雷尼绍技术论文《新型“数字万分表”助力机床装配水平的提高》发表于《WMEM》
近日，雷尼绍中国校准产品经理周汉辉先生联合孙常建先生再次在中国机床工具工业协会的《WMEM》杂志第五期期刊上发表论文《新型“数字万分表”助力机床装配水平的提高》。雷尼绍在机床检测领域处于行业领先地位，其推出的先进检测工具和机器性能的评价理念也是得到国际上一流机器制造商的认可，并在国内外同行得到广泛应用。该文详细介绍了雷尼绍XK10激光校准仪的许多强大功能，为机床行业发展提供了支持。
摘要
随着数字制造技术的不断普及，机器装配阶段的升级换代也自然提到当今制造业管理者的议事日程。雷尼绍XK10激光校准仪的推出，就是为满足机床行业发展的需要而应运而生。俗称“数字万分表“的XK10激光校准仪，通过非接触的激光测量技术，读数分辨率达到万分之一毫米，一套设备完美取代传统的千分表、平尺方箱、自准直仪和各种芯棒等实物测量基准等多种装备，使用方便快捷，解决了长久以来传统机器装配工艺中主要依赖人工操作记录数据的问题，实现可溯源的装配工艺，数据报告可以自动生成并可存储归档。
1背 景
传统的机器导轨装配采用的基准大致分为两大类别，一是如百分表+平尺或角尺等直接测量法，另一类如水平仪或自准直仪等通过测量角度及其对应桥板来计算转换得到直线度的间接测量法。
（1）直接测量法的优点主要体现在读数比较直观，对导轨全长各测量点间测量步距不必过多追求完全准确，手工装调导轨时直线度读数与步距关联性不大；但随着装配机器精度的提高，需装配的机器导轨长度也不断加长，由于大尺寸高精度大理石或金属平尺制造困难，使用搬运及日常精度维护也是一个痛点，采用百分表/千分表+大理石方案的缺点逐步成为高精度大行程机器装配的掣肘。当需要将导轨精度或分辨率调试到亚微米水平时，这类实物基准就不够用了。
图1 传统百分表+大理石及激光干涉仪测量直线度
而采用传统单光束激光干涉仪时，测量过程中光路不得遮挡，测量前需要对三个部件进行光路准直，而且水平面直线度和垂直面直线度需要分别测量。
（2）间接测量法是采用沿被测导轨逐步移动装有角度仪器的桥板来分步测量角度，必须等整个导轨都测量完成后，再通过测量每步桥板的角度及桥板长度来计算每步桥板的首尾高度差。
图2 角度测量转直线度原理示意图
该类方法由于直接测量的是角度，如果出现相邻两步正好处于接缝，在接缝两端有高低差，但接缝两端角度相似，角度换算成直线度相同而反映不出该接缝问题。
图3 角度测量转直线度方法无法测量导轨接缝变化的示意图
又如当间接测量时所推桥板没有首尾搭接时，测量角度转换成的直线度在某些场合与真实的导轨直线度有较大的不同。
图4 角度转直线度的间接测量方法，在某些操作下有可能反映不出真实的直线度误差
角度测量转直线度时，如果桥板与导轨接触不是按步距在首尾端接触，某些情况下桥板中间部位与导轨接触，在相邻测量点角度变化反映不出来，直线度误差也就被掩盖了。
当直接采用滑块作为桥板时，由于滑块中心的滚珠与导轨都是接触的，用滑块作为桥板来逐步测量直线度时，许多场合会出现图3所示的情况，非滑块首尾与导轨相接触。相邻滑块一般也无搭接，当相邻步距角度相同时，角度转直线度无法体现真实的直线度平移。
图5 滑块中心是滚珠与导轨保持接触示意图
如果还想采用滑块作为桥板通过准直仪或水平仪等间接测量原理来得到准确测量结果，则建议将相邻两滑块用一铁板拧在一起作为一个整体桥板并按两滑块间据作为测量步距来完成测量。如图6所示就可以。
图6 两相邻滑块作为桥板示意图
（3）本文介绍的新型“数字万分表”的方法是采用激光束作为基准配合激光接收器作为“数字万分表”来弥补传统方法分辨率不够高、测量长度受到实物基准不够长的限制的问题；属于直接测量法中的一种，它既解决了间接测量法在许多场合的精度得不到保证的问题，同时据有特殊意义的是采用“数字万分表”可以存储并给出装配过程中检测报告，将装配现场的传统人工读数改变为自动数字记录并给出计量报告。
XK10主要应用对象涵盖以下领域：平台部件加工厂，大型铸件加工厂，机床组装生产厂，机床用户及直线导轨安装现场。
2 XK10数字万分表工作原理及功能
