楊炫召，葉飛原，張艷紅

（廣東高新凱特精密機(jī)械股份有限公司，廣東江門 529100）

非接觸式滾動直線導(dǎo)軌精度測量裝置*

楊炫召，葉飛原，張艷紅

（廣東高新凱特精密機(jī)械股份有限公司，廣東江門 529100）

非接觸式滾動直線導(dǎo)軌精度測量裝置主要用于滾動直線導(dǎo)軌運動精度（平直度）的檢測，同時也可以測量導(dǎo)軌溝槽到導(dǎo)軌底面的距離。對滾動直線導(dǎo)軌要測量的精度項目以及其傳統(tǒng)的測量方法作了簡單介紹，對新的非接觸式動態(tài)測量裝置的結(jié)構(gòu)原理、測量方法以及實現(xiàn)這一測量方法的機(jī)臺作了詳細(xì)說明，最后還在技術(shù)特點方面對新舊兩種方法作了比較。關(guān)鍵詞：滾動直線導(dǎo)軌；導(dǎo)軌精度;非接觸式動態(tài)測量

1 導(dǎo)軌精度主要的測量項目

直線導(dǎo)軌需要測量的精度項目主要是溝槽中心相對導(dǎo)軌底面的距離（高度H）、平行度1和平行度2，如圖1所示。高度H為在導(dǎo)軌任一橫截面上溝槽中心對導(dǎo)軌底面的距離；平行度1為在導(dǎo)軌任一橫截面上導(dǎo)軌左右溝槽中心連線對導(dǎo)軌底面的平行度；平行度2為沿導(dǎo)軌縱向方向上溝槽中心線對導(dǎo)軌底面的平行度。

2 導(dǎo)軌精度的普通測量方法

圖1 直線導(dǎo)軌的精度

測量導(dǎo)軌上述精度的普通方法是把導(dǎo)軌裝夾在檢測平板的夾具上，測量時套上基準(zhǔn)滑塊或在導(dǎo)軌左右兩側(cè)溝槽放置量棒并用手按緊然后在檢測平板上移動表座進(jìn)行測量。要測量導(dǎo)軌一個橫截面的高度和平行度1需在檢測平板上沿導(dǎo)軌橫截面方向移動表座測量滑塊頂面3個點的位置或兩量棒最高點。沿導(dǎo)軌縱向移動基準(zhǔn)滑塊和表座，用同樣的方式測量每一截面位置的高度和平行度1，綜合每一截面位置高度的最大最小值便可得出導(dǎo)軌的平行度2。這種測量方法的缺點在于：

（1）需要在檢測平板上裝夾導(dǎo)軌和移動表座，工作量和勞動強(qiáng)度都很大，檢測效率極低；

（2）測量誤差大，檢測平板、導(dǎo)軌夾具以及表座的接觸面容易磨損和變形，檢測平板和導(dǎo)軌夾具的誤差需要頻繁地進(jìn)行校對測量；

（3）檢測平板和導(dǎo)軌夾具由于容易磨損而經(jīng)常需要修復(fù)和維護(hù)，檢測成本高。

3 非接觸式檢測裝置的測量原理

非接觸式測量裝置的原理結(jié)構(gòu)為：在基準(zhǔn)滑塊上固定一個支架，支架上安裝兩個非接觸式測頭，組成基準(zhǔn)滑塊測量組件。兩個非接觸式測頭A、B分別用于測量導(dǎo)軌底面左右兩邊位置，測頭與導(dǎo)軌底面不接觸，為非接觸式測量。測量時先將基準(zhǔn)滑塊測量組件套入基準(zhǔn)導(dǎo)軌校對傳感器的初始值（基準(zhǔn)導(dǎo)軌溝槽中心線相對導(dǎo)軌底面的距離（高度H）及平行度1為已知），然后將基準(zhǔn)滑塊測量組件套進(jìn)被測導(dǎo)軌?；鶞?zhǔn)滑塊套進(jìn)被測導(dǎo)軌后，若被測導(dǎo)軌的高度和平行度1與基準(zhǔn)導(dǎo)軌不一致，將引起基準(zhǔn)滑塊相對導(dǎo)軌底面高度距離產(chǎn)生變化以及滑塊繞導(dǎo)軌縱向軸線產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。基準(zhǔn)滑塊與固定在其上的支架和非接觸式測頭組成的是剛性組件，基準(zhǔn)滑塊相對導(dǎo)軌底面的尺寸變化可以由兩個非接觸式測頭檢測出來。根據(jù)兩測頭在被測導(dǎo)軌測量值與在基準(zhǔn)導(dǎo)軌初始測量值的相對變化以及基準(zhǔn)導(dǎo)軌已知的高度距離和平行度1便可計算出被測導(dǎo)軌的高度和平行度1。計算方法如下：假設(shè)基準(zhǔn)導(dǎo)軌的高度為H，平行度1為PAL1，基準(zhǔn)滑塊測量組件套入基準(zhǔn)導(dǎo)軌校對時兩傳感器的初始測量值分別為A0、B0，基準(zhǔn)滑塊測量組件套入被測導(dǎo)軌某一位置時兩傳感器的測量值分別為A1、B1，則被測導(dǎo)軌在該位置的高度和平行度1分別為：

