高精度双V型导轨的研磨与检测技术

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Grind and detection of high-precision double V-type railSONG Nan。 YA0 Xue-feng， FENG Shu-long， M I Xiao-tao(Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China)Abstract：Modern machining industry has mature technology in manufacturing double V-type rail ofgeneral precision，but it s hard to meet the high precision requirement of 1 560 mm lengths rails inlarge grating ruling machine (0.2 ). This paper introduced a high-precision machining program tofurther processing the finished double V-type rail manufactured through traditional technology，andthe Drecision measurement of the rail straightness and parallelism.The experimental results show thatthe straightness of double V-type rail is less than 0.2 in the X and Y direction，the parallelism ofvertical and level direction are less than 1 .The experimental results meet index requirements。

Key words：double V-shaped guide；straightness；parallelism ；grind。

0 引导轨面是现代仪器上-些相对运动部件的导向面，它的加工精度直接影响到仪器的性能。为保证仪器各部件间相对运动精度的要求，导轨面需满足必要的形状和位置精度。对双 V型导轨而言，导轨精度-般包括单根导轨在垂直平面和水平平面内的直线度，两导轨在水平方向(X方向)的平行度和两导轨在垂直方向(y方向)的平行度 - 。

现代机床加工行业在加工普通精度的双 V型导轨方面已经形成了成熟的技术 。而对于大型收稿日期：2013-01-12基金项目：国家重大科研装备研制基金资助项目(ZBYZ2008-1)作者简介：宋 /(1985-)，男，汉族，吉林长春人，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研究实习员，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所博士研究生，主要从事光谱仪器结构设计与调试方向研究，E-mail：kane-martin###163·com·Il目第 2期 宋 楠，等：高精度双 V型导轨的研磨与检测技术 185光栅刻划机来说，为刻划大面积、高刻线密度的高精度光栅，需要有大行程且高精度的导轨配合。

在长春光学精密与物理研究所研制的大型高精度光栅刻划机中，为刻划面积 400×500 mm。、刻划精度 5 nm、刻槽密度 6 000 g/mm的光栅，需加工- 套高精度双 V型导轨，导轨面长 1 560 mm，中心距离750 mm，行程 800 mm，要求单个导轨副的上下导轨配合直线度误差在水平的 x方向和垂直 的 y方向均不大于 0.2 ，两导轨副间平行度误差在 垂 直 和 水 平 方 向 均 不 大 于 1 。对 于1 560 mm长的导轨面，传统机床加工技术难以满足这样的高精度要求。文中在传统 V型导轨加工技术的基础上，对成品双 V型导轨进-步研磨加工 ，并对其直线度和平行度误差指标进行精密检测 。

l 实验方案由于双 V型导轨不仅要求单根导轨的直线度，同时还要求两根导轨之间的平行度，因此在加工过程中，先将-根导轨的直线度加工至合格，在加工另-根导轨时不断对两根导轨的平行度进行检测，并根据检测结果进行研磨加工，实验方案如图 1所示 。

图 1 双 V型导轨精密研磨方案温度的变化会对导轨面的形状产生-定的影响，为尽量消除这种影响，导轨应置于恒温室内，室温控制在 22(±0.01)℃。为进-步减少研磨时带来的温度影响，采用手工研磨方式。

2 实验步骤2.1 导轨的固定将导轨固定于工作台面上时，螺钉的紧固程度会对导轨的形状产生-定的影 响。为避免重复性工作，导轨固定后不再调整螺钉，直接在工作台上对导轨进行研磨加工，因此，在固定导轨时需要对两导轨的平行度进行初步调整，以尽量提高其精度，减少工作量。

除导轨自身形状外，两导轨在垂直方向的平行度主要与工作台表面平面度及导轨底面与台面接触情况有关。实际使用的大理石工作台表面平面度为 5/zm。为保证导轨与台面接触 良好 ，还需要对导轨底面进行适 当研磨。

将两导轨底 面涂抹红色涂料 ，放置 于工作位置处轻轻推动，观察工作台表面与导轨底面的接触面积，根据具体情况对导轨底面进行适当刮研与研磨，使其与工作台表面接触面积大于 85 。

将导轨A放置于工作台上，调整其位置使其 V型面与工作轴线平行，平行度不大于 15 ，V型面中线与工作轴线距离 375 mm，偏差不大于0.5 mm。

固定导轨 B时需调整两导轨在水平方 向的平行度，如图2所示。

导 -，-r-----n 1 l平面镜 上导轨轨图 2 平面镜 与导轨平行度调整将长条平面镜 1置于导轨 A上表面，为满足测量 精 度，平 面 镜 面形 需要 优 于 1/4A(约160 nm)。调整激光器的入射角度，使激光光束自准直，将转 向型干涉仪 10706B置于光路中。