全新XK10激光校准仪，用于在机床装配与校直过程中取代实物标准器。XK10可以安装在直线导轨上，确保导轨的直线度、垂直度、平面度和机器调平，以及评估机器旋转部件的主轴方向和同轴度。借助XK10的实时显示功能，用户在机器装配过程中便可对这些误差进行测量和校直。XK10还是一款功能强大的诊断工具，用于在发生碰撞后或者对机器进行定期维护期间识别误差源。
图7 作为数字万分表的XK10激光校准仪
该激光校准仪采用的是高分辨率、高精度的PSD位移传感器，在测量间隔中是允许激光光路被阻挡；激光光路准直是激光发射器和接收器两点间准直，操作简单、快捷。
图8，分段测试拼接数据功能
全新配套软件具备直线度长距离分段测量再拼接成整体数据的功能，该拼接功能可以应用在某些长导轨直线度测试上，因环境（空气绕动或机械振动）造成长距离读数稳定性较差时，可分成几段读数均为稳定的情况下测试几段数据，最后拼接成整体的长导轨直线度数据。经过多次现场实际验证，在正确操作的情况下，拼接数据结果与一次性直接测量的结果相差大约在2%-5%， 但成功解决了大型机床长距离直线度无法测试的问题。
主要功能解释如下：
01
直线度测量
图9 直线度应用示意图及测量步骤简要说明
图10 直线度测量时XK10的部件安装示意及测量现场实例照片
XK10的测量范围长达30 m，可测量和校直机器部件的几何量误差以及旋转部件的轴心准直误差。由于替代了诸如花岗岩方箱和测试棒等标准器的功能，XK10在提升测试范围的同时，还显著降低了标准器送检及携带外出的运输成本。这一模块化系统 (XK10) 可以方便地安装在机器导轨上，加快了对机器的设定和测量速度。
XK10的软件界面设计直观，操作人员很快就能熟练使用。XK10可电子化记录机器装配阶段的数据，生成溯源至国际标准的测量报告，允许用户将测量数据和报告导出或直接在显示器上查看。
02
垂直度测量
图11 垂直度应用示意图及测量步骤简要说明
图12 垂直度测量时XK10的部件安装示意及测量现场实例照片
XK10激光校准仪的激光发射器本体自带90度五棱镜，只需手动切换拨钮，就可以在自成90度的两个方向改变出光方向，从而极大方便激光操作并节省激光调整时间。
另外，采用多点法测量垂直度，可以在测量完垂直度后，直接出具两轴的直线度检测报告，节省机器全面几何精度的校准时间。
对于选用了90度转向五棱镜的用户，软件也支持使用经过校准后得到校准系数，来得到提高精度的测量结果。
03
平面度测量（多导轨上面的共面性）
图13 平面度应用示意图及测量步骤简要说明
图14 平面度测量时XK10的部件安装示意及测量现场实例照片
长期以来，机器平面度的校准多数都是采用水平仪来完成，但对于两直线导轨上面的共面性（平面度），一直都没有一个高效准确快捷的解决方案。随着XK10的推出，直线导轨上表面的共面性的测量得以解决。该项应用还可以推广到工作台面的平面度检测、龙门机床双立柱上面的等高检测等。
04
平行度测量
图15 平行度应用示意图及测量步骤简要说明
图16 平行度测量时XK10的部件安装示意及测量分步仿真图片
两导轨或多导轨间的平行度校准对于大型龙门机床或三坐标测量机来说，一直都是难以解决的问题，借助于新型XK10激光校准仪，导轨间的平行度已经不是问题。如以前令人头疼的大跨距龙门机床的装配调试，在用户现场无需长途托运如大理石平尺、角尺、自准直仪及芯棒等各种几何量具，采用XK10不仅可完成两大跨距长导轨间夹角测量，还能提供两名义上平行的导轨间在水平面内的相互距离差，方便将辅助导轨按已经调好的主导轨来逐点调整导轨平行度精度。
05
主轴指向性测量
图17 主轴指向性应用示意图及测量步骤简要说明
图18 主轴指向性测量时XK10的部件安装示意及测量图片
图19 主轴指向性测量后在平板电脑上显示的XK10的测量结果
主轴指向性测量不仅可应用于各种主轴部件与直线轴间的平行关系，也能用于5轴机床回转轴装配中心与直线轴的平行关系。
06
同轴度测量
图20 同轴度测量应用示意图及测量步骤简要说明
图21 同轴度测量时XK10的部件安装示意及测量分步仿真图片
图22同轴度测量后在平板电脑上显示的XK10的测量结果
同轴度不仅可以测试出两相对主轴间回转中心在水平方向和垂直方向的不同心偏差，还能给出两端回转部件旋转中心在水平面内或垂直面内的夹角。特别是其实时显示的同心功能，方便在装配现场对机器的安装调试。
