摘 要: 針對滾動直線導軌副精度保持（chí）性問題，對滾動直線導軌副精度保（bǎo）持性的測量方法與係統實（shí）現進行（háng）了研究。基於布爾沙－沃爾夫模型對精度的檢測方法進行了分析。設計了試驗台測（cè）試係（xì）統的硬（yìng）件和軟件，並對（duì）測試（shì）結果的數據分析進行了介紹。該測試係統的設計為滾動直線（xiàn）導軌副（fù）精度保持性試驗提供了軟硬件基礎。
 
      關鍵詞: 滾動直線導軌副; 測試係統; 硬件設計; 軟件設計
 
     0 引言
 
     滾動直線導軌副（fù）具有定位精（jīng）度高、動靜摩擦係數小、精度保持性高等優點［1］，作（zuò）為機床和機械裝置中的導向承載部件，能在（zài）保證機床和（hé）機械（xiè）裝置的運行精度的（de）同時降低驅動（dòng）功率消耗（hào），已成為（wéi）高速精密數控設備的一個關鍵功能（néng）部件［2］。然而（ér），高精度保持性（xìng）的滾動（dòng）直線導軌副 80%以上依賴進（jìn）口，嚴重影響到我國高（gāo）端數控裝備（bèi）的自主研發與國產（chǎn）化［3］。針對這種現狀，設計出滾動直線導軌副精度保持（chí）性試驗台，在此基（jī）礎上（shàng）對試驗台的測控係統進行了設計與分析（xī）。
 
     1 、精度（dù）保持性測量方法
 
     1． 1 精度檢測方法
 
     滾動直線導軌副的精度檢驗主要檢測滑塊移動對基準麵的平行度（dù）: 1) 對導軌（guǐ）底麵基準 A 的平行度; 2) 對導軌側麵基準 B 的平行度。將直線導軌緊固在專用平台上，專用表架（jià）的一側平麵緊靠在直線導軌（guǐ）的側麵基準上（shàng），在專（zhuān）用表架上固定指示器，使其測（cè）頭觸及: a) 滑塊頂麵中心處; b) 與導軌側（cè）麵基準 B 同側的滑塊側麵中心處（chù），如圖1。移動滑（huá）塊與專用表架（jià），在（zài）導軌全長上（shàng）檢測。a) 、b) 誤差分別計算，誤差以指示器讀數的最大差值計（jì）［4］。
 

        圖 1 導軌基準簡圖
 
      1． 2 平行度變化測量與分析
 
      導軌直線度誤差是被測導軌實際線對其理想直（zhí）線的變動量［5］。滾動直線導軌副在使（shǐ）用一定時間後，導軌、滑塊及滾動體之間會產生接觸（chù）變形和磨損，導致滾動體接觸角改變及滑塊位移。以（yǐ）滑塊幾何中心處為原點，分別以垂直（zhí）滑塊側麵、頂麵、端麵為 X、Y、Z 軸建立基準坐標係，假設基準坐標係在 X 軸和 Y 軸方（fāng）向有偏移，並繞 Y 軸和 Z 軸產生偏轉，如圖2所示。根據精度的檢測方法，在 X 軸和 Y 軸的偏移 ΔX、ΔY 即為平行度的變化量，在導軌（guǐ）全長上測（cè）得的 ΔX、ΔY 中，最大的變化量即為滑塊（kuài）對基準麵的平行度。
 
      因此，可根據布爾沙－沃爾（ěr）夫模（mó）型［6－7］對偏轉後的坐標係與基準坐標係建立聯係。試驗中，滑塊相對於導軌的偏轉根據布爾沙－沃爾夫模型可由以下幾步完成:
1) 以 Z’軸正方向看，以 O’為固（gù）定旋轉點，將 O’－X’Y’Z’繞 Z’軸旋轉 ，使經過旋轉後的 X”與 XOZ 麵平行;2) 以 Y”軸（zhóu）正方向看，以 O’為固定旋轉點，將 O’－X”Y”Z”繞 Y”軸旋轉 δ，使經過旋轉後的 Z”與 YOZ 麵平行;3) 將 O’－X#Y#Z#的原點分別沿 X#、Y#和 Z#軸（zhóu）移動ΔX，ΔY，O，使其（qí）與（yǔ）基準坐標 O－XYZ 的原點重（chóng）合。
 

      圖 2 導軌副偏轉（zhuǎn）示意圖
 
      因（yīn）為試驗中 ωX、ωY、ωZ 都是小角度，因此（cǐ） sinω≈ω，cosω= 1，由布（bù）爾沙－沃爾夫（fū）坐標轉化模（mó）型可知，如圖 3。
  
     
 

    
     圖 3 布爾沙－沃爾夫模（mó）型示意圖
  
     

