徐小韻，歐 屹，杜 坤，王 凱，王志榮

(南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，南京 210094)

0 引言

滾動直線導(dǎo)軌副是數(shù)控機床的重要功能部件，其性能對數(shù)控機床的整體性能及精度有著重要的影響[1]。中高檔滾動功能部件規(guī)?；a(chǎn)必不可少的條件之一是生產(chǎn)過程中的零件精度、性能檢測，這是高精度產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定的重要監(jiān)控手段[2]。而滑塊作為滾動直線導(dǎo)軌副的重要構(gòu)件，其滾道相對滑塊基準面的位置和平行度檢測精度的優(yōu)劣，對滾動直線導(dǎo)軌副的性能影響極大[3]。目前國內(nèi)關(guān)于滑塊的型面精度檢測，基本都是采用接觸式測量，且測量存在很多的問題，無法達到快速高效的多參數(shù)檢測。

在精度檢測儀器上，傳統(tǒng)的檢測工具是1994年李桂民[4]設(shè)計的滾動直線導(dǎo)軌副滑塊中徑檢測量具，此量具操作簡便，但是只能抽樣檢測無法滿足目前工業(yè)需求；工廠目前基本采用人工測量，即選用高精度的平板代替滑塊測量的基準面。測量滾道到基準面的位置時，先將基準面和高精度平板相貼合，然后把高精度量棒用手壓緊，與滾道充分接觸，此時量棒的圓心軸線就可以看作滾道中心線。再使用測量工具，檢測量棒的最高點到平板的距離，結(jié)合量棒的尺寸，得到滾道中心到基準面的尺寸值[5]。人工方法操作麻煩，效率低下，且測量的準確性與操作人員的操作方式有關(guān)，不符合未來工業(yè)快速化、自動化的發(fā)展的趨勢；2015年，葉飛原等參考人工測量的原理，研制出接觸式滑塊溝槽中心距檢測儀，該裝置借助接觸式傳感器，實現(xiàn)滑塊中心距的快捷檢測。但是該檢測儀基于接觸式位移傳感器的測量方法，一方面無法得到滾道的輪廓形狀，另一方面也對被測滑塊和檢測儀有一定程度的磨損。

本方案區(qū)別于現(xiàn)有的接觸式測量儀和人工測量方法，采用非接觸式激光位移傳感器，對滾道輪廓數(shù)據(jù)點進行采集與測量。在該方案的基礎(chǔ)上，完成滑塊型面精度檢測裝置的設(shè)計，實現(xiàn)滑塊滾道型面精度的快速、準確、高效測量。

1 試驗臺方案的設(shè)計

1.1 被檢測件的基本情況

根據(jù)中華人民共和國機械行業(yè)標準JB/T7154.4-2006《滾動直線導(dǎo)軌副驗收技術(shù)條件》，對單滑塊滾動直線導(dǎo)軌副驗收技術(shù)條件的精度檢驗項目主要有: ①滑塊移動對導(dǎo)軌底面基準A的平行度；②滑塊移動對導(dǎo)軌側(cè)面基準B的平行度；③滑塊頂面與導(dǎo)軌基準底面高度H的尺寸偏差；④與導(dǎo)軌側(cè)面基準同側(cè)的滑塊側(cè)面與導(dǎo)軌間距離W1[6]。

圖1 滾動直線導(dǎo)軌副(單滑塊)檢測指標示意圖

檢驗項目目前可以通過南京理工大學(xué)設(shè)計的滾動直線導(dǎo)軌副綜合精度試驗臺和滾動直線導(dǎo)軌副摩擦力精度測試儀[7]快速準確測量。但隨著滾動直線導(dǎo)軌副的廣泛使用，工業(yè)上對高精度滾動直線導(dǎo)軌副的精度要求越來越高，將導(dǎo)軌副的精度分配到各個組成構(gòu)件上，已經(jīng)成為一種必然趨勢[8]。