调整平面镜，使上导轨运动过程中干涉仪读数变第 2期 宋 楠，等：高精度双 V型导轨的研磨与检测技术 187较短的检具进行检测 ，理论上越短的检具 检测 出的结果曲线越接近导轨的实际形状。在实际应用中，考虑反射镜 的大邪稳定性，使用长度为150 mm的检具进行检测 。

V型导轨成品经精密磨床加工达到的直线度为 9.0～10.0 m8]，为进-步提高精度需根据检测曲线进 行研磨。- 般可采用 的研 磨方法有 两种，即使用平面研具对 V型导轨的两个平面分别进行研磨，以及使用 V型研具直接进行整体研磨。由于使用平面研具加工时必须将 V型导轨的斜面摆放到水平的位置才能加工，因此在分别加工两个斜面时容易造成 V型角度误差较大而与上导轨不匹配，并且加工完成后再固定于工作台上时又会产生-定的形变，因此采用 V型研具直接研磨加工。所使用的研具包括上研具与下研具两种 ，研具 V型面的角度为 90。±30 ，如图 5所示 。

5 研磨 所用研具首先对导轨 A进行研磨。由于初始导轨直线度较大 ，约为 10 m，所以，使用标号 M14的碳化硼磨料进 行粗 研 ，待直线度 不大于 5 m 时改用标号为 M7的白刚玉磨料进行研磨。

由于越短的研具 自身 的直线性越好 ，对 X方向直线度的影响也越小，所以，首先使用较长的研具对导轨 X 方 向的直线度进行修整。长研具 使用前也需使用自准直仪对其直线度进行检测，并使用配套研具修整其直线度，合格后方可用于导轨的研磨。研具在使用过程中也会产生磨损，需要经厨行检测和修整。

每次研磨后对导轨面进行抛光以保证导轨面与检具接触 良好 ，并静置 30 min以释放研磨 中产生的热量。使用自准直仪对导轨的直线度误差进行检测，依照检测结果曲线对导轨继续修整。

将 x方向直线度修整至不大于 1.5 m后，参照y方向检测曲线使用较短的研具研磨曲线的峰值部分，同样，将 y方向直线度误差修整至不大于 1.5m，同时需兼顾 x方 向直线度 。

对导轨 A 的上导轨按同样步骤进行研磨，合格后将其与下导轨进行适当互研，使其配合良好。

此时使用上导轨为检具进行检测，若满足直线度误差要求则停止研磨，否则重复上述过程至合格。

对导轨B同样按上述过程处理，为留有余量以修整两导轨平行度，将导轨 B修整至 x，y方向直线度均不大于 2 m 即可。

2.3 x方 向平行度的检测与修整X 方向平行度检测过程 与导 轨固定过程类似，首先将两长条平面镜分别置于导轨 A，B上，按 图 2所 示调整镜 面与导轨 V 型面 中线 平行 。

按图3所示摆放自准直仪，遮挡平面镜 2，以跨距30 mm移动导轨 A，并保持平面镜处于自准直仪视场范围内。记录自准直仪 x方向读数。保持自准直仪位置不变，遮挡平面镜 1，同样以跨距30 mm移动导轨 B，记录下 自准直仪对导轨 B在X方向的读数。对检测结果运用 Matlab软件拟合工具箱(cftoo1)将检测结果拟合成直线 ：1- 忌1z- bl(2)Y2- k2lz- b2两直线的夹角为- ㈤ 由于自准直仪自身放置状态对检测结果会产生较大影响，因此其位置不可移动，检测 x方向平行度时，上导轨仅在长条平面镜范围内移动 ，行程为 210 mm。当两导轨直 线度均满足要求 时，可认 为该夹角 即为两导轨在水平 X方 向的平 行度 。

根据检测结果，使用较长的研具对导轨 B进行针对性修整至 角不大于 1 。

2.4 Y方 向平行度的检测与修整使用水平仪对两导轨的垂直方向平行度进行检测。检测方法有以下两种：第-种是将数字水平仪设定为绝对零位，放置于短检具上沿导轨拉动，记录下每个位置水平188 长 春 工 业 大 学 学 报(自然科学版) 第 34卷仪的读数，代人式(1)绘制出两导轨的垂直方向直线度曲线。由于使用绝对零位检测，此曲线可认为是导轨直线度的真实状态。但-般的水平仪在绝对零位下的精度不高，重复性大于 1 ，无法满足实验要求[g 。