沿導(dǎo)軌縱向在全長范圍以一定的距離間隔移動基準(zhǔn)滑塊測量組件進(jìn)行測量可得到每個測量位置的測量值：A1，A2，A3，…，An；B1，B2， B3，…，Bn。依據(jù)上述計算方法可以得到導(dǎo)軌各測量位置的高度和平行度1：

根據(jù)各位置的測量值可以計算和綜合評定被測導(dǎo)軌的高度、平行度1和平行度2：

取各測量位置高度測量值絕對值的最大值為被測導(dǎo)軌的高度值：

h=max(bas(h1)，bas(h2)，bas(h3)，…，bas(hn))

取各測量位置平行度1測量值絕對值的最大值為被測導(dǎo)軌的平行度1：

pal1=max(bas(pal11)， bas(pal12)，bas(pal13)，…，bas(pal1n))

所有位置高度測量值的最大值與最小值之差為被測導(dǎo)軌的平行度2：

4 檢測裝置的實現(xiàn)

為實現(xiàn)這一測量方法，需要設(shè)計相應(yīng)的檢測機(jī)臺。如圖2所示，檢測機(jī)分成兩個臺架（主要是考慮導(dǎo)軌檢測時搬運和裝夾的便利性），每個臺架都有兩路相同的檢測機(jī)構(gòu)，均為步進(jìn)電機(jī)加同步帶驅(qū)動測量頭的結(jié)構(gòu)方式。在臺架的一頭有用于固定過渡導(dǎo)軌的區(qū)域，該區(qū)域裝有連接板和導(dǎo)軌定位塊。導(dǎo)軌定位塊用于安裝過渡導(dǎo)軌和定位被測導(dǎo)軌，被測導(dǎo)軌放上檢測臺架后通過定位塊的約束能迅速對齊過渡導(dǎo)軌，以便于標(biāo)準(zhǔn)滑塊順利進(jìn)入被測導(dǎo)軌或從被測導(dǎo)軌退回過渡導(dǎo)軌。換型號時導(dǎo)軌定位塊隨過渡導(dǎo)軌一同更換。過渡導(dǎo)軌用于測量前和測量后標(biāo)準(zhǔn)滑塊的承接，過渡導(dǎo)軌同時也是標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌，以便于傳感器的校對。每路檢測機(jī)構(gòu)都有一根導(dǎo)向?qū)к墸瑢?dǎo)向?qū)к売袃蓚€作用：（1）是用于裝夾被測導(dǎo)軌時的導(dǎo)向；（2）是測量時的導(dǎo)向。非接觸測量電箱安裝在導(dǎo)向?qū)к壍幕瑝K上，測量時讓非接觸測量電箱跟隨測頭模塊一同運動。導(dǎo)向?qū)к壍幕瑝K上還裝有支承機(jī)構(gòu)，支承機(jī)構(gòu)的作用是便于被測導(dǎo)軌的裝夾以及測量過程的支撐，支承機(jī)構(gòu)的動作由軟件進(jìn)行控制。檢測機(jī)工作時，所有校對傳感器、驅(qū)動、采集數(shù)據(jù)、返回、數(shù)據(jù)處理等一系列動作和過程均由安裝在工控機(jī)上的軟件來完成。

