一种测量长导轨直线度误差的新方法

焦燕萍 / 吴江市计量测试所

0 引言

自准直仪是长度计量最常用的仪器之一。除用于小角度准确测量外，自准直仪还可用于机床导轨的直线度和各种平面度的测量，以及航空航天、船舶和大型机械工程中的安装定位。国内最常见的自准直仪的工作距离一般约为5 m或10 m, 但在实际检测过程中遇到超过上述工作距离的情况。如何实现对长导轨直线度和大型平台的平面度检测是本文探讨的目的。

1 检测原理

各种类型自准直仪的光学系统基本上是相同的，由平行光管和望远镜两光路结合而成，对方向偏差α的检测，其成像原理简化后如图1所示。由平行光管的灯泡1发出的光线经毛玻璃2发散后，照射十字线分划板3，由于该分划板置于物镜4的焦平面上，由焦平面上的物点经物镜发出平行光束，望远镜接收此平行光束后，因其指标线分划板5同样置于物镜4的焦平面上，故十字线分划板刻线成像在此指标线分划板上，两者经目镜6放大后用肉眼7观察到平行光管相对望远镜的方向偏差。图中f表示物镜的焦距。作者用两台自准直仪相对放置，其中一台作平行光管使用，将其放置在被测件上，另一台作望远镜使用，放置于被测件一端或被测件旁，这样就圆满地解决了大尺寸被测件直线度误差的检测难题，此时可测量的工作距离扩展了一倍。

图1 检测原理

国产的自准直仪中用户使用最广的有上海机床厂生产的HYQ03型，哈尔滨量具刃具厂生产的1401型和北京量具刃具厂生产的ZY1型，因其光路被内部两块反光镜转折，使整台仪器结构紧凑、体积小巧，受到用户青睐。而且它们的外形和轮廓尺寸及内部结构基本一致，最小分度值均为0.005 mm/m≈1″，另外有上海机床厂生产的HYQ011型，其最小读数分度值为0.0025 mm/m≈0.5″，其内部结构与上述三种型号相同，体积稍大。HYQ03型、1401型和ZY1型自准直仪的工作距离约为5 m，HYQ011型自准直仪的工作距离约为10 m，这为大尺寸被测件的直线度的检测提供了契机。前三者中任选两台组合后约可测至10 m，前三者中任选一台与HYQ011型组合后约可测至15 m，两台HYQ011型组合后约可测至20 m。组合后的读数分度值，笔者用小角度检查仪进行了验证，验证结果表明读数分度值保持不变，仍为0.005 mm/m或0.002 5 mm/m。除上述提到的类型外，其他只要类型相同的均可进行组合，若类型不同，只要十字线像与指标线相匹配亦可相互组合。

2 延伸仪器工作距离的措施

1）光学零件各工作面应清洁。特别要说明的是，毛玻璃（兼滤光片）和十字分划板的外径只有10 mm，一旦表面有雾迹和霉斑将会严重招致光线损失，务必予以清除。其中十字线板有胶合的保护玻璃，故尽可能不用或少用汽油或乙醇等溶剂，以免引起脱胶。毛玻璃的磨砂面（与灯泡相对）可略蘸肥皂水擦洗。

2）使用前正确调整起始位置，两者靠近使光轴尽量重合，即两者物镜口径全部相对，以免招致部分平行光束损失，作平行光管使用的自准直仪配以桥板时尤应注意。在此情况下，经理论分析和实验验证，两者光轴重合或接近重合时可避免物镜像差影响成像，这对提高直线度检测准确度大有裨益。

3）平行光管发出的平行光束应是“纯正”的平行光。验证方法是，望远镜观察室外大于2 000 m远处目标，此目标光线可视为无穷远光线，即“纯正”平行光，也可用焦距为1 200 mm或1 600 mm平行光管的十字线作为远处目标。此时如视野内目标像不够清晰，则微移物镜，直到清晰为止，然后望远镜对准平行光管，如望远镜视野内十字线像不够清晰，则微移十字线分划板，直至十字线像清晰为止。建议上述调整请有经验的光学仪器检修技术人员进行操作。

4）增大光源的强度。仪器原配的6 V 2.5 W白炽小灯泡照明亮度若嫌其不足，可将灯座部分稍作改造，改用6 V 5 W白炽小灯泡，或使用LED发光二极管或卤素灯管。

通常情况下，只要采取上述措施中的1 ～ 2项，就能大大扩展自准直仪的工作距离。若在HYQ03型、1401型和ZY1型自准直仪中任选两台组合后系统工作距离可大于15 m，若由两台HYQ011型自准直仪组合后系统工作距离可大于30 m。

3 测量不确定度分析

现用最小分度值为0.005 mm/m≈1″的3级自准直仪以节距法测量10 m导轨直线度。直线度误差的不确定度计算：

式中：L — 桥板跨距，设L = 1 000 mm；

C — 自准直仪的分度值，C = 0.005 mm/m；

n — 节距个数，n = 10；

U（α）— 角度误差的扩展不确定度。

设uc（α）为角度误差的合成标准不确定度

式中：u1（α）— 自准直仪示值误差引入的标准不确定度分量。按规程要求，任意1′的示值误差不超过1″，取均匀分布，则由此引入的标准不确定度分量u1（α）

u2（α）— 读数时由于估读误差引入的标准不确定度分量。自准直仪的最小分度值是1″，估读误差为0.1″，取均匀分布，则由此引入的标准不确定度分量

u3（α）— 自准直仪的测量重复性引入的标准不确定度分量。按规程要求，该自准直仪的测量重复性不超过0.2″，取均匀分布，则由此引入的标准不确定度分量

u4（α）— 桥板定位误差引入的标准不确定度分量。设定位误差不超过0.4″，取均匀分布，则由此引入的标准不确定度分量由式（2）

取k = 2，扩展不确定度U（α）= 2×uc（α）=2×0.64″ = 1.28″。

由（1）式换算得：

综上所述：导轨尺寸为10 m时，L =1 000 mm，n = 10，U = 0.01 mm，k = 2。

[1]全国几何量角度计量技术委员会. JJG202-2007[S]. 北京：中国计量出版社，2007.

[2]全国几何量工程参量计量技术委员会. JJF1097-2003[S]. 北京：中国计量出版社，2003.

[3]全国法制计量管理计量技术委员会. JJF1059.1-2012[S]. 北京：中国质检出版社，2012.

[4]徐荣华. 导轨直线度测量与误差评定方法的探讨[J]. 上海电机技术高等专科学校学报，2004，7（2）：103-104.

[5]黄天喜，严祯，曾韬. 几种测量机床导轨直线度误差的方法[J].机械工程与自动化，2008（2）：186-188.