1.2 滑塊檢測指標

滾動直線導(dǎo)軌副通常由導(dǎo)軌、滑塊、滾動體、滾動體反向器和滾動體保持器等組成。滾動體通過安裝在滑塊兩端的反向器和滑塊內(nèi)部的回珠管道，可在滾道內(nèi)作無限循環(huán)滾動，使滑塊沿導(dǎo)軌方向運動時始終處于滾動接觸狀態(tài)，實現(xiàn)滑塊在導(dǎo)軌上的高精度滾動直線運動[5]。常規(guī)滾珠結(jié)構(gòu)滑塊形式如圖2所示。

圖2 滑塊測量指標

在滑塊主體上設(shè)計有4條滾道，為保證裝配后的導(dǎo)軌副性能和尺寸精度，滑塊滾道檢測需要控制的精度參數(shù)包括：

(1)滑塊滾道的半徑R;

(2)滑塊滾道相對基準面A和B的位置(a,b);

(3)滑塊滾道相對基準面A的平行度PA1和相對基準面B的平行度PA2。

1.3 檢測方案設(shè)計

圖3a所示為測量系統(tǒng)傳感器布局圖，圖3b為其正視圖。傳感器選擇聚焦光點型，光斑直徑很小可近似看作點激光。

(a)布局圖 (b)正視圖圖3 傳感器布局圖

本方案采用坐標測量原理與非接觸式測量原理相結(jié)合的方式，測量滑塊內(nèi)滾道相應(yīng)的精度參數(shù)。如圖3a所示，傳感器1、2、3、4(1被遮擋)固定安裝在測量架1上，測量架1沿著Y軸方向運動。圖3b為隱藏測量架1和2的傳感器正視圖，傳感器1和2激光垂直照射滑塊的側(cè)面基準，測量方向沿著X軸方向；傳感器3和4垂直照射大面基準的兩個平面，測量方向沿著Z軸方向。每個傳感器都是采集平面上一條直線的數(shù)據(jù)，滑塊的側(cè)面與大面各用兩條直線度代替平面度表征，相應(yīng)地在坐標系中建立這兩個平面。

傳感器5和6固定安裝在測量架2上，采用傾斜安裝的方式；測量架2沿著Z軸方向運動，采集滑塊內(nèi)滾道某一斜截面的數(shù)據(jù)，通過相應(yīng)的算法得到內(nèi)滾道在該斜截面的半徑與形心位置；再將傳感器5、6沿著Y軸進給一小段距離，測量下一段斜截面。對得到的一系列半徑值進行處理，得到內(nèi)滾道的半徑值。同時對得到的一系列形心位置，結(jié)合同一坐標系下側(cè)面與大面基準所表示的平面，得到內(nèi)滾道軸線相對基準面的位置與平行度。

2 檢測裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 檢測裝置整體布局

基于1.3節(jié)的測量方案，設(shè)計滾道型面測量裝置，其整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 滑塊型面精度檢測裝置總結(jié)構(gòu)圖

2.2 夾具臺設(shè)計

夾具臺是用來固定安裝待測滑塊，同時通過標定塊、標定座、標定圓柱對滑塊滾道測量進行標定，其具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 夾具臺結(jié)構(gòu)

將L型板安裝在夾具底座上，L型板與待測滑塊的大面和側(cè)面基準直接貼合，同時透過L型板上的間隙，借助標定塊實現(xiàn)滑塊基準面的標定。針對滑塊大面基準面有三個平面(圖6紅色部分)，中間平面的位置與滑塊型號相關(guān)。則傳感器3固定不動，測量靠近底部的基準面平面，傳感器4可上下移動，測量中間平面。

圖6 傳感器測量滑塊大面基準的原理示意圖

側(cè)面基準在滑塊兩端相對分布，且只有一個平面，因此不需要對其進行專用化設(shè)計。如圖7所示，在L型板底部邊緣開一定長度的方槽，考慮到L型板的支撐剛度，需要將其設(shè)計為有間距的方槽。傳感器1和2以間隙的方式岔開，先后測量滑塊的側(cè)面基準平面。

