导轨直线度检测方法

导轨直线度检测方法综述

导轨直线度是各项机床精度的基础精度，导轨直线度对多项机床精度都有着直接的影响，其检测仪器和检测方法较多也较为复杂，并应根据不同情况采取不同的检测仪器和不同的检测方法。本文根据学习内容和自己的理解，对导轨直线度的检测方法作一综合叙述。

一、各种导轨直线度检测方法的使用场合

根据学习内容我们知道，导轨直线度有四种检测方法，这四种检测方法分别适用于不同的工作场合。

1.用水平仪检测导轨直线度

水平仪是检测导轨直线度的常用仪器，使用方便且检测精度较高。一般常用外形规格尺寸为200×200，测量精度为0.02/1000的框式水平仪。但水平仪只能检查导轨在垂直面的直线度误差。

2.用光学平直仪检测导轨直线度

光学平直仪可用来检测导轨在垂直面的直线度误差，也可用来检测导轨在水平面的直线度误差，且精度较高。但光学平直仪的安装调整较为复杂，需请专业的计量人员操作。对于行程长度大于1.6米的精密机床，其导轨在水平面的直线度最好使用光学平直仪进行检测。对于行程长度小于等于1.6米的机床，其导轨在水平面的直线度一般不用光学平直仪检测，而用检查棒和百分表进行检测。

3.用钢丝和读数显微镜检测导轨直线度

对于行程长度大于1.6米的机床，当导轨直线度要求不太高时，可用钢丝和读数显微镜对导轨在水平面的直线度进行检测。因为钢丝的直径误差对检测精度有直接影响，所以精度不太高。为保证导轨直线度的检测精度，最好使用光学平直仪检测大行程机床导轨在水平面的直线度误差。

4.用检查棒和百分表检测导轨直线度

对于行程长度小于等于1.6米的机床，可用检查棒和百分表检测机床床鞍沿导轨的运动在水平面的直线度误差。

二、框式水平仪结构及工作原理

框式水平仪由框架和水准器组成，水准器是一个带有刻度的弧型密封玻璃管，装有酒精或乙醚，并留有一定长度的气泡，当水平仪移动时，气泡移动一定距离。对于精度为0.02/1000的水平仪，当气泡移动一格时，水平仪的角度变化为4″，即在1000mm长度两端的高度差为0.02mm（tan4″=1.939×10-5≈0.02/1000，其误差为6.1×10-7）。可根据气泡移动格数、被测平面长度和水平仪精度按比例关系计算被测平面两端的高度差。

