導軌直線度檢測及其精度分析

張坤領

摘? 要：導軌主要用在機床的床身、滑臺、立柱上，起到支承和導向作用，導軌的幾何精度與各坐標軸運行方向的準確性相關，影響到工件的表面粗糙度、尺寸精度和形狀精度。該文通過對數控機床導軌直線度檢測方法分析，闡述了拉表法、水平儀法、準直儀法檢測導軌直線度的具體步驟，并對其檢測精度進行了對比，總結了3種檢測方法的適用范圍。

關鍵詞：導軌直線度? 拉表法? 準直儀? 水平儀? 檢測精度

中圖分類號：TH161 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）06（a）-0001-04

Abstract： The guide rail is mainly used on the bed， slide table and column of the machine tool， which plays the role of supporting and guiding. The geometric accuracy of the guide rail is related to the accuracy of the running direction of each coordinate axis， which affects the surface roughness， dimensional accuracy and shape accuracy of the workpiece.Based on the analysis of the straightness detection method of CNC tool guideway， this paper expounds the concrete steps of measuring the straightness of guideway ，by using dial indicator，or precision level，or auto-collimator， and compares the measuring accuracy. The application range of three detection methods is summarized.

Key Words： Guideway Straightness; Precision Level; Auto-collimator; Precision Level; Measuring-Accuracy

導軌是數控機床上用來支承運動部件并起到導向作用的關鍵部件，其導軌直線度誤差直接影響到機床直線坐標運動的精度，進而影響到零件加工的尺寸精度和形狀精度。在機床裝配過程中，導軌的直線度檢測是非常重要的一個步驟。

機床導軌的直線度誤差包括水平面內的直線度誤差和豎直面內的直線度誤差，其實質是實際直線相對于理想直線的偏差，也就是在檢測平面內包含實際直線的與理想直線平行的兩條包絡線之間的垂直距離，如圖1所示。

在機床導軌直線度檢測時，一般以檢測范圍內相距最遠的兩個檢測點（兩端點）連線作為理想直線。

1? 導軌直線度檢測方法

目前，導軌直線度檢測常用方法主要包括水平儀檢測法、準直儀檢測法以及拉表法等。

1.1 拉表法檢測導軌直線度

檢測儀器、工具：千分表及磁性表座、大理石平尺、固定墊塊與可調墊塊。

適用范圍：（1）垂直面內的直線度檢測;（2）水平面內的直線度檢測。

垂直面內的直線度檢測方法如圖2所示。

（1）儀器、工具的安置。

①將大理石平尺放置在機床導軌附近，兩端分別墊固定墊塊和可調墊塊，使其側面平行于導軌長度方向。

②磁性表座固定在需要檢測的導軌上面滑塊上，千分表觸頭觸及大理石平尺上表面。

（2）檢測步驟。

①校正大理石平尺方向：滑塊移到導軌最左端，讀出此時千分表的讀數a1;再將滑塊移到導軌最右端，讀出此時千分表的讀數a2;若a1≠a2，調整可調墊塊的高度，再次檢測，調整，直至a1=a2。

