步距规检测数控机床直线轴的技术研究.pdf

工艺与检测 步距规检测数 控机床直线轴 的技术研究 田俊成① 梁熠葆② 唐 军① 李潇冰① 陕西工业职业技术学院校办工厂 成阳机床厂 ， 陕西 成阳 7 1 2 0 0 0 ； ② 陕西工业职业技术学院科研处， 陕西 成阳 7 1 2 0 0 0 摘要 针对数控机床直线轴 以下简称直线轴 的几种检测方法， 重点介绍 了用双测头法 或多测头法 配 合步距规 ， 检测大于步距规尺寸的直线轴的方法。此方法极大地扩展了步距规的使用范围， 是数控 机床检测技术的一大创新 ， 对机床检测机构、 数控机床制造和使用单位均有很大的应用与参考价值。 关键词 步距规数控机床直线轴检测方法 中图分类号 T S 7 3 6 ． 2 文献标识码 A Re s e ar ch on t h e s k i l l s i n t e s t i n g t h e l i n e ar a x i s o f CNC mac hi n e t oo l s wi t h s t e p g au ge T I AN J u n c h e n g ①． L I AN G Y i b a o ．T ANG J u n 。L I X i a o b i n g T h e S u b s i d i a r y F a c t o ry o f S h a a n x i P o l y t e c h n i c I n s t i t u t e X i a n y a n g M a c h i n e T o o l s F a c t o r y ， X i a n y a n g 7 1 2 0 0 0， C H N； ②R e s e a r c h D e p a r t m e n t o f S h a a n x i P o l y t e c h n i c I n s t i t u t e ， X i a n y a n g 7 1 2 0 0 0， C H N Ab s t r a c t Th e p a pe r i n t r o d uc e s s e v e r a l me t h o d s i n t e s t i n g t h e l i n e a r a x i s o f CNC ma c h i n e t o o l s ．W e us e t h e d o u bl e s c a l e m e t h o d o r m u l t i p l e s c a l e me t h o d c o m b i n e d w i t h t h e s t e p g a u g e ．Wi t h t h e u s e o f t h i s me t h o d ， t h e u s i n g r a n g e o f s t e p g a u g e i s e nl a r g e d，S O t h a t t h e me t h o d i s r e g a r d e d a s a g r e a t i n n o v a t i o n a n d o f g r e a t v a l u e f o r ma c hi ne t o o l s t e s t i n g a g e n c y ，t h e f a c t o r y o f ma k i n g a n d u s i n g CNC ma c h i ne t o o l s ． Ke y wo r dsS t e p Ga u g e；CNC Ma c h i n e T o o l ；Li n e a r Ax i s；T e s t i ng Me t h o d 直线轴的定位精度和重复定位精度 以下简称精 度 ， 检测 常用 的有3 种方 法 第 一种是 激光 干涉仪 参考文献 [ 1 ] 李 天兴 ， 邓效忠 ， 魏冰阳． 基 于一维测头准双曲面齿轮齿面偏差 的测 量 [ J ] ． 中国机 械工程 ， 2 0 0 7， 1 8 8 9 5 8 9 6 1 ． [ 2 ] 曾韬． 汽车后桥螺旋锥齿轮制造 的发展方 向与对策[ J ] ． 世界制造技 术与装备市场 ， 2 0 0 6 6 7 9 8 3 ． f 3 ] L i t v i n F L， Z h a n g Y，K i e f f e r J ， e t a 1 ．I d e n t if i c a t i o n a n d m i n i m i z a t i o n o f d e v i a t i o n s o f r e a l g e a r t o o t h s u rf a c e s [ J ] ．