軌的檢測(cè)，而且適合于磨削后的高精度的直線導(dǎo)軌的檢測(cè)。

（1）操作省力簡(jiǎn)便、效率高。一次操作便可完成多種功能的技術(shù)參數(shù)的綜合測(cè)量。

（2）由于采用了Heidenhan、Renishaw、Solartron的多項(xiàng)傳感新技術(shù)，使得采集數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確迅速、可靠穩(wěn)定，測(cè)量平臺(tái)的使用壽命更長(zhǎng)。

（3）使用工控機(jī)，使得測(cè)量參數(shù)的設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、坐標(biāo)值計(jì)算、變換以及測(cè)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；裝載了LabVIEW軟件，使得測(cè)量結(jié)果和表格，清晰的呈現(xiàn)在顯示屏上。

3 直線導(dǎo)軌測(cè)量平臺(tái)的機(jī)械和電氣測(cè)控系統(tǒng)

3.1 直線導(dǎo)軌測(cè)量平臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)

直線導(dǎo)軌測(cè)量平臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)主要分測(cè)頭、定位柵尺、大理石平臺(tái)、平臺(tái)支撐、導(dǎo)軌夾具共5部分。見圖5所示。

圖5 直線導(dǎo)軌測(cè)量平臺(tái)組成圖

測(cè)頭測(cè)量部分由Heidenhan水平探測(cè)頭T1、 Solartron豎直探測(cè)頭T2、T3的豎直移動(dòng)機(jī)構(gòu)和導(dǎo)軌滑塊水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。

大理石平臺(tái)部分由天然大理石平臺(tái)和高精度直線導(dǎo)軌組成。為了安裝夾具，在大理石平臺(tái)上鑲嵌不銹鋼T型槽。天然理石平臺(tái)按《GB/T20428-2006巖石平板》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制作。有精度高、不扭曲、不損傷工件、硬度高、變形小、不銹蝕的特點(diǎn)。

平臺(tái)支撐部分由5條金屬支腿組成。為使得理石平臺(tái)變形最小，主支撐點(diǎn)按照白塞爾定律分布[1]；其余各個(gè)支撐點(diǎn)僅起輔助支撐作用。見圖6所示底面支撐點(diǎn)位置示意圖。

圖6 底面支撐點(diǎn)位置示意圖

3.2 直線導(dǎo)軌測(cè)量平臺(tái)電氣測(cè)控系統(tǒng)

3.2.1 測(cè)量平臺(tái)硬件及其電氣控制原理

測(cè)量平臺(tái)硬件系統(tǒng)主要由工控機(jī)、電腦顯示器、低壓配電部分組成。工控機(jī)是測(cè)量平臺(tái)的核心控制單元以及實(shí)現(xiàn)測(cè)量功能的關(guān)鍵部件，工控機(jī)要與測(cè)量平臺(tái)所使用的其他硬件和LabVIEW運(yùn)行程序相適應(yīng)，工控機(jī)選用Advantech IPC-610L，主要配置有Intel Core i5-2400 CPU @ 3.3GHz、DDR3 4GB內(nèi)存、SATA HDD 500GB硬盤、4×USB 3.0（用于連接Solartron USBIM接口模塊）和4×RS-232/422/485串口擴(kuò)展I/O接口;顯示器選用AOC 1680 x 1050像素、21英寸高清寬屏顯示器;低壓配電部分選用Schneider元件和MISUMI啟動(dòng)按鈕。