其中: L1－2———位（wèi）移傳感器 Ｒ1、Ｒ2 激光間的距離;L3－4———位移傳感（gǎn）器 Ｒ3、Ｒ4 激光間的距離;X1 －X2———傳感器 Ｒ1、Ｒ2 初始測量值之差;Y3 －X4———傳感器 Ｒ3、Ｒ4 初始測量值之差。
 
      因此，由（yóu）式（shì）( 2) 和式( 3) 可得平行度變化量 ΔX、ΔY 和轉角（jiǎo）變化（huà）量 、δ，分別取其最大值（zhí）即為滑塊對基準麵的行度。

      2 、測量係統（tǒng）機械係統結構
 
      滾動直線導軌副精度保持性試驗台由南京（jīng）理工大學自主（zhǔ）研發，主要包括（kuò）支撐結構、驅動機構、加載機構、潤滑裝置、防撞裝置（zhì）等［8］，如圖 4。2 根（gēn）被測導軌副安裝在兩側的轉接（jiē）板上，轉接板可（kě）根據不同的導軌型號進行更換，采（cǎi）用對稱加載機（jī）構模擬實際工況對被測導軌副進行側向加載（zǎi）。滑塊工（gōng）作台麵配（pèi）置 4 個位移傳感器（qì）和 2 個振動傳感器，實時測試導軌副 2 個方向精度變化情況以及精度喪失時的振動信號，以提取（qǔ）精度喪失特征（zhēng）。
  
    

     
      圖 4 滾動直線導軌副精度保持性試驗台
 
      3 、測量係統硬件設計
 
      3． 1 測控係統的基本組成
 
      滾動直線導軌副精（jīng）度保持性試驗台的測控係統（tǒng）主要包括控製係統和測試係統（tǒng），具體組（zǔ）成如圖 5。
 
      3． 2 運動控製（zhì）係統（tǒng）
  
     試驗台的運動控製係（xì）統由數控係統、伺服電機、伺服驅（qū）動器、齒輪齒條機（jī）構、限位開關等（děng）部分組成。試（shì）驗台在不同階段以不同的當量速度長期往複運動，數控係統可以控製龍門的行程、速（sù）度、加速（sù）度等，能夠使（shǐ）龍門按照一定的要求往複運行（háng）。當實驗台出現（xiàn）緊急情況，超出預期的行程時，龍門首先會碰到數控係統內（nèi）部設置的 2 個軟限位開關停（tíng）止運動; 若軟限位開關同時失效，龍門繼續前行會碰到床身兩側（cè）的硬限位開關，並可向數控係統發出信號（hào），使（shǐ）伺服電（diàn）動機停止轉動，如圖（tú） 6。
  

     
  
      圖 5 測控係統硬（yìng）件基本組成（chéng）圖（tú）
 
     要求往複運行。當實驗台（tái）出現緊急情況，超出預期的行程時，龍門首先會碰到數控係統（tǒng）內部（bù）設置的（de） 2 個軟（ruǎn）限位（wèi）開關停止運動; 若軟限位開關同時失效，龍門繼續（xù）前行會碰到
床身兩側的硬限（xiàn）位開關，並可向數控（kòng）係統發出信號，使（shǐ）伺服電動機停止轉動，如圖 6。

      
      圖 6 運動控製係統硬件框圖、 
 
      3． 3 加載力控製係統
  
      試驗台的加載控製係統由加載伺服電動機、伺服驅動器、工控機、運動控製卡、A/D 采集卡、壓力傳（chuán）感器等部分組成。試驗台需要模擬實際工況對被測導軌（guǐ）副進行加載，這種加載通過工控機控製固高運動控製卡驅（qū）動加載伺服電動機來完成，並由（yóu） 2 個壓力傳感器對加載（zǎi）力進行實時監測和反饋。當施加（jiā）的（de）載荷超出允許範圍時，力傳（chuán）感器將信號反饋（kuì）給工業控製計算機，進而對加載（zǎi）力進行調整，如圖 7。
  

     
  
      圖7 加（jiā）載與數據采集硬件框圖
 
      3． 4 數據采集係統
 
      試（shì）驗台的數據采集係統由工控（kòng）機、A/D 采集卡、計數卡（kǎ）、位移傳感器（qì）、力傳感器、振動傳感器和長（zhǎng）光柵等部分組成。試驗台選用高精（jīng）度激光位移傳感器來測量滑（huá）塊頂麵和側麵相（xiàng）對於導軌基準麵之間的（de）平行度; 選用高精度力傳感（gǎn）器，將其固定安裝在滑塊（kuài）上一起運（yùn）動即可在線測量預緊拖動力; 振（zhèn）動（dòng）傳感（gǎn）器用來檢測滾動直線導軌副精（jīng）度喪失時的振動信號，提取精度喪失特征; 將長光柵的讀數頭固定安裝在被測導軌副上，實（shí）時監測反饋被（bèi）測導軌副的位置，如圖 7。