A S ME J o u r n a l o f Me c h a n i c a l D e s i g n ，1 9 9 1 ， 1 1 3 1 5 5 6 2 ． 『 4] L i t v i n F I ，K u a n C， Wa n g J C， e t a l Mi n i mi z a t i o n o f d e v i a t i o n s o f g e a r r e a l t o o t h s u rf a c ,e s d e t e r m i n e d b y c o o r d i n a t e me a s u r e me n t s [ J ] ．A S ME J o u r n a l o f Me c h a n i c a l D e s i g n ，1 9 9 3 ， 1 1 5 4 9 9 5 1 0 0 1 ． f 5 1 T 0 b i s a w a K．K a n o M，S a i k i K，e t a 1 ． R e a l t o o t h c o n t a c t a n a l y s i s o f l o a d e d h y p o i d g e a r d i r e c t l y u s i n g me a s u r e d t o o t h s u r f a c e s [ J ] ．R e v i e w o f A u t o mo t i v e E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 6 ， 2 7 2 3 1 7 3 2 4 ． [ 6] 樊奇 ， 让 德福． 格里森专 家制造 系统 G E MS 开创弧齿 锥齿轮 及 双曲面齿轮数字化制造新纪元 [ J ] ． 世界制造技术与装备市场 ， 2 0 0 5 4 8 7 9 3 f 7 ] 许浩 ， 曾韬． 网络化螺旋锥齿轮齿面加T集 成制造 系统 [ J ] ． 工程图 学学报 ， 2 0 0 6 2 4 3 5 0 ． 『 8 ] 刘慧玲 ， 于水 琴， 曾韬． 数字化闭环加工 系统在螺旋锥齿轮制造 中的 应用 [ J ] ． 机械工程 师， 2 0 0 8 4 1 0 3 1 O 5 ． [ 9 ] 邓效 忠 ， 李 聚波 ， 李天兴 ， 等． 螺旋锥 齿轮网络化制 造集成平 台研究 [ J ] ． 农业机械学报 ， 2 0 1 0 ， 4 1 1 2 2 1 5 2 2 2 [ 1 O ] 李聚波 ， 邓效忠 ， 李天兴 ， 等． 面向网络化制造的企业应 用集 成系统 [ J ] ． 北京理工大学学报 ， 2 0 1 0， 3 0 1 1 6 5 一l 6 8 ． [ 1 1 ] 曾韬． 螺旋锥齿轮设计与加工 [ M] ． 哈 尔滨 哈尔滨 1 业 大学 }{ J 版 社 ， 1 9 8 9 ． [ 1 2 ] 何友鸣． V C ／ MF C应用程序开发 [ M] ． 武汉 湖北 科学技术 出版社 ， 2 0 0 2． [ 1 3 ] 谭浩强 ， 田淑清． F O R T R A N 7 7结构化程序设计 【 M] ． 北京 清华 大 学 出版社 ， 1 9 9 4 ． [ 1 4 ] 李天兴 ， 邓效忠 ， 李聚波， 等． 螺旋锥齿轮齿面误差分析与 自动 反馈 修正 [ J ] ， 航空动力学报 ， 2 0 1 1 ， 2 6 5 1 1 9 4 1 2 0 0 ． 第一作者 李天兴， 男， 1 9 7 5年 生， 博士， 讲师， 主 要 研 究方 向为螺 旋锥齿轮 的数 字化 制造 与测量技 术 。 编辑李静 收稿 日期 2 0 1 3 0 L 一3 0 文章编号 1 3 0 7 3 2 如果 您想 发表 对本囊的看法。 请将文 章编号 填入读 者意见 调查表中 的相痰位置。 篓 主 一 ； ￡u lO 耳 帚 删 法 。它可以根据被测机床的规格 、 技术要求进行 自动 检测 、 数据处理 、 螺距补偿等全 自动的检测整台数控机 床 ， 且轴线尺寸的长短都能检测 ， 精度达到微米量级 ， 但是这种设备价格昂贵， 不同档次的激光干涉仪 ， 无论 国产还是进 口， 少则二三十万元 ， 多则六七十万元。因 此在军工企业 、 大型企业和专业检测机构 中应用较为 广泛。第二种是金属线纹尺法 ， 它是以线纹尺 的刻线 为标准 ， 借助于读数显微镜与之配合 ， 进行直线轴精度 检测的一种方 法。