圖7 傳感器測量滑塊側(cè)面基準的原理示意圖

在L型板間隙的同側(cè)安裝有標定塊，傳感器只需要掃描一次，即可將標定塊與待測滑塊的基準面上的數(shù)據(jù)采集完成。在L型板旁安裝有標定座，標定座上固定安裝12根已知尺寸的標準圓柱。通過傳感器對標準圓柱的掃描，反向標定兩個傾斜安裝的傳感器的實際位姿。

2.3 基準面測量部件設(shè)計

在測量滾道前，需要先通過基準面測量部件，對滑塊基準面進行測量。該部件安裝在用于支撐橫梁的立臂上，當床身傳動部件帶動整體結(jié)構(gòu)移動時，該部件沿滑塊長度方向移動，采集滑塊基準面上的數(shù)據(jù)，用于在系統(tǒng)中擬合出基準面平面。為了完成基準面的測量與標定，保證后續(xù)測量數(shù)據(jù)的準確，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。

(a)側(cè)視圖 (b)三維實體模型圖8 滑塊基準面測量部件結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)L型板側(cè)面間隙的設(shè)計，為實現(xiàn)標定與測量，具體過程為：驅(qū)動電機通過聯(lián)軸器與滾珠絲杠相連，滾珠絲杠副螺母與傳感器架、傳感器移動板和傳感器依次連接，通過電機驅(qū)動傳感器4上下移動，實現(xiàn)不同規(guī)格的待測滑塊大面基準的測量。同時借助滾動直線導(dǎo)軌副行走精度高的特點，保證移動后傳感器的位置精度。當傳感器4移動到與L型板間隙和大面基準的平面對準時，通過鎖緊螺母鎖緊傳感器架。再將整個基準面測量部件沿著床身主軸方向移動，實現(xiàn)待測滑塊基準面的測量。

2.4 滾道測量部件設(shè)計

滾道測量部件安裝在橫梁傳動測量部件的安裝板上，用于采集滑塊滾道表面的數(shù)據(jù)。對于不同型號的待測滑塊，其左右滾道之間的中軸線到滾道側(cè)面的距離也在變化，相應(yīng)的滾道跨距也同樣不等。對于激光位移傳感器來說，量程范圍小的型號精度會提高，同時傳感器測量時有其參考距離，離參考距離越近精度也越高，因此盡量將傳感器的參考距離落在滑塊滾道附近，可以相應(yīng)地提高測量精度。為滿足較高精度的測量要求，設(shè)計帶兩層傳動機構(gòu)的部件。

第一層伺服機構(gòu)，用于對齊傳感器5、6中軸線與滑塊滾道中軸線，其結(jié)構(gòu)如圖9所示。其伺服機構(gòu)類似于基準面測量部件，通過伺服電機帶動滾珠絲杠驅(qū)動，滾動直線導(dǎo)軌副實現(xiàn)導(dǎo)向。

圖9 滾道測量部件第一層傳動機構(gòu)

第二層傳動機構(gòu)，將傳感器5和6相對于中軸線對稱移動，保證傳感器光斑落在滑塊滾道上，其結(jié)構(gòu)如圖10所示。

傳動絲杠選擇左右旋螺紋梯形絲杠，可以提供相反方向的對稱運動。當螺紋梯形絲杠向相反方向運動時，絲杠與螺母之間存在較大間隙，測量過程中會發(fā)生抖動，直接影響數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性。因此在左右傳感器安裝板之間布置9根拉簧，拉簧的拉力可以有效地消除絲杠產(chǎn)生的間隙，同時由于豎直方向借助于掃描標準圓柱進行定位，因此拉簧產(chǎn)生的間隙不影響豎直方向的坐標采集。

圖10 滾道測量部件第二層傳動機構(gòu)