      4 、測量係統軟件設計
 
      4． 1 平行度測量係統軟件
  
      單（dān）次（cì）平行度檢測，需在測量之前進行參數設置，以方便數據的保存與查找，再根（gēn）據需要（yào）選擇合適的采樣頻率進行數（shù）據采集。每次試（shì）驗龍（lóng）門往複運行 2 次（cì），即測得 4 組數
據（jù）並對其取平均值作（zuò）為本次試驗的測（cè）量結（jié）果，具體流程（chéng）如圖 8。
  

      
  
       圖 8 單次（cì）精度測量流程圖
 
      在整個精度（dù）保（bǎo）持性的（de）試驗過程中，每次檢測完被測導（dǎo）軌副的精度（dù）指標（biāo），需判斷精度損失量（liàng）是否（fǒu）達到初始精度儲備量的 80% 。若沒有（yǒu）繼續試（shì）驗（yàn），若達到（dào）需取下（xià）被測導軌進行離線檢測（cè）精（jīng）度是否失效，具體流程如圖 9。
  

      
  
       圖 9 滾動（dòng）直線導軌副精度保持性試驗流程圖
   
       4． 2 加載力測量係（xì）統軟件
 
       在試驗的不同階段，根據額定動載荷設置一個（gè）不同的（de）加載力。加（jiā）載力（lì）測量界麵實時顯示 2 個壓力傳感器的值。當（dāng）壓力小於設定值時，選擇（zé）加載，點擊運行按（àn）鈕即可加載，
當壓力達到設定值時自動（dòng）停止加載; 當壓力大（dà）於設定值時，選擇（zé）卸載，點擊運行按鈕即可（kě）卸載。
 
      4． 3 數控係統軟（ruǎn）件
 
      滾動直線導軌副精度保持性試驗台采用西門子數控係（xì）統802C 來控製龍門的往複運（yùn）行狀態。在其程序命令中自主編程，控製龍門的行程、速度（dù）、往複次數等。
 
      5 、測試結果分析
 
      平行度（dù）測量界麵實時顯示 8 個激光位移傳感器的測量值，並在一個行程中實時更新測量的最大值與最小值。通過計算實時（shí）顯示兩組（zǔ）導軌（guǐ）副的滑塊頂麵對導軌底麵基（jī）準的平行度（dù）、滑塊側麵對同側導軌側麵基準的平行度（dù）以（yǐ）及偏（piān）擺角、俯仰角相（xiàng）對初始狀態的變化量及在一個行程中偏擺角、俯仰角變化量的最大值，如圖 10 所示。
  
       
  
       圖 10 平行度測量界麵
 

      滾動直線導軌副精度保持性試驗台將（jiāng）采集到的數據以（yǐ）及分析處理後得到（dào）的結（jié）果分別保存到 2 個數據庫，以便按不（bú）同的查找方式進行數據的查找與分析。當查找傳感器采集的原始數據時，在（zài）綜合查詢中選擇要查詢的數（shù）據表，再根（gēn）據查找要（yào）求進行查找，若查找條件滿足導軌唯一性即（jí）確定被（bèi）測導軌的檢測日期、型號和位置時，將同時顯示導軌信息、試驗信息（xī）、檢測信息，如圖 11 所示。
  
  

     
      圖 11 原始數據查詢界麵
 
 
      查詢部分或全部結果時（shí），在打印（yìn）報表（biǎo）界麵執行。當按某一次的（de）測量結果查找時，可按日期（qī）和位置確定唯一的一根導軌進行查找，將隻出現那天的一條記（jì）錄（lù），並顯示該（gāi）導軌的導軌信息、試驗（yàn）時的試驗信息及檢測時的檢測信息，此時打印的報表即為一次試驗的報表; 若查找指（zhǐ）定（dìng）一根導軌的試驗結果時，按導（dǎo）軌編（biān）號查（chá）找( 導軌編號具有唯一性) ，將顯示指定導軌的全部試驗結（jié）果及此導軌的（de）導軌信息，此時打印的報表為單根滾（gǔn）動（dòng）直線（xiàn）導軌副精度保（bǎo）持性試驗的全部結果，包括整個試驗（yàn）過程中側麵平行度、頂麵平行（háng）度、偏擺角變（biàn）化量、俯仰角變化量、當量載荷、當量速度等隨裏程的變化，如圖 12 所示。
  

    
  
      圖12 單根試驗導軌結果查詢界麵
 
 
      6 、結語
 
      針（zhēn）對滾動直線導（dǎo）軌副精度保持性問題，對精度保持性的（de）檢測方法和係統（tǒng）實現進行了研究。所取得的主要成果如下（xià）: 對精度保持性的檢測方法進行了分析; 對滾動直線導軌副精（jīng）度保（bǎo）持性試驗台的測試（shì）係統進行（háng）了軟、硬件設計。為滾動直線導軌副精度保持性試驗台的研製提供了參（cān）考，為滾動直線導（dǎo）軌副精度保持性試驗提供了試驗基礎。