这种方法是用 眼睛通过读 数显微 镜 ， 瞄准线纹尺的刻线进行人工读数 ， 来确定直线轴 的 检测数据 。该 方法效率低 ， 靠人 的 目力 瞄准刻线 ， 因 此 ， 精度不高 ， 人为误差大 ， 只适应于普通车床 、 铣床等 低精度机床的检测 ， 且被检轴线大于线纹尺长度时就 无法检测 。第三种为步距规法 ， 是以步距规为标准 ， 用 电感测微仪传感器测头 以下 简称测头 进行定位读 数的一种直线轴检测方法。此法 的设备与激光干涉仪 相比， 价格 低廉 ， 1 m 内步距规 加 电感测 微仪不超 过 3 ． 5万元 ， 且精度较高。若将步距规按等使用 按实际 尺寸使用 ， 测头分辨率调整到 0 ． 5 m或 0 ． 1 tx m， 其 测量精度与激光干涉仪相 当， 也可达到微米量 级。它 的高精度 、 低成本在数控机床制造行业 ， 与使用数控机 床的单位 中都有广泛的应用。但 步距 规也有 它的缺 点 ， 那就是步距规一定要大于被测直线轴的长度 ， 若小 于就无法检测 ， 或者要分段检测 ， 数据不连续精度很不 可靠。因此 ， 我们在近年来检测实践中， 总结研发了一 种“ 双测头检测法” 或“ 多测 头检测法 ” 进行直线轴的 检测。这种方法是用一个 步距规 和两个测头 ， 或多个 测头 ， 一次性将大于步距规尺寸的直线轴连续检测完 毕 ， 很好地克服步距规的这一缺点 ， 极大地扩展了步距 规的使用范围。 1 步距规的结构与精度等级 1 ． 1 步距规的结构 步距 规 的结 构见 图 1 ， 它是由测量量块与垫块拼研 在 一 起 ， 组成标准尺寸 ， 并镶 嵌于步距规基座通槽之中的 一 种长度标准量具。其量块li t 步距规结构示意图 的材料有钢质 、 陶瓷和钢质与陶瓷混合的 3种 。 1 ． 2 步距的精度级别 步距 的精度分为 0级 、 1 级 、 2级 ， 相关的技术要求 见表 1 E l 所示 。 豢 I ／ 再 ‘u o 平 弟 朋 T e C h n 0 10 g y a n d T e s f 工艺与检测 表 1 步距 规精 度级别 各级别工作尺寸 各级别工作尺寸最大 测量范 围上 限 变 动量／ t z m 允许误差／ Ix m ／ mm 0级 1级 2级 0级 1级 2级 ≤ 1 0 0 O ． 5 1 ． 0 1 ． 2 土1 ． O 土 2 -- ．4． 0 l oo～2 0 0 O． 5 1 ． 1 1 ． 5 1 ． 1 2． 2 4． 4 2 0 0 3 0 0 0． 6 1 ． 3 2． 0 1 ． 3 ．4 - 2． 6 士5 ． 2 3 0 0 4 0 0 0． 7 1 ． 4 2． 5 1 ． 6 士3． 2 6 ． 4 4 0 0 ～5 0 0 0． 8 1 ． 5 3． 0 2． 5 4． 0 8 ． 0 5 0 0 ～6 0 0 1 ． 0 1 ． 6 3． 5 2． 5 土5． 0 l 0． O 6 0 0 ～8 0 0 1 ． 4 2． 0 4． 0 -3 ． 4 土6． 0 1 2 ． O 8 0 0 ～1 0 0 0 1 ． 8 2． 5 4． 5 4． 0 -- ． 8． 0 l 6 ． O 2 步距规检 测数控 直线轴 的测量原理 步距规是量块拼研的组合体 ， 属长度尺寸的实物 标准。其测量原理是 以步距规各测量 量块 中心测量 线 ， 至零平面 中心测量线 ， 之 间的距 离组 成的标准长 度 ， 以电感测头为定位元件 ， 与被检机床直线轴所显示 的长度尺寸之差 ， 即为被检轴线的定位精度误差。 3 步距规检 测直 线轴 关键技术 的研究 3 ． 1 单测头检测法 小于或等于 将步距规放置在被检机床导轨上， 用压板或工业 橡皮泥将其固定后 ， 用测头将步距规侧方基准面 ， 与被 检轴线运动方 向拉直找正在 0 ． 0 2 m m 即可 ， 然后等温 至少 8 h ， 或者提前等温后再安装步距规。并在检测时 先将测头读数表电源打开， 预热至少 3 0 m i n 。定位用 的测头要安装到机床可移动的 z轴或 y轴的适当位 置 ， 支架要有足够的刚性 ， 并在测量前反复校准零位 ， 然后按 国标 G B ／ T 1 7 4 2 1 ． 2 2 0 0 0要求 的测量点数 ， 目 标位置趋近方 向， 记录格式进行数据处理 ， 若有超差则 要进行螺距补偿 ， 具体螺距补偿方法这里不再赘述。 3 ． 2双测头检测法和多测头检测法 大于 现以 3 0 0 m m的步距规用“ 双测头检测法” ， 检测 6 0 0 m m的 导轨直 线轴 为例进行详述 测头 的安装 中心距如图 2所示 。 第一步， 将步距规安装在导轨工作 台的中间位置 ， 方法和要求与 3 ． 1 所述相同。