电子水平仪测量机床导轨直线度的方法

引言
      在生产加工中，机床导轨直线度误差直接影响到零件的加工质量。导轨是机床上确定机床各部件相对位置关系的基准，同时也是整个机床运动的基准。以车床为例，导轨的精度要求主要有以下三个方面：在水平面内的直线度;在垂直面内的直线度;前后导轨的平行度。卧式车床导轨在水平面内的直线度误差将直接反映在被加工工件表面加工误差的敏感方向(法线方向)上，对加工精度的影响最大。卧式车床导轨在垂直面内的直线度误差可引起被加工工件的形状误差和尺寸误差。通过对导轨直线度准确的测量，并进行正确的数据处理和精确的导轨修磨，可有效地提高机床的加工精度。
1 直线度的测量原理
      直线度的测量方法有很多，比如直尺法、准直法、重力法和直线法等。但机床导轨一般较长，难以用平尺等作为基准进行检验。通常对于大型工件直线度、平面度的检测经常用到方框(气泡)水平仪和电子式水平仪。气泡水平仪法操作简单、使用方便、成本较低。但是，一般气泡水平仪的分度值为0.02mm/m，测量精度较低，而且容易损坏，测量倾角范围有限。同时，气泡水平仪水准泡中气泡的长度随温度变化而变化，冬长夏短，一般冬夏长度相差3—4格。为了克服气温在短时间内的急剧波动对读数的影响，通常可以采取双向读数法，但这对快速读数和数据处理造成了障碍。
电子式水平仪是用于高精度测量的测试仪器，如nc车床、铣床、切削加工机床等设备的床面，其测试精度和灵敏度非常高。电子水平仪的主要原理有电感式和电容式等两种。电感式电子水平仪的原理是当水平仪的基座因待测工件倾斜而倾斜时，其内部摆锤因移动所造成感应线圈的电压变化。电容式水平仪的测量原理是采用一个圆形摆锤自由悬挂，摆锤受地心重力的影响并要求悬浮于无摩擦状态。在摆锤的两边设有电极，当间隙相同的时侯电容量是相等，当水平仪受到待测工件的影响造成两边间隙不同距离改变即产生电容不同，形成了角度的差异。
2 电子水平仪测量导轨直线度的方法
      为解决传统方框(气泡)水平仪在直线度测量上的不足，在实际的生产中采用电子水平仪测量导轨直线度误差及数据处理。本文在进行导轨直线度测量时采用瑞士Wyler公司生产的高精度数显电子水平仪，该水平仪体积小巧，操作方便，读数简单快捷，且测量精度较高，分度值可达到0.001mm/m，特别适用于小角度测量、平面度测量、垂直度测量，机床几何误差测量等。测量的读数可在电子显示屏上直接读取，不存在测量读数误差，并且还提供了rs485通信接口，可与计算机直接进行数据通信完成对测量数据的自动采集和处理。
      利用数显式电子水平仪逐档测量导轨的直线度，步距l有150mm， 180mm，200mm等。第一档0-l，第二档l-2l;并逐档将读数记录下来。但取数后，进行计算或作坐标图时，各类专业书上所采用的方法差别较大，常用的为作图法和计算法。

例：如图1所示，用分度值0.001mm/m的电子水平仪测量1200毫米长导轨,各点读数如表1所示,用图解法求导轨直线度误差。

作图法求直线度误差：
      因为水平仪的工作原理，每一个读数都实际代表了该段步距的斜率。又因为是连续测量，所以后一段的起点即为前一段的终点，将各测点的读数值逐点累积标在直角坐标系上，连接各坐标点成一折线，这实际上就是被测直线的数学模型线。得到图表1中下方的波形图，按最小条件(纵坐标距离最小)作两条平行线，如图1中线条1、2，将数学模型线完全夹住，此对平行线间的区域即为最小包容区域，两条平行线之间的纵向距离，就是直线度误差值)。

得直线度误差值为：

      式中 l---步距;
      i---水平仪分度值;
      h---maximum error。
      如机修现场使用或一般验收使用，还可用首尾两点连线法近似地评定直线度误差。如图1所示，用一条直线(线条3)将画出的折线首位两点连接起来，以此线作为评定基准线，找出两侧折线到此直线的最大纵向距离，两者之和可作为被测直线直线的直线度误差值。这一方法并不符合最小条件，因而评出的误差值偏大，不能真正反映被测要素的真实情况，但胜在方法简单，比较直观，处理较快，而且不会发生误收，所以仍为实用的方法。

作图法的优点是图形直观，不需要较大的计算量。但作图必须精确，得到的最小包容区域通常受作图误差影响。而且每检测一次，就必须重新作图一次，效率较低。
3 数显式电子水平仪读数前注意要点
(1)进行零点设计之前，要等待仪器和环境温度、工件的温度一致。并且仪器开机至少一分钟以上;
(2)将水平仪放置在水平的平板上(如车间用检测平板);
(3)在平板上精确标记水平仪底座位置;
(4)将仪器的显示值设置为零;
(5)仪器在平板上旋转180度，底座位置保持不变，读取仪器显示值，记录并得出其1/2结果值;
(6)将仪器的显示值调整到1/2结果值;
(7)然后，再次将仪器旋转180度，其显示数值应该不变而符号相反。如果不是，重复以上步骤。
4 结语
      采用电子水平仪测量导轨直线度相比较其它测量方法操作方便，读数简单快捷，且测量精度较高，符合国家检定规程要求的误差范围，能近一步提高工作质量和工作效率。同时，利用电子水平仪可与计算机直接进行数据通信从而完成对测量数据的自动采集和处理，方便使用计算机利用计算机评定直线度误差，克服了手工作图评定直线度误差的繁琐、粗糙性以及计算法的不可观性，从而使得到的直线度误差结果更迅速、准确