②檢測：沿著導軌移動滑塊，從最左端移動到最右端，讀出全行程中千分表示值的最大讀數和最小讀數，則最大讀數和最小讀數的差值即為導軌在垂直面內的直線度誤差。

水平面內的直線度檢測步驟類似，千分表觸頭應該接觸側面，墊塊接觸表面為另一側面。

1.2 水平儀檢測導軌直線度

檢測儀器、工具：精密水平儀、基板或溜板。

適用范圍：垂直面內的直線度檢測。

檢測方法及步驟如圖3所示。

（1）儀器、工具的安置。

①將基板放置兩導軌滑塊上，將精密水平儀置于基板上。

②精密水平儀沿著導軌長度方向放置，靠近被檢測導軌。

（2）檢測過程。

①將基板置于（或溜板移動至）導軌行程一端，記下水平儀偏離格數。

②沿導軌行程移動基板（溜板）約250mm，再次記下水平儀偏離格數。

③依次移動，每段間隔250mm，記下各段水平儀偏離格數，左偏記為-，右篇記為﹢。

④繪圖計算出導軌在垂直面內的直線度。

（3）計算方法。

例如某長度1000mm的導軌，在各個測量位置時水平儀讀數依次為：+1.4、+1.1、-1.7、+1.0格，記錄為表1。

根據這些讀數繪制出圖4，橫坐標為測量點位置，縱坐標為累計偏離格數。

連接兩端點o和d，od為理想直線，上部距離理想直線最遠點為b點，下部距離理想直線為c點，則導軌全行程直線度偏離格數為：△=|H1|+|H2|，H1為b到od的垂直距離折合格數，H2為c到od的垂直距離折合格數。由于od相對于X軸實際角度極小，故H1≈bb'，H2≈cc'。

則導軌全行程直線度σ=（|bb'|+|cc'|）×A×L，A為水平儀精度（0.02mm/1000mm），L為每段跨度250mm。

1.3 準直儀檢測導軌直線度

檢測儀器、工具：準直儀、基座（L型彎板或板橋）。

適用范圍：（1）垂直面內的直線度檢測;（2）水平面內的直線度檢測。

檢測方法及步驟具體如下。

（1）儀器、工具的安置。

①將基座（L型彎板或橋板）放置于導軌被測面，并使表面接觸良好，將反射鏡固定在基座上，保證物鏡光軸與測量方向一致，如圖5（a）所示。

②將固定反射鏡的基座移動至儀器物鏡前，照明燈放置于儀器上，調節準直儀，直到能從目鏡中看清十字刻度線，如圖5（b）所示。

③通過目鏡觀察到兩條綠色的十字線，然后調節儀器各旋鈕，使綠色十字線與刻度重合，并且影像清晰，如圖5（c）所示。

（2）測量步驟。

①記錄下基座處于第一個位置時，準直儀調整鼓輪的讀數值;測量基座長度，沿導軌長度方向移動基座（一個基座長度距離）。

②轉動讀數鼓輪，使十字線在視野內移動，保證每次十字線與刻度線重新重合（回到上一次位置），然后從鼓輪上讀出數值。

③逐段移動基座，基座移動時必須首尾相接，并調整讀數鼓輪，依次記錄每個點的鼓輪讀數數據，直至被測表面末端。

（3）數據處理。

①計算各點的角度偏差，通過查圖表8或公式計算出距離偏差。若檢測項目為垂直面內的直線度，則偏離高度計算公式為：H=L×tan（α），α為角度偏差的弧度值，L為基座長度（mm）。

②繪圖計算直線度：例如某導軌測量數據及處理結果如圖9所示。

根據得到的數據，畫出曲線圖，X軸方向為測量點的數量，Y軸方向為記錄的數據值;作出曲線后，將曲線首尾相連，經曲線最高點和最低點作垂直于X軸方向的垂線，與連線相交的距離和，通過網格坐標轉化成數據，即被測工件的直線度，如圖6（a）所示。如果曲線全部位于連接線的一邊，則只需要做一條垂線，換算其長度即可得出直線度數據，如圖6（b）所示。

2? 導軌直線度檢測精度分析

導軌直線度檢測誤差主要有儀器精度誤差和檢測讀數誤差構成。

儀器精度誤差是指檢測儀器和檢測工具本身固有的誤差，例如水平儀、準直儀、千分表以及平尺本身的制造精度，滑塊沿導軌移動的導向精度，基板或板橋與導軌表面（或滑塊表面）的貼合精度;檢測讀數誤差有估讀誤差，計算方法誤差，另外，還有由于環境因素而造成的折光、熱脹冷縮影響等。

2.1 拉表法檢測導軌直線度檢測精度

拉表法檢測所用檢測儀器及工具為千分表、大理石平尺，其檢測誤差為。其儀器精度誤差由δ1千分表測量精度誤差δ11、大理石平尺精度誤差δ12、滑塊導向精度δ13組成，總的儀器精度誤差為。

