第5章 精密加工中的測量技術(shù)

1、5.1 精密測量技術(shù)概述 5.2 長度基準(zhǔn) 5.3 測量平臺(tái) 5.4 直線度、平面度和垂直度的測量 5.5 角度和圓分度的測量 5.6 圓度和回轉(zhuǎn)精度的測量 5.7 激光測量 精密測量技術(shù)是機(jī)械工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)和先決條件之一。由于有了千分尺類量具，使加工精度達(dá)到了0.01mm，有了測微比較儀，使加工精度達(dá)到了1m左右；有了圓度儀等精密測量一起，使加工精度達(dá)到了0.1m；有了激光干涉儀，使加工精度達(dá)到了0.01m。 目前在基礎(chǔ)工業(yè)的某些領(lǐng)域，精密測量已成為不可分割的重要組成部分。在電子工業(yè)部門，精密測量技術(shù)也被提到從未有過的高度。例如制造超大規(guī)模集成電路，目前半導(dǎo)體工藝的典型線寬為0.25m，正向

2、0.18m過渡，2009年的預(yù)測線寬是0.07m。此外，在高純度單晶硅的晶格參數(shù)測量中，以及對生物細(xì)胞、空氣污染微粒、石油纖維、納米材料等基礎(chǔ)研究中，無不需要精密測量技術(shù)。一、精密測量的意義一、精密測量的意義三、精密測量的的環(huán)境條件三、精密測量的的環(huán)境條件1.恒溫條件2.隔振條件3.氣壓、自重、運(yùn)動(dòng)加速度和其他環(huán)境條件四、量具和量儀材料的選擇四、量具和量儀材料的選擇1.根據(jù)材料熱膨脹系數(shù)選擇2.根據(jù)材料的穩(wěn)定性和耐磨性選擇一、精密測量的發(fā)展一、精密測量的發(fā)展1.極高精度測量方法的測量儀器的發(fā)展2.精密在線自動(dòng)測量技術(shù)的發(fā)展3.測量數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集處理技術(shù)的發(fā)展一、長度基準(zhǔn)和米定義一、長度基準(zhǔn)和米

3、定義 米制是18世紀(jì)法國最早提出的，“以經(jīng)過巴黎的地球子午線自北極至赤道這一段弧長的一千萬分之一為一米”。1880年國際計(jì)量局又制作了30多根鉑銥合金的高精度米尺國際米原器。 1960年10月14日在巴黎通過用氦Kr86在真空中的波長作為長度基準(zhǔn)：1m1650763.73xKr86的波長。 1983年11月第17屆國際計(jì)量大會(huì)上，批準(zhǔn)了米的最新定義。 新定義的內(nèi)容：米是光在真空中在1/299 792 458 s的時(shí)間間隔內(nèi)所進(jìn)行的路程長度。二、量塊的檢定二、量塊的檢定 量塊是由兩個(gè)平行的測量面之間的距離來確定其工作長度的高精度量具，其長度為計(jì)量器具的長度標(biāo)準(zhǔn)。按JJG20561990長度計(jì)量器

4、具（量塊部分）檢定系統(tǒng)的規(guī)定，量塊分為00、0、K、1、2、3六級(jí)。我國對各類量塊的檢定按JJG146-1994進(jìn)行。 為了使用上的需要常將各級(jí)精度的量塊進(jìn)行檢定，得到量塊的實(shí)際長度，將檢定量塊長度實(shí)際值的測量極限誤差作為誤差處理。三、工廠自己專用的長度基準(zhǔn)三、工廠自己專用的長度基準(zhǔn) 美國穆爾公司經(jīng)過實(shí)踐和反復(fù)研究，采用圓柱端面圓柱端面規(guī)規(guī)作為長度基準(zhǔn)。外圓柱面可磨到很高圓柱度，水平放在V形支架內(nèi)，可旋轉(zhuǎn)以校驗(yàn)端面和外圓柱面的垂直度，容易達(dá)到兩端面的高度平行。 既圓柱端面規(guī)后又制成步距規(guī)，步距規(guī)，英制的步距規(guī)每一步距的增量為1in（全長18和16in），公制的步距規(guī)每一步距的增量為30mm（全