第二步， 将测头 A和 B 安装到机床可移动的 z轴或 y轴 的适 当位置上 ， 这里 要说明的是 ， 安装 A、 B测头的两个支架的其中一个夹 头 ， 必须做成可微调 的结构 。安装 时用数控电子手轮 移动 导轨， 使 A测头指针压至零位附近， 再用电感 测微仪上的旋钮精确调零 ， A测头安装完毕 见图 2的 当 工艺与检测 T 0 10 g y a n d T e s t 测头 A 。接下来 B测头安装是关 键的一步， 此时 导轨固定不动， 用微调夹头使 B测头指针压至零位附 近 ， 再用 B测头 电感测微仪上的旋钮精调至零位 见 图2的测头 B 。这时移动安装 A、 B测头的 Z轴或 】 ， 轴 ， 使测头退 出步距规测量面 。第 三步 ， 将 导轨 轴 向左移动 3 0 0 m m， 使步距规处于 1 位置 ， 然后移动安 装 A、 B测头的轴线进入步距规的测量位置 见图 3测 量分解示意图的 1位置 ， 使测头 A与步距规的零平 面接触 ， 并将 A测头指针再次调零后开始测量。导轨 向右移动 ， 测头 A测完 ， J 1 0 0 m m、 L 2 0 0 n l ln、 3 3 0 0 m m时 ， B测头进入零平 面的测量位置 见 图 3测 量分解示意图的 2位置 。这时要把 B测头对零平面 的指针示值 ， 调整到与 A测头指针相 同的数值 ， 表示 B 测头进 入测 量位置 接替 A测 头， 继 续测 量 4 0 0 mm、 L 5 0 0 iq l m、 L 6 0 0 mm， 这时步距规就移动到图 3的 3位置。一个连续检测 6 0 0 mm的过程全部完成。 然后再进行反 向测量， 导轨向左移动 ， B测头的最后一 点又成 为反 向测量 的起 始点 ， 依 次测 量反 向的 1 O 0 Il l m、 2 0 0 iT l m、 3 0 0 m i l l ， 这时 A测头进入测量面接替 即 将退出测量的 B测头 ， 步距规又 回到 2位置 ， 此时 与 测量正 向行程相同的是 ， 要把 A测头指针的示值调整 到与 B测头相 同的数值 ， A测头依次测完反 向的 4 0 0 m m、 5 0 0 I l l l Y I 、 6 0 0 m m后又回到 1位置 ， 一个反 向的连 续测量 6 0 0 m m的过程到此结束。这是测量中最为关 键的一个步骤 ， 其 目的就是要保证测量的连续性 ， 和数 据的准确衔接。按照上述方法 ， 测量 5个往返后 ， 再进 行数据处理 ， 确定是否合格 。 _1 { 1 i1 位 置 l1 s 位 置 知 璺 轴 l 3 o o I 图2 电感测微仪安装示意图 以上介绍的是用两 台电感测微仪 ， 检测直线轴的 具体方法与步骤。如果 有的单位 只有 一台电感测 微 仪， 那么只要有两个旁向传感器测头也是可以的。测 量方法与两台电感测微仪基本相 同。但不同的是 ， 在 图 3的 2位置， 当 B测头进入零平面接替 A测头测量 时 ， 要通过测微仪的 A、 B测头转换开关 ， 将 B测头对 零平面的指针示值 ， 调整到与 A测头指针相同的数值 即可。同样反行程测量到 2位置时 ， 仍要通过测微仪 的 A、 B测头转换开关 ， 将 A测头的指针示值 ， 调整到 与 B测头指针相 同的数值即可。 4 结语 反向 正向 图3 双表法检测分解示意图 1 文中所举实例为 O～ 3 0 0步距规 ， 用双测头检 测法可检测 6 0 0 m m 的直线轴 ， 此方法 同样适用所有 规格的步距规。如 0～1 0 0 0 mm步距规 ， 用双测头检 测法可检测 2 0 0 0 m m的直线轴， 用三测头检测法可测 3 0 0 0 I n lT I 的直线轴 ， 对于大型机床可推广到“ Ⅳ测头 检测法” 。由于机床结 构的不同， 有 的还需加装测头 支架才能实现“ Ⅳ测头检测法” 。 2 步距规做为检测 数控直线轴的标准器 ， 为提高检测精度 ， 一定要按实际 尺寸对测量值进行修正 ， 用双测头检测法则要双倍修 正， 用 Ⅳ测头检测法就要修正 Ⅳ次。 3 由于步距规 是由许多量块拼合组成 ， 每年应按 J J F 1 2 5 8 2 0 1 0校准 规范校准 ， 以确保其量值 传递的可靠性 。 4 由表 1 可知步距规的精度是很高的， 尤其是 0级 ， 因此对于磨 床等高精度直线轴 的检测 ， 还应考虑温度对陶瓷步距 规热胀系数 的影响。 参考文献 [ 1 ] 国家1 一 业和信 息化 部． 机 械行业 标 准 J B ／ T 1 0 9 7 7 - 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