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摘 要：文章通过对机床导轨的运动轨迹分析，找出了在不同位置下测量误差无规律性的主要原因，并推算出误差公式，利用简易的机械装置对导轨进行调整，使测量误差减小到微米，从而大大缩小了机床导轨直线度误差。
关键词：机床导轨；直线度误差；运动轨迹
机床导轨直线度误差是被测导轨实际线对其理想直线的变动量，对给定平面内导轨直线度误差常用双测头误差分离法进行测量。其实各种检测直线度的方法都各有其优缺点，企业在选用测量方法的时候应该考虑两方面的要求：一是精确度要求，即测量结果必须达到一定的可信程度；二是经济性要求，即在保证测量结果精确性的前提下，应使测量过程简单、经济、花费代价
最小。
1.直线度误差概述
直线度误差就是实际直线对其理想直线的变动量。直线度误差的评定方法有：最小包容区域法；最小二乘法；两端连线法。其中最小包容区域法的评定结果小于或等于其它两种方法。在实际生产中都是以最小包容区域线LMZ作为评定基线求得直线度误差fMZ的方法，就是最小包容区域法。对给定平面或给定方向的直线度误差fMZ，fMZ=f=dmax-dmin。式中dmax、dmin检测中最大、最小偏离值，di在LMZ上方取正值，下方取负值。机床导轨直线度检测方法很多，有平尺检测、水平仪检测、自准仪检测、钢丝和显微镜检测等。
2.双测头误差分离法
采用双测头误差分离法进行测量，两长导轨X、X’同向安置，两个测头V1、V2安装在同一个测座上，调整两个测头之间的距离为L，测座沿导轨X移动以测量X’导轨直线度误差。建立XOY坐标系为测量基准坐标系，XOY坐标系固结于机床导轨测量（基准）上，X’O’Y’坐标系为被测量坐标系，固结于被测导轨的理想轴线上。两个位移传感器V1、V2沿被测导轨素线方向安装，彼此平行且在同一个测量面上，测头V1、V2之间的距离为L。当沿OX移动X时，测头V1、V2就会有一组信号输出。设V1（x）、V2（x）为它们所代表的读数信号，显然是一组混合信号，其中既包含了被测导轨直线度误差，也包含了基准的直行运动误差。设移动距离X时，被测导轨直线度偏差在测头输出信号（采样数据）中反映出的误差分量分别为S（x）、S（x+L）；拖板直行运动误差在测头输出信号中反映的误差分量分别为R（x）、R（x+L）。由此可以建立两个测头V1、V2的输出信号与被测导轨直线度偏差和拖板的直行运动误差之间的等式关系：V1（x）=S（x）+R（x）， V2（x）= S（x+L）+R（x+L）。在实际测量中是等间隔采样，通常选择有限个采样点，因此要对连续变化的信号进行离散化处理。根据采样定理，选取采样点数为N，采样长度为L，满足快速傅里叶变换（基2FFT）要求，进行离散化处理。测量开始时，取测量起始点为测量基准坐标中的基准点，定义为0，即XOY坐标系中的原点，假定拖板直行运动误差中平移误差数值为0，即R（0）=0。将R（0）=0代入V2（x）= S（x+L）+R（x+L），即在起始位置，被测导轨的直线度偏差离散值。
3.直线度误差分析
采用时域双测头误差分离法测量导轨，测量时，被测导轨不动，在测量装置上装上传感器A、B两测头，两测头之间的间距等于节距长度，测量架沿同一方向每移动1个距离，在两测头上分别读出两个数值；数据采集卡有16个模拟输入量通道，可选择两个通道进行模数转换，把连续的模拟量转换成离散的数字量，然后传送给计算机。测量过程中，测量环境、检测方法、传感器都会引起误差，由于这些误差的存在，对数据处理会产生影响，处理后的结果将直接影响到导轨的位置变化。
3.1测量环境引起的误差
测量中，由于工厂存在各种各样的机械干扰和电噪声，使测量系统的稳定性受到干扰，影响测量结果。测量系统采用了稳压电源，可以消除电源电压波动时对系统稳定性的影响。若选用质量好、抗干扰信号，可增强测量系统的稳定性。此外，测量过程可以对被测工件多次重复采样，尽可能减少随机误差的影响。
3.2传感器误差
