12m激光滚珠丝杠(副)动态行程测量仪的研制

12m激光滚珠丝杠(副)动态行程测量仪的研制

焦洁;肖正义

【摘要】介绍了12 m激光滚珠丝杠副动态行程测量仪的设计方案、关键技术及工艺.

【期刊名称】《制造技术与机床》

【年(卷),期】2013(000)005

【总页数】6页(P72-77)

【关键词】大型精密量仪;滚珠丝杠副;行程误差;激光;动态测量;制造技术

【作者】焦洁;肖正义

【作者单位】北京机床所精密机电有限公司,北京100102;北京工研精机股份有限公司,北京101312

【正文语种】中文

【中图分类】U212.24+6

随着大型、重型、高效、精密及复合的高档数控机床的发展，与其配套的关键功能部件——滚珠丝杠副的需求量逐年上升。现阶段，大型、重型滚珠丝杠副主要由国外生产厂家垄断，对我国国民经济长期发展非常不利。国内有规模的丝杠生产厂家都瞄准了大型、重型丝杠的市场，纷纷斥巨资上马8 m以上滚珠丝杠副的加工及配套设备，去争取这一市场中的巨大经济效益。随着大型滚珠丝杠副的需求量的增加，对其质量要求也越来越高，其中滚珠丝杠（副）的行程误差是衡量其精度的

主要指标。然而，国内8 m以上的大型滚珠丝杠（副）行程测量仪还是空白，国外也没有此类商品出售。国家在2009年科技重大专项“高档数控机床与基础制造装备”中立项研制高精度大型螺纹加工设备和与之配套的检测设备。我公司负责的“12 m激光滚珠丝杠（副）行程测量仪研制及测试技术研究”项目是安阳鑫盛机床股份有限公司承担的重大专项“12 m螺纹磨床及9 m旋风铣床”的子课题，是与项目配套的非常关键的检测设备。在大型测量仪研制的同时，开展测量方法与测量技术研究，制定大型丝杠的精度验收标准，制定丝杠测量仪检定规程。本文重点介绍“12 m激光滚珠丝杠（副）行程测量仪”的总体方案及其关键技术。

1 主要技术指标与总体方案

12 m测量仪的主要技术指标见表1。

表1 主要技术指标被测滚珠丝杠最大长度/mm 12 500单测丝杠时，丝杠的大径范围/mm φ规格参数50～220综合测量时，螺母法兰盘外径范围/mm φ110～305被测滚珠丝杠（副）导程（螺距）范围/mm 5～60实际平均行程偏差 eoa或esa有效行程内行程变动量 Vua 测量项目任意300 mm行程内行程变动量 V300a 任意2π弧度内行程变动量V2πa测量精度被测滚珠丝杠精度（GB/T17587.3－1998） P1－P3级

图1为测量仪主机整体布局。本仪器的主机采用整体花岗石床身、磁平衡气浮导轨、双顶尖夹持丝杠、被测丝杠自驱动的方式、气浮卸载尾架、多维联动测头架、便捷式螺母夹具、可定量控制的浮动支撑。测量系统以精密圆光栅为转角基准，以双频激光为长度基准，动态连续测量，微机处理数据。可测量单件滚珠丝杠、梯型丝杠的导程误差、滚珠丝杠副综合行程误差，增加附件还可测量滚珠丝杠的径向跳动。该设计方案已取得实用新型专利（ZL 2010 2 0671383.2）。

2 关键技术及解决方案

2.1 高精度、高刚度及高稳定性的测量仪主机设计与制造技术

2.1.1 主导轨的结构设计

国内外其他厂家还没有8 m以上的动态行程测量仪。在较短行程测量仪中，有的采用滑动导轨，有的采用滚动导轨，而我公司的4 m以下的激光行程测量仪采用气浮结构。

在本课题中，为解决大型测量仪的主导轨精度保持性、测量拖车运动灵活、轻便的问题，主导轨与拖车采用气浮结构;为解决超长导轨两立面平行度难加工的问题，在同一侧面又采用了磁浮结构。这种磁平衡的气浮导轨的优点是:拖车在主导轨上运动时，非接触、无摩擦，长期使用时不磨损，精度保持性好（专利号 ZL 2010 2 0671359.9）。

2.1.2 测量拖车的驱动方式

在测量大型滚珠丝杠副的综合行程误差时，由于预紧转矩及其波动量较大，对拖车的承载及刚性都提出了严峻的挑战。

国外一些小规格的测量仪中有采用类似车床的母丝杠驱动，这种方式结构复杂，制造成本高，传动链误差大，还要解决母丝杠与被测丝杠螺距不一致的问题，往往还要配置专门的数控系统，使得操作复杂，对检验员要求很高。

在本课题中，由于采用气浮导轨，拖车较轻，测量的又是大型丝杠，用带动测头完全可以驱动拖车，而加螺母测量时，着重解决气浮刚性与运动平稳性的难题就可以了。因此，我们仍然采用被测丝杠自驱动的方式，国产的较短行程测量仪中都是采用这种方式。其优点是:测量仪结构简单，传动链少，精度高，拖车运动灵活、轻便。

2.1.3 被测丝杠的辅助定位

大型滚珠丝杠的特点就是长径比大、挠度大。一根直径φ80 mm，长度8 000 mm的滚珠丝杠，支起两端，实测中间的下垂量为20 mm，如果没有支承是无法

进行测量的。在测量丝杠导程误差时，一般都要根据长度配不同数量的固定支承，但在测量综合行程误差时，必须解决螺母与支承的干涉等问题。

曾经考虑过在主导轨旁边增加2条辅助导轨，拖车运动时，带动丝杠支架沿着辅

助导轨运动，以减小丝杠的下垂。然而，这种结构使得测量仪的体积更庞大、制造成本更高、调整更困难。经分析比较，在本课题中，我们设计了蜗轮丝杠升降机构。其优点是:结构紧凑，便于在测量仪有限的空间安放;刚性好，支顶大型重型丝杠时

变形小。

2.1.4 选择床身的材料，研究加工技术

由于该测量仪床身长度14.5 m，如何保证该床身的精度及稳定性非常关键。常用

床身结构主要有2种:铸铁床身与花岗岩床身。相比之下，采用花岗岩床身优点更

为突出:组织结构均匀，内应力完全消失，不变形;刚性好，硬度高，耐磨性强;线胀系数极小，温度变形小;无滞涩感，平面稳定度好等等。因此，我们毅然选用无拼

接的整体花岗石作为床身，但同时显著增加了床身的加工难度。

图2为床身截面图，上面中间开槽镶嵌铸铁副导轨。对主导轨直线度要求:2 μm/2 m、10 μm/全长，优于“000”级平板的要求，加工工艺难度很大。

除了机械加工外，最终的精度都是由人工精研完成。除要用到高精密的检测设备外，长期积累的工艺数据和工艺方法也至关重要。本课题中，我们总结了之前10 m及其以下测量仪主导轨的加工经验，并兼顾长途运输对精度带来的影响，在用户使用场地完成了要求的精度，这也是对超长导轨高精度加工工艺的一个突破。

2.1.5 设计副导轨的结构、研究加工工艺

测量仪的副导轨用于支撑和尾座的移动。考虑加工工艺性，选用铸铁材料，每块导轨板长度近1 m，全长由13块拼接而成，如何保证尾座在大于12 m的副导轨上移动并与床身主导轨保持平行是本项目的难点。