2.5 橫梁部件設(shè)計

床身傳動部件帶動基準面測量部件沿著滑塊長度方向移動，而橫梁傳動測量部件則帶動滾道測量部件沿著滑塊高度方向移動，其結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 橫梁結(jié)構(gòu)圖

橫梁與立臂連接，電機支架固定安裝在橫梁上。出于節(jié)省空間的考慮，伺服電機與滾動直線導(dǎo)軌副倒掛安裝在電機支架上。由于橫梁部件決定滾道測量的精度，因此通過左右立臂的定位面對橫梁進行定位安裝。

2.6 床身設(shè)計

作為整個檢測裝置的底座，床身不僅對立臂和橫梁起到支撐作用，而且其結(jié)構(gòu)和精度直接影響測量結(jié)果的精度。由于大理石具有線膨脹系數(shù)小、剛性好、不磁化、易維護和保養(yǎng)等特點，因此床身選用大理石材料，其整體結(jié)構(gòu)如圖12所示。

圖12 床身結(jié)構(gòu)圖

床身上對稱布置一對滾動直線導(dǎo)軌副，且每根導(dǎo)軌上配有兩個滑塊，保證運動過程的平穩(wěn)。導(dǎo)軌副上安裝有托板，用于與左右立臂的聯(lián)結(jié)，避免測量過程中因為偏載而擺動。導(dǎo)軌副兩端裝有兩個防撞塊，防撞塊上固定有橡膠緩沖塊，避免飛車等故障時，床身上的移動部件沖出試驗臺，出現(xiàn)人員傷害和裝置嚴重損壞。

3 試驗臺的測控系統(tǒng)設(shè)計

上述的機械結(jié)構(gòu)是該檢測裝置的執(zhí)行機構(gòu)，但運動的控制、數(shù)據(jù)的采集、安全防護等都需要測控系統(tǒng)完成。試驗臺測控系統(tǒng)組成圖如圖13所示。

圖13 試驗臺測控系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

3.1 安全防護模塊設(shè)計

安全防護模塊主要用于對該裝置進行安全方面的保護，避免出現(xiàn)人員傷害或裝置嚴重損壞。限位開關(guān)選用接觸式，當部件超過限位開關(guān)所設(shè)定的位置，即將發(fā)生碰撞事故時，限位開關(guān)及時卡死，避免進一步的損壞。同時借助通過鉗制器閉合鉗制或制動，防止事故發(fā)生[9]。

3.2 滑塊夾緊控制模塊

在測量滑塊的過程中，待測滑塊需要固定在L型板上，同時由于激光位移傳感器對滑塊滾道進行掃描，為避免夾具與光路發(fā)生干涉，因此選用磁鐵吸附作為固定待測件的方式較為合適。永磁吸盤具有體積小、無需持續(xù)供電、無剩磁、表面精度很高等優(yōu)勢，因此很適合用于實現(xiàn)本裝置的夾緊功能。

3.3 基準面檢測模塊

由于本方案需要測量滑塊滾道的輪廓，因此選用點激光位移傳感器。由于keyence公司的LK-G5000系列傳感器具有高精度、高速測量以及極高的再現(xiàn)性等優(yōu)勢，因此選用型號LK-H020，具體參數(shù)見表1。

光柵尺選用HEIDENHAIN公司的直線敞開式光柵尺。其檢測范圍大、精度高、反應(yīng)速度快的優(yōu)勢，非常適合用于傳感器位置坐標的定位。

3.4 滾道檢測模塊

對于滾道測量來說，由于激光點至待測位置的距離較遠，且滾道的測量范圍較大，因此需要選用量程更大、參考距離更遠的型號LK-H050，其具體參數(shù)如表1所示。

表1 Keyence傳感器參數(shù)

