步距规检测数控机床直线轴的技术研究

田俊成 梁熠葆 唐 军 李潇冰

(①陕西工业职业技术学院校办工厂(咸阳机床厂)，陕西咸阳 712000;②陕西工业职业技术学院科研处，陕西咸阳 712000)

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 μm或0.1 μm，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［1］所示。

表1 步距规精度级别

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0.02 mm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30 min。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GB/T17421.2－2000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300 mm的步距规用“双测头检测法”，检测600 mm的X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X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的测头A)。接下来B测头安装是关键的一步，此时X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Y轴，使测头退出步距规测量面。第三步，将导轨X轴向左移动300 mm，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L1=100 mm、L2=200 mm、L3=300 mm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L4=400 mm、L5=500 mm、L6=600 mm，这时步距规就移动到图3的3位置。一个连续检测600 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100 mm、200 mm、300 mm，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400 mm、500 mm、600 mm后又回到1位置，一个反向的连续测量600 mm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。

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

(1)文中所举实例为0～300步距规，用双测头检测法可检测600 mm的直线轴，此方法同样适用所有规格的步距规。如0～1 000 mm步距规，用双测头检测法可检测2 000 mm的直线轴，用三测头检测法可测3 000 mm的直线轴，对于大型机床可推广到“N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“N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N测头检测法就要修正N次。(3)由于步距规是由许多量块拼合组成，每年应按JJF1258－2010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。

［1］国家工业和信息化部.机械行业标准JB/T10977－2010 步距规［S］.北京:机械工业出版社，2010.

［2］中国计量科学研究院.国家计量技术规范JJF1258－2010〈步距规校准规范〉［S］.北京:中国计量出版社，2010.

［3］全国金属切削机床标准化技术委员会.国家标准GB/T17421.2－2000 机床检验通则第2部分:数控轴线的定位精度和重复定位精度的确定［S］.北京:中国标准出版社，2000.