圖2 測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖

5 檢測裝置的技術(shù)特點

本測量裝置主要的技術(shù)特點有以下幾點。

（1）采用基準(zhǔn)滑塊測量組件沿導(dǎo)軌運動進(jìn)行測量的模式，位移傳感器與基準(zhǔn)滑塊組成剛性測量組件，在測量組件沿導(dǎo)軌運動過程中測量基準(zhǔn)滑塊相對導(dǎo)軌底面的尺寸變化，實現(xiàn)導(dǎo)軌高度及兩平行度的測量。采用這種測量模式的好處在于不用將導(dǎo)軌在檢測平臺上用螺釘固定。一根導(dǎo)軌大約有60個安裝孔，在檢測平板上拆裝60根螺釘是相當(dāng)耗時的。本測量裝置不用在檢測平板上裝夾導(dǎo)軌，因而可以極大地提高測量的效率。

（2）采用非接觸測量方式。本裝置所使用的非接觸測量方式是利用氣電傳感器將測頭與導(dǎo)軌底面間隙的位移量轉(zhuǎn)換成電信號，再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將模擬的電信號數(shù)字化，從而實現(xiàn)非接觸測量。氣電傳感器的分辨率很高，可達(dá)0.5微米，線性0.5%F.S。與接觸式測量相比較，非接觸式測量沒有接觸式測量所具有的機(jī)械誤差和反向間隙誤差，受振動的影響也比接觸式測量小得多，因而非接觸測量的穩(wěn)定性相對接觸式測量要高。

本測量裝置結(jié)構(gòu)簡單，測量精度高，穩(wěn)定性好，易于進(jìn)行自動化測量。通過自動控制可以檢測導(dǎo)軌任意位置的精度，比在檢測平板上用螺釘鎖緊導(dǎo)軌然后手工移動表座逐點測量的方式要先進(jìn)得多，檢測導(dǎo)軌的位置數(shù)目也是手動移動表座逐點測量的方式所無法比擬的。由于不用在檢測平板上擰螺釘裝夾導(dǎo)軌以及不用手工移動表座逐點測量，因而本測量裝置的應(yīng)用可以大幅降低檢測人員的勞動強(qiáng)度。另外，由于本測量裝置不用檢測平板，因而可以免去檢測平板的維護(hù)，也在一定程度上降低了檢測成本。

6 結(jié)束語

本測量裝置使用非接觸式動態(tài)測量滾動直線導(dǎo)軌運動精度，極大地提高了導(dǎo)軌運動精度的檢測精度和檢測效率，實現(xiàn)了滾動直線導(dǎo)軌精度檢測從手工到自動化、從傳統(tǒng)到信息化、從低效到高效的技術(shù)轉(zhuǎn)變，可以說是滾動直線導(dǎo)軌運動精度檢測的一項大技術(shù)革新，是直線導(dǎo)軌運動精度檢測技術(shù)發(fā)展的一個里程碑。

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［4］羅伯特,愛德蒙得三世著，伍抗逆、王穎整理并翻譯.氣動量儀由來、測量原理及其應(yīng)用［EB/OL］. http：//wenku.baidu.com/2010.

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The Precision Measuring Device for the Linear Rolling Guide with the Non Contact Type

YANG Xuan-zhao，YE Fei-yuan，ZHANG Yan-hong
（Guangdong GAOXIN Height Precision Machinery Co.，Ltd，Jiangmen529100，China）

This paper describes the precision measuring device for the linear rolling guide with the non-contact type is mainly used for the precision(flatness)detection with the motion of the linear rolling guides， but also can measure the distance between the groove and bottom surface of the linear rolling guide.This paper is briefly introducing the precision project and its traditional measurement methods of the linear rolling guide，and makes the explain in details for the new non-contact measuring principle dynamic structure of the device，the measurement methods and this machine，finally it also compares the technical features both about the old and new methods.

the linear rolling guide；precision；non-contact dynamic measurement

TG502.31

A

1009－9492(2014)07－0005－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.07.002

楊炫召，男，1971年生，廣東新會人，大學(xué)本科，工程師。研究領(lǐng)域：滾動直線導(dǎo)軌副精度檢測和性能測試技術(shù)。已發(fā)表論文2篇。

(編輯：阮 毅)

*2012年國家重大專項（編號：2012ZX04002021-06）

2014－04－22