測(cè)量平臺(tái)其他硬件還有1套鐳射薄層光柵尺和讀頭T1030-RTLC構(gòu)成的路徑線性編碼系統(tǒng)，Renishaw完成直線導(dǎo)軌長(zhǎng)度上的記數(shù)功能。探測(cè)頭T1,行程范圍30，完成直線導(dǎo)軌無重時(shí)的全長(zhǎng)上的直線度檢測(cè)。人工選擇測(cè)量任務(wù)并輸入直線導(dǎo)軌相關(guān)參數(shù)，將傳感器放置在直線導(dǎo)軌測(cè)量起始端，按下啟動(dòng)/停止按鈕向工控機(jī)發(fā)出測(cè)量采樣開始指令，隨著路徑傳感器讀數(shù)頭采樣數(shù)值的遞增，每1 mm（STEP_SIZE可設(shè)定）執(zhí)行一次探測(cè)頭T1、探測(cè)頭T2、探測(cè)頭T3的原始數(shù)值采樣記錄、人工從右向左勻速推動(dòng)測(cè)量滑臺(tái)直至直線導(dǎo)軌測(cè)量結(jié)束端，再次按下啟動(dòng)/停止按鈕，一次測(cè)量任務(wù)完成。

工控機(jī)首先實(shí)時(shí)采集各個(gè)傳感器的反饋數(shù)值并存儲(chǔ)，形成一個(gè)以路徑數(shù)值為橫坐標(biāo)X以探測(cè)頭T1、探測(cè)頭T2、探測(cè)頭T3為縱坐標(biāo)Y的原始數(shù)值坐標(biāo)系，然后根據(jù)直線度的定義分別給各個(gè)300 mm、1 000 mm以及全長(zhǎng)上的直角坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)做轉(zhuǎn)換運(yùn)算，最后應(yīng)用回歸分析法對(duì)最終數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，求出直線度、扭曲度和其他檢測(cè)項(xiàng)目數(shù)值，并與工藝要求的各項(xiàng)公差數(shù)值進(jìn)行比較且作出結(jié)果判斷，并以*.txt和*.png的形式輸出并存儲(chǔ)測(cè)量結(jié)果、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、表格和曲線，也可選擇連接打印機(jī)將測(cè)量存檔文件打印出來。

3.2.2 操作系統(tǒng)及軟件

操作系統(tǒng)：本次測(cè)量平臺(tái)采用微軟Windows 7旗艦版 service pack1 操作系統(tǒng)

軟件平臺(tái)：本次測(cè)量平臺(tái)采用NI公司的labview 2011sp1軟件平臺(tái)，通過USB通訊接口和傳感器數(shù)據(jù)采集模塊連接。

軟件工作原理：操作工按下啟動(dòng)按鈕，向工控機(jī)發(fā)出采集數(shù)據(jù)指令，根據(jù)光柵尺每移動(dòng)一毫米采集一次數(shù)據(jù)的原理采集所需數(shù)據(jù)。

4 直線導(dǎo)軌測(cè)量平臺(tái)的操作流程

直線導(dǎo)軌測(cè)量平臺(tái)的操作流程，如圖7所示。

圖7 導(dǎo)軌測(cè)量平臺(tái)的操作流程圖

5 直線導(dǎo)軌測(cè)量平臺(tái)的驗(yàn)收

5.1 直線導(dǎo)軌測(cè)量平臺(tái)的驗(yàn)收及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

直線導(dǎo)軌測(cè)量平臺(tái)的驗(yàn)收實(shí)質(zhì)是對(duì)其檢定即對(duì)測(cè)量平臺(tái)的性能（準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性、靈敏度等）的評(píng)定[1]；并確定其是否合格所進(jìn)行的全部工作。驗(yàn)收的主要對(duì)象是測(cè)量平臺(tái)。由于國(guó)內(nèi)沒有相關(guān)的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，特別是測(cè)量平臺(tái)精度、穩(wěn)定性的驗(yàn)收，參照并執(zhí)行博世-力士樂的《Booklet 10 Capability of Measurement and Test Processes》相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

測(cè)量平臺(tái)的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)主要有兩項(xiàng)內(nèi)容：

第一項(xiàng)是對(duì)直線導(dǎo)軌測(cè)量平臺(tái)平面度的檢定和高精度水平直線導(dǎo)軌副的精度檢定；第二項(xiàng)是對(duì)直線導(dǎo)軌測(cè)量平臺(tái)的精度、穩(wěn)定性，進(jìn)行分析檢定。