传感器的误差，用于测量结果的精确度评定。对于使用的Bil，5-EG08-LU电感式传感器，其线性误差满量程±0.3%；重复精度小于等于1%，30 min升温期后其小于等于0.5%；温度漂移±0.06%/℃：时间稳定性误差0.1%/4h。就电感式传感器而言，在一般情况下，线性度和温度影响误差为系统误差，即进行多次测量过程中，其特性曲线的形状基本保持不变；温度影响误差，随着传感器的升温，其误差逐渐减小。重复性误差则属于离散分布并且服从统计规律的随机误差；随时间变化的稳定性，若其呈现的曲线形状和方向已知，可以作为系统误差处理，否则将其作为随机误差处理较合理。由于传感器输出为模拟量，基本上传感器的精度为1mmX1.35%=13μm。经过30 min升温期后，可达5μm。
3.3测头间距误差
测头间距误差是由于测头在安装时，在测量方向上未满足设计距离要求而造成的，其产生的原因是测头间距调整不准确及测头倾斜而致。它影响倾斜测头的采样数据。在时域双测头误差分离法中，假设L为采样间距，但由于⊿L的存在。测量中，假定不受V1影响，由V2（x）= S（x+L）+R（x+L）可以得出V’1（k）=V1（k）=S（k）+R（k）， V’2（k）= S（k+L+⊿L）+R（k）。式中的V’1（k）、V’2（k）为测头间距有误差时的采样信号。对于测头间距误差对测量结果的影响，根据所使用的传感器情况忽略不计。使用的是电感式传感器，其测头直径1/10的误差（约为0.5mm）不会对测量结果产生任何影响。
4.结束语
传感器初始对准误差在时域双测头法是线性累积，对直线度测量与评价没有影响。对于确定工件，采样长度一定时，采样点数越多，采样间隔越短，测量精度越高。采用双测头法测量直线度误差实用可靠、计算简单、数据处理时间短，对于大型机床的测量能够满足测量精度的要求。对误差分离技术应用于直线度误差测量进行有益的探讨，很容易将其推广应用于平面度、线轮廓度、面轮廓度误差测量，进而为三坐标数控加工机床上对空间曲面进行在线测量、补偿加工提供依据。
参考文献：
[1]朱继贵，大空间坐标尺寸测量研究的现状[J]，计量学报，2013
[2]陈晓晖，三坐标机测量形面特征参数补偿方法探讨[J]，现代制造工程，2014
关键词：机床导轨；直线度误差；运动轨迹
机床导轨直线度误差是被测导轨实际线对其理想直线的变动量，对给定平面内导轨直线度误差常用双测头误差分离法进行测量。其实各种检测直线度的方法都各有其优缺点，企业在选用测量方法的时候应该考虑两方面的要求：一是精确度要求，即测量结果必须达到一定的可信程度；二是经济性要求，即在保证测量结果精确性的前提下，应使测量过程简单、经济、花费代价
最小。
1.直线度误差概述
直线度误差就是实际直线对其理想直线的变动量。直线度误差的评定方法有：最小包容区域法；最小二乘法；两端连线法。其中最小包容区域法的评定结果小于或等于其它两种方法。在实际生产中都是以最小包容区域线LMZ作为评定基线求得直线度误差fMZ的方法，就是最小包容区域法。对给定平面或给定方向的直线度误差fMZ，fMZ=f=dmax-dmin。式中dmax、dmin检测中最大、最小偏离值，di在LMZ上方取正值，下方取负值。机床导轨直线度检测方法很多，有平尺检测、水平仪检测、自准仪检测、钢丝和显微镜检测等。
2.双测头误差分离法
采用双测头误差分离法进行测量，两长导轨X、X’同向安置，两个测头V1、V2安装在同一个测座上，调整两个测头之间的距离为L，测座沿导轨X移动以测量X’导轨直线度误差。建立XOY坐标系为测量基准坐标系，XOY坐标系固结于机床导轨测量（基准）上，X’O’Y’坐标系为被测量坐标系，固结于被测导轨的理想轴线上。两个位移传感器V1、V2沿被测导轨素线方向安装，彼此平行且在同一个测量面上，测头V1、V2之间的距离为L。当沿OX移动X时，测头V1、V2就会有一组信号输出。设V1（x）、V2（x）为它们所代表的读数信号，显然是一组混合信号，其中既包含了被测导轨直线度误差，也包含了基准的直行运动误差。