一种表面轮廓测量仪X 轴驱动系统的设计分析

曲泽海

（哈尔滨量具刃具集团有限责任公司，哈尔滨 150040）

0 引言

传统表面轮廓测量仪的X 轴驱动系统多采用旋转电机驱动丝杠等传动部件，带动传感器沿被测平面做匀速直线运动，即传统旋转电机通过减速机构与丝杠连接，丝母推动传感器做水平运动，采集的X 轴水平位移信号交付电机驱动器进行反馈处理。由于丝杠副部件之间存在着间隙、柔度以及运动的不平稳性，都会导致测量的误差偏大，使得装调驱动系统的工作繁重。

1 本例X轴驱动系统介绍

与传统丝杠、旋转电机、轴承滑块的X 轴驱动系统相比，本例的X 轴驱动系统设计采用直线电机搭载滚珠直线导轨链进行滚动式驱动，机械装配紧凑，减少了仪器的零部件数量，具有运行速度非常平稳和静音运行的优点，是表面轮廓测量仪的重要部件，用来驱动传感器沿水平方向匀速直线运动，并提供传感器的水平位移坐标信息与运行基准。

该结构的优点：零间隙和柔度；高刚度、高定位精度；运动速度非常平稳、静音运行；紧凑的机械装配，减少了机器的零部件数量。

X 轴驱动系统工作原理：X 轴驱动系统采用光栅系统作为位移变化量的信号采集器件，将封闭滑架系统位移转换为光栅信号输出；利用直线电机作为驱动源，将光栅信号反馈到电机驱动器上实现更高的定位精度，同时直线电机的零间隙特点可以大大减小测量过程中驱动系统带进测量中的系统误差。更高的刚性使得整个驱动系统响应更快，运行速度更加平稳，不会因系统自身的刚性问题带来影响测量速度的问题，有利于提高工作效率。

2 X 轴驱动系统设计与分析

X 轴驱动系统，其组成包括：光栅读数头、前滑板、上滑板、后滑板，后滑板和下滑板通过螺钉刚性连接后形成封闭滑架系统，滚珠带被紧压到封闭滑架系统内与导轨之间形成滚动摩擦传动系统，其结构如图1 所示。

图1 X 轴驱动系统结构示意图

图2 X 轴驱动结构简图

X 轴驱动系统采用滚珠传动介质，所以滚珠的受载能力、精度和寿命就是设计的重中之重，设计计算分析如下：

1）匀速运动或静止时，负荷P1=P2=-mgl3/（2l1），P3=P4=mgl3/（2l1），P1T=P4T=mg/4+mgl2/（2l0），P2T=P3T=mg/4 -mgl2/（2l0）。

2）平均负荷计算分析。

平均负荷：运动中滑架整体的负荷大小因各种各样的条件而变动时，与这些变动负荷条件具有相同寿命的一定大小的负荷。

图3 变化曲线

式中：Pm为平均负荷，N；Pn为变化负荷，N；L 为总运动距离，mm；Ln为负荷Pn时运动距离，mm；i 为由滚动体决定的常数，mm。

3）额定寿命计算分析。

额定寿命：一批相同的直线运动系统在相同条件下分别运行时，其中的90%不产生表面剥落（金属表面的鳞片状剥落）所能达到的总运行距离。

式中：L 为额定寿命，km；C 为基本动额定载荷，N；Pc为负荷计算值，N；fH为硬度系数（参照图4）；fT为温度系数（参照图4）；fC为接触系数（表1），fW为负荷系数（表2）。

硬度系数：为了充分发挥X 轴驱动导轨的负荷能力，滚动面的硬度应在58～64 HRC 之间。

温度系数：如果导轨的使用环境温度超过100℃时，就要考虑高温的不良影响，应将基本额定载荷乘以温度系数。

接触系数：多条滚珠链使用时将基本额定载荷（C 或Co）乘以接触系数。

负荷系数：通常作往复运动的机械在运转中大都伴随振动或冲击，特别是在要正确计算在高速运转时所产生的振动以及频繁启动与停止所导致的所有冲击则尤为困难。因此，在速度、振动的影响很大时，将基本动额定载荷C 除以负荷系数。

图4 硬度系数及温度系数图

表1 接触系数fc

表2 负荷系数fw

3 结语

介绍了X 轴驱动系统的设计分析，针对应用于表面轮廓测量仪的触针传感器的测量滑行的高直线性和高定位精度的要求，可以广泛适用于各种场所，稳定的驱动运动可以普遍应用在高精度测量仪中。根据计算分析可以更好的设计驱动系统的形成和整体机构的寿命及其承载能力，使轮廓测量仪能够满足市场的需要。

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