5.1.1 直線導(dǎo)軌測(cè)量平臺(tái)平面度和高精度

直線導(dǎo)軌測(cè)量平臺(tái)平面度的檢定，使用數(shù)字電子水平儀（精度0.001）如圖8所示。對(duì)平臺(tái)的縱向和橫向的平面度進(jìn)行檢定，按照《中華人民共和國(guó)國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程-平板》JJG 117-2005的平板平面度要求，進(jìn)行測(cè)量采樣，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)處理并判斷是否合格。

圖8 平臺(tái)平面度檢定

高精度水平直線導(dǎo)軌副精度的檢定，使用大理石測(cè)量尺（O級(jí)）和千分表進(jìn)行，如圖9所示。

圖9 直線導(dǎo)軌副精度的檢定

5.1.2 直線導(dǎo)軌測(cè)量平臺(tái)精度、穩(wěn)定性檢定

a)重復(fù)性（Repeatability）EV值（ Equipment Variation）檢定。

b)可能的能力指數(shù)Cg（Potential capabilityIndex)檢定。

c)關(guān)鍵的能力指數(shù)Cgk (Critical capability index)檢定。

所謂重復(fù)性即測(cè)量平臺(tái)的隨機(jī)誤差占設(shè)計(jì)誤差的比例，即：重復(fù)性（Repeatability）＝EV／TR, EV值＝Sg, Sg,為測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差,TR=T /6,T為被檢查的工件設(shè)計(jì)誤差。

則重復(fù)性:（Repeatability）= EV／TR= 6 Sg/T。

能力指數(shù):Cg＝0.2T/6 Sg;

關(guān)鍵的能力指數(shù):CgK＝(0.1T－|-Xm| ) /3 Sg，為測(cè)量值均值也稱系統(tǒng)誤差，Xm為設(shè)計(jì)公稱均值。檢測(cè)的樣本N＝50。即要對(duì)樣件反復(fù)進(jìn)行50次檢測(cè)，以確定能力指數(shù)Cg值和關(guān)鍵的能力指數(shù)CgK值。

5.2 直線導(dǎo)軌測(cè)量平臺(tái)的驗(yàn)收?qǐng)?bào)告

驗(yàn)收?qǐng)?bào)告對(duì)具體的測(cè)量任務(wù)中的每一項(xiàng)數(shù)據(jù)，都要分析和判定，即：

（1）全長(zhǎng)上，最大直線度的數(shù)值（ht）。

（2）全長(zhǎng)上，每1 m的最大直線度的數(shù)值的Cg值和CgK值。

（3）全長(zhǎng)上，每300 mm最彎曲的突出縫隙的直線度的數(shù)值（hs）的Cg值和CgK值。

（4）直線導(dǎo)軌兩端頭在300 mm長(zhǎng)的區(qū)域的端升和端縫的數(shù)值Cg值和CgK值。

（5）全長(zhǎng)上最大扭曲度數(shù)值的Cg值和CgK值。

結(jié)語(yǔ)

本直線導(dǎo)軌測(cè)量平臺(tái)的設(shè)計(jì)和制造，參考和借鑒了國(guó)外技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。應(yīng)用天然大理石硬度高、變形小和不損傷工件的特性，以及Renishaw鐳射薄層光柵和讀數(shù)頭線性編碼系統(tǒng)、Solartron Orbit3模塊技術(shù)、計(jì)算機(jī)采樣、LabVIEW軟件的計(jì)算統(tǒng)計(jì)技術(shù)，不僅適用于直線導(dǎo)軌單品種、單項(xiàng)技術(shù)參數(shù)的檢測(cè)，而且適用于系列品種和多項(xiàng)技術(shù)參數(shù)的檢測(cè)，同時(shí)效率高、具有靈活性和廣泛的適用性；對(duì)國(guó)內(nèi)同類測(cè)量平臺(tái)的設(shè)計(jì)與制造，具有參考意義。

[1] 花國(guó)梁,王旭蘊(yùn),丁佰炬等.機(jī)械精密測(cè)量技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社,1985.

[2] Quality Management in the Bosch GroupTechnical Statistics:Booklet 10 –Capability of Measurement and Test Processes[S].Edition 05,Bosch Group,2010.