被测平面长度：在不使用垫板或水平桥时，此长度即为水平仪长度。

图1 水平仪测量原理图

三、用水平仪检测导轨在垂直面直线度的操作步骤

1. 将被测导轨放在可调垫铁上，用水平仪置于导轨中间或两端，初步将导轨调至水平位置（水平仪气泡处于玻璃管中间位置），并将扭曲调整到允差范围以内。

2. 沿导轨用水平仪均匀分段检查，每次移动量必须首尾相接，不能出现间隔也不能重叠，记

录各段读数。水平仪读数是指与气泡边缘相切的刻线的格数，当气泡处于中间位置时，与气泡边缘相切的刻线为0，气泡移动方向与水平仪移动方向相同时读为正，反之为负。

四、用水平仪检测导轨在垂直面直线度的数据处理方法

在用水平仪检测导轨在垂直面的直线度时，有三种数据处理方法：

1. 首尾连线法

（1） 按读数作出导轨直线度误差曲线图。

横坐标为导轨长度，每段200。

（3） 计算在首尾连线两侧、距离首尾连线最远的点到首尾连线的纵向距离的绝对值之和。

在这个例子中，在首尾连线下方没有点，只计算上方点的距离5.5格。

（4） 计算导轨在垂直面的直线度误差

水平仪每格对应的高度差=水平仪精度×每段长度

=0.02÷1000×200

=0.004

导轨在垂直面的直线度误差=0.004×5.5

=0.022

图2 首尾连线法误差曲线图

2. 包容法

第一组包容线（双点划线）：先通过A和B两点作一条直线，再通过0点作AB的平行线 第二组包容线（虚线）：先通过0和C两点作一条直线，再通过A点作0C的平行线

（3） 以最小的包容线间的纵向距离计算导轨直线度误差。

第一组包容线间的纵向距离为5.6格，第二组包容线间的纵向距离为4格。取两者的最

小值4格计算导轨直线度误差。

水平仪每格对应的高度差=水平仪精度×每段长度

=0.02÷1000×200

=0.004

导轨在垂直面的直线度误差=0.004×4

=0.016

注：按照机床精度标准的要求，导轨只许凸不许凹。这组数据已经出现下凹，属于不合

格导轨。对于没有下凹的导轨，用首尾连线法即可。

图3 包容法误差曲线图

3. 计算法

（1） 计算读数的平均数

（2） 从原读数中逐个减去平均值

（3） 将第（2）项所得数据逐个累加

（4） 取第（3）项数据中的最大值计算直线度误差

直线度误差=第（3）项的最大值×水平仪精度×水平仪每段移动距离

设：测量段数为n

水平仪各段读数为A1,A2,……，An

读数的逐段累加值为B1=A1，B2=A1+A2，B3=A1+A2+A3,……,Bn=A1+A2+A3+……+An 在首尾连线法误差曲线图中曲线各点到首尾连线的纵向距离为C1，C2，……，Cn 读数平均值为D=(A1+A2+……+An)/n

各读数减去读数平均值后的值为E1，E2，……，En

各读数减去读数平均值后的逐段累加值为F1，F2，……，Fn

求证：F1=C1,F2=C2,……，Fn=Cn

证明：先证明F3=C3

D=(A1+A2+……+An)/n

F3=(A1-D)+(A2-D)+(A3-D)

=A1+A2+A3-3×D

=A1+A2+A3-3×(A1+A2+……+An)/n

B3=A1+A2+A3

P=A1+A2+……+An

Q=P×3/n

C3=B3-Q

=A1+A2+A3-P×3/n

=A1+A2+A3-(A1+A2+……+An)×3/n

∴F3=C3

由此可知F1=C1,F2=C2,……，Fn=Cn是成立的

∴F最大=C最大

∴计算法所得结果与首尾连线法的结果是相同的

图4 计算法误差曲线与首尾连线法误差曲线比较图

注：实线为首尾连线法误差曲线，双点划线为计算法误差曲线

A3为第三段水平仪读数

B3为第三点水平仪读数累加值

C3为第三点到首尾连线的纵坐标距离

F3为各读数减去读数平均值后在第三点的累加值（计算法误差曲线在第三点的纵坐标）

五、使用光学平直仪检测导轨直线度的工作原理

光学平直仪由平直仪本体和反射镜组成，光源发出的光束，透过十字线分划板，经棱镜、平镜1、平镜2、物镜，变成平行光束射到反射镜上，经反射镜反射，再经物镜、平镜2、平镜1、棱镜在目镜分划板上形成十字像。若反射镜与物镜光线垂直，十字像处于目镜分划板的中间位置，若反射镜偏转一角度，投射到目镜分划板上的十字像偏离中间位置。通过目镜观察并调整测微手轮，使目镜中的基准线与十字像对正，通过测微手轮的刻度可以读出反射

镜偏转的角度。

测微手轮的刻度分两种，一种一圈60格，每格1″，一种一圈100格，每格0.005mm/1000mm(或为0.001mm/1000mm,0.0005mm/1000mm)。每格1″的刻度用于旋转角度测量，每格0.005mm/1000mm的刻度用于直线度的测量。在用光学平直仪检测导轨直线度时，其数据处理方法与水平仪相同。

为测量导轨在水平面内的直线度，应将目镜旋转90°。

图5 光学平直仪

图6 光学平直仪工作原理图

六、用钢丝和读数显微镜检测

当行程大于1600mm时，可用直径为0.1 mm的钢丝和读数显微镜检测导轨在水平面内的直线度。

检测方法：在中心高的位置上绷紧一根钢丝，将读数显微镜固定在床鞍上，调整钢丝的横向位置，使钢丝两端读数相等，然后沿全行程进行检测，显微镜读数的最大差值即为导轨在水平面内的直线度。因为钢丝直径误差将直接影响检测精度，所以最好用光学平直仪检测导轨在水平面内的直线度。

七、用检查棒和百分表检测导轨在水平面内的直线度

对于行程小于等于1600mm的导轨，可用检查棒和百分表检测导轨在水平面内的直线度。 检测方法：将检查棒顶在主轴顶尖和尾座顶尖之间，百分表沿导轨移动，表头触在检查棒的侧母线上。首先调整尾座的横向位置，使在检查棒两端的读数相等，将检查棒找平，然后连续检测检查棒的侧母线，百分表读数的最大差值即为导轨在水平面内的直线度。在用检查棒检测导轨在水平面内的直线度时，建议在桥板上横向放置一水平仪，在记录百分表读数时，同时读取水平仪变化，以消除两条导轨平行度误差的影响。