设移动距离X时，被测导轨直线度偏差在测头输出信号（采样数据）中反映出的误差分量分别为S（x）、S（x+L）；拖板直行运动误差在测头输出信号中反映的误差分量分别为R（x）、R（x+L）。由此可以建立两个测头V1、V2的输出信号与被测导轨直线度偏差和拖板的直行运动误差之间的等式关系：V1（x）=S（x）+R（x）， V2（x）= S（x+L）+R（x+L）。在实际测量中是等间隔采样，通常选择有限个采样点，因此要对连续变化的信号进行离散化处理。根据采样定理，选取采样点数为N，采样长度为L，满足快速傅里叶变换（基2FFT）要求，进行离散化处理。测量开始时，取测量起始点为测量基准坐标中的基准点，定义为0，即XOY坐标系中的原点，假定拖板直行运动误差中平移误差数值为0，即R（0）=0。将R（0）=0代入V2（x）= S（x+L）+R（x+L），即在起始位置，被测导轨的直线度偏差离散值。
3.直线度误差分析
采用时域双测头误差分离法测量导轨，测量时，被测导轨不动，在测量装置上装上传感器A、B两测头，两测头之间的间距等于节距长度，测量架沿同一方向每移动1个距离，在两测头上分别读出两个数值；数据采集卡有16个模拟输入量通道，可选择两个通道进行模数转换，把连续的模拟量转换成离散的数字量，然后传送给计算机。测量过程中，测量环境、检测方法、传感器都会引起误差，由于这些误差的存在，对数据处理会产生影响，处理后的结果将直接影响到导轨的位置变化。
3.1测量环境引起的误差
测量中，由于工厂存在各种各样的机械干扰和电噪声，使测量系统的稳定性受到干扰，影响测量结果。测量系统采用了稳压电源，可以消除电源电压波动时对系统稳定性的影响。若选用质量好、抗干扰信号，可增强测量系统的稳定性。此外，测量过程可以对被测工件多次重复采样，尽可能减少随机误差的影响。
3.2传感器误差
传感器的误差，用于测量结果的精确度评定。对于使用的Bil，5-EG08-LU电感式传感器，其线性误差满量程±0.3%；重复精度小于等于1%，30 min升温期后其小于等于0.5%；温度漂移±0.06%/℃：时间稳定性误差0.1%/4h。就电感式传感器而言，在一般情况下，线性度和温度影响误差为系统误差，即进行多次测量过程中，其特性曲线的形状基本保持不变；温度影响误差，随着传感器的升温，其误差逐渐减小。重复性误差则属于离散分布并且服从统计规律的随机误差；随时间变化的稳定性，若其呈现的曲线形状和方向已知，可以作为系统误差处理，否则将其作为随机误差处理较合理。由于传感器输出为模拟量，基本上传感器的精度为1mmX1.35%=13μm。经过30 min升温期后，可达5μm。
3.3测头间距误差
测头间距误差是由于测头在安装时，在测量方向上未满足设计距离要求而造成的，其产生的原因是测头间距调整不准确及测头倾斜而致。它影响倾斜测头的采样数据。在时域双测头误差分离法中，假设L为采样间距，但由于⊿L的存在。测量中，假定不受V1影响，由V2（x）= S（x+L）+R（x+L）可以得出V’1（k）=V1（k）=S（k）+R（k）， V’2（k）= S（k+L+⊿L）+R（k）。式中的V’1（k）、V’2（k）为测头间距有误差时的采样信号。对于测头间距误差对测量结果的影响，根据所使用的传感器情况忽略不计。使用的是电感式传感器，其测头直径1/10的误差（约为0.5mm）不会对测量结果产生任何影响。
4.结束语
传感器初始对准误差在时域双测头法是线性累积，对直线度测量与评价没有影响。对于确定工件，采样长度一定时，采样点数越多，采样间隔越短，测量精度越高。采用双测头法测量直线度误差实用可靠、计算简单、数据处理时间短，对于大型机床的测量能够满足测量精度的要求。对误差分离技术应用于直线度误差测量进行有益的探讨，很容易将其推广应用于平面度、线轮廓度、面轮廓度误差测量，进而为三坐标数控加工机床上对空间曲面进行在线测量、补偿加工提供依据。
参考文献：
[1]朱继贵，大空间坐标尺寸测量研究的现状[J]，计量学报，2013
[2]陈晓晖，三坐标机测量形面特征参数补偿方法探讨[J]，现代制造工程，2014