另-种方法是使用水平仪的相对零位进行检测。垂直方向平行度检测如图 6所示。

跨桥检棒导轨水平仪图 6 垂直方向平行度检测在双 V型导轨同-端各放置-圆柱检棒 ，检棒的圆度好于 0.5 tm～-刚性跨桥放置于两圆柱上，标记好位置以便重复测量。水平仪放置于跨桥中央并胶固，以免测量过程中移动～水平仪设定为相对零位并调零，将检棒与跨桥移动至导轨另-端，记录水平仪的读数。当两导轨直线度均满足要求时，该读数即可认为两导轨在空间中的夹角。

对导轨 B相对于导轨 A较高-端进行研磨，并重复上述检测过程至水平仪读数不大于 1 。

2.5 导轨B直线度的检测与修整检测导轨 B的直线度，并依照检测曲线对导轨 B继续进行研磨至其直线度满足要求。检测两导轨在 X和 y方向的平行度，若满足指标要求则停止研磨，否则重复以上步骤至全部指标合格。

3 实验结果双 V型导轨按照以上步骤研磨完成后 ，导轨A和导轨B的直线度数据见表 l和表 2。

表 1 导轨A直线度检测数据次数 方向 数据/( )X 1.39 1.29 1.2O 1.17 1.21 1.2O 1.18 1.26 1.25 1.2O1y - 0.12 - 0.12 - 0.07 - 0.14 - 0.10 - 0.05 - 0.06 - 0.03 0.1 0.26X 1.35 1.26 1.16 1.16 1.13 1.16 1.19 1.22 1.22 1.212y - 0.21 -0.22 -0.21 -0.19 -0.20 -0.13 -0.17 -0.11 -0.06 0.14X 0.86 0.79 0.75 0.73 0.69 0.73 0.71 0.77 0.75 0.733y -0.44 -0.39 -0.36 -0.51 -0.43 -0.40 - 0.31 -0.34 -0.28 0.03表 2 导轨 B直线度检 测数据次数 方向 数据/( )X - 0.65 - 0.60 - 0.41 - 0.37 - 0.31 - 0.17 - 0.08 - 0.19 - 0.3 - 0.341y - 0.05 - 0.12 - 0.07 - 0.07 0 0.08 0.28 0.35 0.36 0.24X - 0.48 -0.32 -0.13 - 0.11 0 0.09 0.12 0.01 -0.09 -0.142y - 0.28 - 0.28 - 0.12 - 0.09 - 0.17 - 0.03 0.22 0.42 0.30 0.43X - 0.54 -0.37 -0.26 -0.20 -0.10 0.04 0.10 0.03 -0.08 -0.213y - 0.48 - 0.48 - 0.26 - 0.18 - 0.16 - 0.10 0.16 0.21 0.15 0.09拟合曲线如图7和图8所示。

由曲线可知，两导轨的直线度均不大 于0.5 m，按导轨行程 760 mm计算其直线度均不大于 0.15”，满足指标要求。

第 2期 宋 楠，等 ：高精度双 V型导轨的研磨与检测技术 189吕 删忸丑图 7 3号导轨 A直线度曲线g、 jj删皿 0 100 200 300 400 500 500 700 800行程/mm图8 4号导轨 B直线度曲线表 3 两导轨间x方向平行度检测数据次数 导轨 数据/( )A 0.47 0.74 0.78 1.16 1.25 1.8 2.051B 1.43 1.68 1.78 2.01 2.O2 2.19 3.5OA 0.66 0.86 0.90 1.38 1.23 1.79 2.082B 1.56 1.76 1.84 2.07 2.1O 2.26 3.53表 4 两导轨间y方向平行度检测结果根据表 3，由式(2)可得两导轨 X方向拟合 曲线 ：1- 5.883× 10- z- 0.000 114 2Y2- 9.991× 10- z- 0.000 101 1由式(3)可得两导轨间 X方向平行度 ：00.857 6对表 4结果取算术平均值，则两导轨间y方向平行度 ：- ：!± ：墨 ： ± ：皇：0.825 ，、 4即双 V型导轨在水平 X方 向和垂直 y方 向平行度均满足要求。

4 结 语根据现代科学技术的需要，为加工出更高精度的双 V型导轨，从而实现更高的定位精度以满足大型光栅刻划机的使用要求，提出了-种导轨精密研磨的加工和检测方案￠绍了对双 V型导轨进行精密研磨的实验步骤以及对导轨直线度和平行度的检测方法和工作原理，最后给出了检测结果 。实验结果表 明，该实验方案可 以有效地提高双 V型导轨配合的直线度及导轨间的平行度，使其满足高精度的使用要求。