3 XK10“数字万分表”在五轴机器装配中的应用
举例
图23 卧式五轴机器的结构
五轴机床数字装配过程举例，体现出该套设备的强大功能及使用的方便性：
步骤一：进行装配前基础件加工精度的验证，用数字化方法在装配前确保基础件的精度
（1） 利用XK10的机器调平功能，对机器床身进行调平；
（2） 利用XK10的垂直度功能，验证铸件上Z轴与X轴导轨安装基面的垂直度处于合格范围内；
（3） 用XK10直线度功能确保铸件导轨X轴、Y轴及Z轴直线度在合格范围内；
（4） 用XK10平面度功能确保铸件导轨X轴、Y轴及Z轴共面性在合格范围内；
步骤二：分部件安装调试导轨及滑块，确保基础移动部件的精度与顺滑，避免整体装配应力
（5） 分别为各直线轴上主导轨及滑块，借助XK10调整各轴滑块直线度在合格范围内；
（6） 为各直线轴装上辅导轨及滑块，借助XK10调整各轴主辅导轨平行度在合格范围内；
（7） 在机器床身上安装立柱部件及主轴部件，并用XK10验证Y轴及Z轴直线度；
步骤三：A、B回转轴部件的装配与调试，用数字化工具辅助调整回转轴与直线轴间的关系
（8） 在X轴滑块上安装基板，并用XK10验证X轴直线度；
（9） 在X轴基板上安装A轴主支撑部件；
（10）用XK10的主轴指向性安装A轴主支撑，调整A轴回转中心相对于X轴的平行；
（11）用XK10的同轴度功能辅助安装调整A轴辅支撑；
（12）在A轴主辅支撑间装上B轴工作台部件；
（13）用XK10的主轴指向性安装调整处于工作台中心的B轴， 使其相对于Y轴或Z轴平行；
步骤四：机械装配完成通电后的几何精度验证
（14）在机器通电后，按相关机床标准用“数字万分表”综合测量验证各项几何精度，如直线轴的直线度、各直线轴间的垂直度、回转轴的回转中心与直线轴的平行关系等。
上述装配调试过程，在各阶段分不同情况采用XK10“数字万分表”的不同功能，充分发挥“数字万分表”的优点，配合验证及调试机器装配精度，实现有数字记录的装配工程，对机器最终的装配结果留下可溯源的记录。借用已经使用过该设备的某机床用户的话说，有了XK10“数字千分表”，结合雷尼绍提供的如XM-60多光束激光干涉仪、XR20无线转台及QC20球杆仪等其它可以进行误差分析、精度补偿的先进数字化检测仪器，将五轴机器的制造过程的问题充分暴露出来并指明了解决问题的方向，机器的装配质量好坏与装配人员的个人技术的关联性得到极大地缓解，将极大加速我国机床制造业追赶国际领先高端机器制造业同行的步伐。
4 结语
众所周知，工件质量取决于机器性能。如果不了解机器的误差形貌，就无法在制造期间确保工件符合技术规格，在数控机床类设备的装配制造过程中，使用传统的花岗石方尺、千分表、自准直仪，水平仪，标准芯棒及其它计量标准器等虽然历史悠久，但是其多数已经不能满足现代精密制造装配检测的需要，其弱项是检测手段功能单一，检测工序，数据记录和计算多以手工处理，效率低，误差源过多，精度较低或无法溯源。XK10激光校准仪是一款高效，功能全面，测量便捷，精度可溯源的现代激光类测量仪器，在其多年积累的生产经验和客户服务体验的背景下，XK10激光校准仪其设计紧凑外观精致，并配有多功能模块和通用夹具，完全实现了客户在数控机床类设备的装配过程从不能测量到能够测量，能够测量到高效测量，较低精度到高精密测量的实现。大大的提高了客户的生产效率和产品良品率。
“数字万分表”符合现代装备制造业现场装配和测试过程的应用所需，是对机床行业传统测量手段的一次大跨越的升级换代。
参考文献：
【1】雷尼绍XK10激光校准仪使用说明 2022
注：论文来源《WMEM》收录
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往期回顾
文章①：技术论文《数控机床定位精度校准的全新理念和工具》发表于《WMEM》
文章②：技术论文《五轴机床关键动态性能的测试》发表于《WMEM》
文章③：技术论文《多参数直接测量法在三维空间几何误差补偿技术的应用》发表于《WMEM》
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