其中千分表測量精度為0.002mm;大理石平尺精度與其制造等級以及長度有關，如表4所示。

以1000mm長度的導軌為例，若采用00級1000mm平尺檢測，則其直線度檢測精度為0.003mm。而滑塊導向精度主要取決于導軌以及滑塊的表面粗糙度，因導軌、滑塊表面粗糙度值均較小，一般為0.1～0.4μm，則由其引起的導向精度誤差最大為0.56μm。

拉表法檢測讀數誤差δ2由估讀誤差δ21、環境影響誤差δ22組成，因千分表精度為0.002mm，則其估讀誤差為0.001mm。若環境影響δ22忽略不計，則δ2=1μm。

則拉表法檢測誤差為即當采用00級大理石平尺和千分表檢測1000mm長度的導軌時，其檢測精度可高于5μm。同理可計算當檢測3000mm的導軌時，其檢測誤差≈8.33μm即檢測精度高于10μm。

2.2 水平儀檢測導軌直線度檢測精度

水平儀檢測導軌直線度所用檢測儀器及工具為精密水平儀以及板橋，其檢測誤差為。其儀器精度誤差δ1由水平儀測量精度誤差δ11、板橋貼合精度δ12組成，總的儀器精度誤差為。

企業檢測數控機床導軌所用水平儀靈敏度一般為0.02mm/1000mm，若檢測時每段跨度為250mm，則其檢測精度為0.005mm，即δ11=0.005mm，板橋貼合精度δ12主要取決于導軌以及板橋底面的表面粗糙度，若其表面粗糙度為0.1～0.4μm，則尤其引起的貼合精度誤差δ12<1μm。

水平儀檢測導軌直線度檢測讀數誤差δ2由估讀誤差δ21、計算方法誤差δ22、環境影響誤差δ23組成。按水平儀估讀誤差為0.5格，則其估讀誤差δ21為0.0025mm。

計算方法誤差δ22如圖7所示。

假設最大偏離Ya為5格，終點d偏離累計為10格，則：

帶入上述公式可得δ22=3.125×10-11mm≈0mm，即δ22可以忽略不計。

若環境影響δ23忽略不計，則δ2=2.5μm。

則總的檢測誤差為：

即當采用靈敏度為0.002mm/1000mm的精密水平儀檢測導軌時，其檢測精度略低于5μm。

2.3 準直儀檢測導軌直線度檢測精度

準直儀檢測導軌直線度所用檢測儀器及工具為準直儀以及基板，其檢測誤差為。其儀器精度誤差δ1由準直儀測量精度誤差δ11、基板貼合精度δ12組成，總的儀器精度誤差為。

若準直儀鼓輪最小讀數為1''，基板長度為250mm，根據表2可知，其檢測精度為0.0012mm，即δ11=0.0012mm，基板貼合精度δ12主要取決于導軌以及基板底面的表面粗糙度，表面由前述可知引起的貼合精度誤差δ12<1μm。

準直儀檢測導軌直線度檢測讀數誤差δ2由估讀誤差δ21、計算方法誤差δ22、環境影響誤差δ23組成。按準直儀估讀誤差為0.5”，則其估讀誤差δ21為0.0006mm。即δ2=0.6μm。

則總的檢測誤差為

即當采用靈敏度為1''的準直儀檢測導軌直線度時，其檢測精度高于2μm。

3? 結語

從以上分析可知，導軌直線度檢測精度以準直儀檢測最為精確，角度檢測靈敏度為1''時，其檢測精度高達2μm;拉表法檢測精度除了與指示器精度有關外，還主要與導軌和大理石長度及制造精度有關，當采用精度為0.002mm的千分表配合00級大理石平尺檢測時，1000mm長度導軌直線度檢測精度高于5μm，3000mm長度導軌直線度檢測精度高于10μm;而水平儀檢測法精度主要與水平儀精度有關，當采用0.02mm/1000mm的精密水平儀檢測時，其檢測精度略低于5μm。

另外，準直儀檢測適宜于導軌直線度要求較高的長導軌，可以同時檢測垂直面內和水平面內的直線度;拉表法適宜于檢測3m長度以內的導軌，可以分別檢測垂直面和水平面內的直線度;水平儀檢測法精度相對較低，且只能用于垂直面內的直線度檢測。

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