江蘇省計(jì)量科學(xué)研究院

0 引言

直線度是機(jī)械零件上各種要素中最常見的一種要素，直線度誤差的測(cè)量是形狀誤差測(cè)量中最基本的一項(xiàng)測(cè)量。

直線度誤差的定義是“被測(cè)實(shí)際輪廓線對(duì)理想直線的變動(dòng)量”。在實(shí)際檢測(cè)中，“與理想要素比較原理”應(yīng)用較多，常采用精密加工形成的刃、棱、導(dǎo)軌、平面或拉緊的細(xì)鋼絲等做為標(biāo)準(zhǔn)直線，這類標(biāo)準(zhǔn)直線通?？缍缺容^小，不適于對(duì)大型長導(dǎo)軌進(jìn)行測(cè)量。也有利用幾何光學(xué)原理制成的準(zhǔn)直類儀器的光軸來做“標(biāo)準(zhǔn)直線”的，這類儀器在實(shí)際使用中，超過一定的長度（極限為幾十米）就變得很不穩(wěn)定，同樣也解決不了超長導(dǎo)軌直線度的測(cè)量問題。

本文利用光電自準(zhǔn)直儀加反射鏡的方法，采用分段拼接技術(shù)，能很好地解決超長導(dǎo)軌直線度的測(cè)量問題。

1 工作原理

傳統(tǒng)的用光電自準(zhǔn)直儀測(cè)量導(dǎo)軌直線度的工作原理如下：將自準(zhǔn)直儀置于被測(cè)零件之外的基座上，反射鏡安放在跨距適當(dāng)?shù)臉虬迳?，橋板置于被測(cè)導(dǎo)軌上，如圖1所示。測(cè)量時(shí)，先記下反射光點(diǎn)的位置，然后將反射鏡沿被測(cè)導(dǎo)軌按一定間距移動(dòng)，若反射光點(diǎn)的位置沒有變化，則導(dǎo)軌的直線度為零，若反射光點(diǎn)的位置有變化，則通過計(jì)算可以得到導(dǎo)軌的直線度誤差。

常用的直線度誤差有兩端點(diǎn)連線法和最小區(qū)域法兩種評(píng)定方法。

傳統(tǒng)方法的測(cè)量距離通常不大，已知儀器的測(cè)量極限大約有幾十米，對(duì)更長的導(dǎo)軌就可以按照分段拼接技術(shù)來加以解決，具體的做法是把反射鏡與自準(zhǔn)直儀都裝在磁性表座上，光電自準(zhǔn)直儀下面和反射鏡下面的橋板完全一致，先把反射鏡和自準(zhǔn)直儀靠在一起，置于被測(cè)導(dǎo)軌上，將自準(zhǔn)直儀固定在導(dǎo)軌上，將其示值置零，接著把反射鏡沿導(dǎo)軌前移步距L后固定到導(dǎo)軌上，記下此時(shí)的X和Y方向上的角度偏移(dx1，dy1)；然后把自準(zhǔn)直儀前移到靠近反射鏡處固定在導(dǎo)軌上，將其示值置零，接著把反射鏡沿導(dǎo)軌前移步距L后固定到導(dǎo)軌上，記下此時(shí)的X和Y方向上的角度偏移(dx2，dy2)；重復(fù)以上過程，直到經(jīng)過第n個(gè)步距L后記下此時(shí)的X和Y方向上的角度偏移（dxn，dyn）。

圖1 傳統(tǒng)直線度測(cè)量

圖2 分段拼接工作原理

2 系統(tǒng)的組成

目前光電自準(zhǔn)直儀的主要生產(chǎn)廠家有德國、美國、英國和日本等國企業(yè)，準(zhǔn)確度較高的有德國生產(chǎn)的EC-3000光電自準(zhǔn)直儀，其準(zhǔn)確度在20''之內(nèi)是±0.1''，在±1 000''范圍內(nèi)為±0.25''，儀器采用高分辨力CCD相機(jī)，帶有RS-232接口，最大工作距離為25 m。

3 實(shí)例計(jì)算

以對(duì)跨度為1 000 mm， 50 m的長導(dǎo)軌進(jìn)行分段測(cè)量為例，得到如表1所示的結(jié)果。

表1 測(cè)試結(jié)果

與原始位移圖（見圖3）相比，采用端點(diǎn)連線法（見圖4）進(jìn)行評(píng)定，計(jì)算得到X方向直線度為0.0412 mm，Y方向直線度為0.040 9 mm。

計(jì)算方法是把所有點(diǎn)繞第0點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，使最后一點(diǎn)與第0點(diǎn)等高，分別找出最高點(diǎn)和最低點(diǎn)，則端點(diǎn)連線法的直線度誤差就是該最高點(diǎn)和該最低點(diǎn)之間的高度差。

圖3 原始位移

圖4 端點(diǎn)連接法

采用最小區(qū)域法（見圖5）進(jìn)行評(píng)定，計(jì)算得到X方向直線度為0.038 5 mm，Y方向直線度為0.035 6 mm。

計(jì)算方法是把所有點(diǎn)繞第0點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，使所有的點(diǎn)出現(xiàn)低高低或高低高的情況，則最小區(qū)域法的直線度誤差就是該最高點(diǎn)和最低點(diǎn)之間的高度差。

圖5 最小區(qū)域法

圖5中所示的X方向?yàn)榈湫偷牡透叩同F(xiàn)象，即兩最低點(diǎn)等高，最高點(diǎn)在兩低點(diǎn)之間。Y方向?yàn)榈湫偷母叩透攥F(xiàn)象，即兩最高點(diǎn)等高，最低點(diǎn)在兩高點(diǎn)之間。這兩種情況都符合最小區(qū)域法的判定準(zhǔn)則。

4 結(jié)語

用光電自準(zhǔn)直儀可以測(cè)量導(dǎo)軌的直線度，采用拼接技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)超長導(dǎo)軌的直線度測(cè)量，通過旋轉(zhuǎn)可以快速計(jì)算端點(diǎn)連線法和最小區(qū)域法的直線度誤差。將測(cè)量方法進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)可以大大拓展傳統(tǒng)方法的測(cè)量極限。

[1]劉偉.發(fā)射筒內(nèi)導(dǎo)軌直線度測(cè)量方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006.

[2]張善鍾，于瀛潔，張之江.直線度平面度測(cè)量技術(shù)[M].北京：中國計(jì)量出版社，1997.

[3]張?zhí)┎?機(jī)床長導(dǎo)軌直線度的測(cè)量與評(píng)定[J].制造技術(shù)與機(jī)床，1995（7）：18-20.

[4]陳東生，田新宇.中國高速鐵路軌道檢測(cè)技術(shù)發(fā)展[J].鐵道建筑，2008（12）：82-86.

[5]寧延平，劉戰(zhàn)峰.國內(nèi)外高精度直線度測(cè)量技術(shù)的研究現(xiàn)狀[J].現(xiàn)代制造工程，2005，30（6）：82-84.

[6]柳常清，宋慶，孫占文，等.雙PSD實(shí)現(xiàn)長直導(dǎo)軌四自由度測(cè)量的新方法[J].光學(xué)儀器，2013，3（56）：26-30.

[7]胡長德，陸加海，幸褀，等.基于激光干涉的長導(dǎo)軌直線度誤差測(cè)量[J].光學(xué)儀器，2008，30（6）：10-15.