4 試驗臺的精度分析與性能對比

4.1 試驗臺的精度分析

以國內(nèi)某導(dǎo)軌副滑塊#65型號的具體尺寸為例，如圖14所示。

圖14 滾動直線導(dǎo)軌副滑塊規(guī)格示意圖

對影響被測滑塊測量精度的誤差源進行列舉與計算：

(1)傳感器線性精度誤差

H050感測頭最大誤差為：Δ1=4μm

H020感測頭最大誤差為：Δ1=1.2μm

該線性度誤差表示在滿量程時，可能產(chǎn)生的最大誤差。通過對滾道檢測模塊的控制，保證待測點在測量量程一半范圍內(nèi)，此時線性度誤差也同時為最大誤差的一半：

H050感測頭誤差為：δ1=2μm

H020感測頭誤差為：δ1=0.6μm

(2)傳動導(dǎo)軌副直線度誤差

傳動導(dǎo)軌副水平面內(nèi)誤差：

δ2=L×0.2/1000

(1)

傳動導(dǎo)軌副豎直面內(nèi)誤差：

δ3=L×0.1/1000

(2)

(3)激光位移傳感器安裝偏差(余弦誤差)

δ4=H×(1-cosγ)

(3)

(4)阿貝誤差

δ5=H×(1-cosγ)

(4)

(5)光柵尺安裝偏差(余弦誤差)

δ6=L×(1-cosλ)

(5)

(6)橫梁撓度變形

橫梁在水平方向最大變形量δ7=0.078μm，豎直方向上最大變形量δ8=0.5μm。

L—導(dǎo)軌副的行程長度；H—傳感器測頭的測量范圍；γ—傳感器的安裝偏差角;λ—光柵尺的安裝偏差角。

表2 影響測量精度的具體誤差值

滑塊基準面測量部件的最大測量誤差為：

(6)

滑塊滾道測量部件的最大測量誤差為：

(7)

根據(jù)表2和式(6)、式(7)可求得，δ1max為0.718μm，δ2max為2.079μm，測量裝置的總體精度需求在5μm以內(nèi)，證明測量方案的可行性。

4.2 性能對比

在測量精度滿足要求的前提下，在性能方面與傳統(tǒng)的人工測量方式和廣東凱特的接觸式滑塊精度檢測儀相對比，突出該檢測裝置具有的獨特優(yōu)勢，具體的性能參數(shù)對比如表3所示。

表3 不同裝置的性能對比

由表3可知，該裝置在滿足要求的前提下，精度優(yōu)于現(xiàn)有裝置和人工測量。同時在性能方面，還具有以下幾點優(yōu)勢：

(1)由于本裝置采用非接觸式激光測量，激光位移傳感器掃過滑塊滾道輪廓，因此可以顯示被測滾道輪廓的具體形狀;

(2)非接觸式測量與現(xiàn)有裝置相比，不會對被測滑塊或測量儀產(chǎn)生磨損，因此設(shè)備的維護相對簡單，且不會對待測件產(chǎn)生損壞;

(3)該方案通過高精度圓棒的標定，同時在算法中實現(xiàn)對滑塊安裝位姿的補償，因此對滑塊安裝精度沒有很高要求;

(4)通過對L型板的特殊化設(shè)計，保證對不同型號的滑塊可以直接測量;

(5)該測量裝置自動化程度高，對基準面和滾道進行數(shù)據(jù)點采集之后，即可得到待測滑塊的型面精度;其它方法都需要多次測量，費時費力,而人工測量法則更加費時費力。

5 結(jié)論

本文針對當前測量方法的諸多問題，采用激光位移傳感器傾斜安裝的測量方案，并根據(jù)該方案，設(shè)計了一款非接觸式滑塊檢測裝置。該裝置采用永磁鐵吸附進行滑塊安裝，通過伺服電機與滾珠絲杠副驅(qū)動，滾動直線導(dǎo)軌副導(dǎo)向，實現(xiàn)運動的同時保證測量精度，同時借助鉗制器、限位開關(guān)等進行安全防護。該裝置在滿足測量精度需求的前提下，與現(xiàn)有的測量方式相比，其具有測量精度高、測量速度快、待測件安裝方便、對滑塊和測量裝置都不會產(chǎn)生磨損等優(yōu)勢。

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