5、長480mm）。全長步距的誤差不超過0.05m。一、測量平臺(tái)的選擇一、測量平臺(tái)的選擇1.平臺(tái)精度等級(jí)測量平臺(tái)采用00或0級(jí)，生產(chǎn)中使用的平臺(tái)的測量表面多數(shù)為矩形，長寬比約為4：3，高精度的平臺(tái)采用正方形臺(tái)面，平面度達(dá)到0.6m。2.平臺(tái)結(jié)構(gòu)多數(shù)采用箱式結(jié)構(gòu)，扁平的箱中有加強(qiáng)筋支承。3.測量平臺(tái)的材料鑄鐵或花崗巖二、測量平臺(tái)的支承二、測量平臺(tái)的支承三、測量平臺(tái)的本身的精度檢驗(yàn)三、測量平臺(tái)的本身的精度檢驗(yàn) 常用三塊平臺(tái)輪流對研，找出凸起進(jìn)行刮研，直到接觸斑點(diǎn)分布均勻。對高精度測量平臺(tái)用電子水平儀、自準(zhǔn)直光管或雙頻激光干涉儀，測出平臺(tái)的水平傾角，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，可得到平臺(tái)各處不平面度誤差的具體數(shù)值。一

6、、直線度的測量一、直線度的測量1.線差法 線差法的實(shí)質(zhì)是：用模擬法建立理想直線，然后把被測實(shí)際線上各被測點(diǎn)與理想直線上相應(yīng)的點(diǎn)相比較，以確定實(shí)際線各點(diǎn)的偏差值，最后通過數(shù)據(jù)處理求出直線度誤差值。1）干涉法等厚干涉條紋對于小尺寸精密表面的直線度誤差。把平晶置于被測表面上，在單色光的照射下，兩者之間形成等厚干涉條紋，然后讀出條紋彎曲度a及相鄰兩條紋的間距b值，被測表面的直線度誤差為 。條紋向外彎，表面是凸的，反之，則表面是凹的。2ba1）干涉法用平晶測平尺的直線度 對于較長的研磨表面，如研磨平尺，可采用圓形平晶進(jìn)行分段測量，即所謂3點(diǎn)連環(huán)干涉法測量。若被測平尺長度為200mm，則可選用100mm的

7、平晶，將平尺分成4段進(jìn)行測量，每次測量以兩端點(diǎn)連線為準(zhǔn)每次測量以兩端點(diǎn)連線為準(zhǔn)，測出中間的偏差。測完一次，平晶向前移動(dòng)50mm（等于平晶的半徑）。然后通過數(shù)據(jù)處理，得出平尺的直線度誤差。一、直線度的測量一、直線度的測量1）干涉法舉例測量數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理一、直線度的測量一、直線度的測量2）跨步儀法原理：以兩支承點(diǎn)的連線作為理以兩支承點(diǎn)的連線作為理想直線測量第三點(diǎn)相對于此連線想直線測量第三點(diǎn)相對于此連線的偏差的偏差。測量前，把此裝置放在高精度平尺或平板上，將指示表的示值調(diào)整為零，然后將測量裝置放置在被測面上進(jìn)行測量，每次移動(dòng)一個(gè)l距離，讀取一個(gè)讀數(shù)。移動(dòng)時(shí)，前次的測點(diǎn)位置，就是后次測量的前支承點(diǎn)位置，

8、如此依次逐段測完全長，最后數(shù)據(jù)處理，即可求出被測件的直線度誤差。一、直線度的測量一、直線度的測量3）光軸法 測微準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡或自準(zhǔn)直儀發(fā)出的光線為理想直線，測出被測直線相對于該理想直線的偏差值，經(jīng)數(shù)據(jù)處理求出被測線的直線度誤差。 測量步驟： 1）將被測線兩端點(diǎn)連線調(diào)整到與光軸測量基線大致平行； 2）若被測線為平面線，則xi代表被測線長度方向的坐標(biāo)值， yi為被測線相對于測量基線的偏差值。 若被測線移動(dòng)瞄準(zhǔn)靶2，同時(shí)記錄各點(diǎn)示值（yi）。再經(jīng)數(shù)據(jù)處理求出直線度誤差值。一、直線度的測量一、直線度的測量4）激光準(zhǔn)直儀法氦氖激光器發(fā)出的激光的中心連線構(gòu)成激光準(zhǔn)直測量的一條基準(zhǔn)直線。當(dāng)光電接收靶5中心與激

9、光束中心重合時(shí)，指示表指示為零，若靶子中心偏離激光束中心，指示表指示出數(shù)值即偏差值。測量時(shí)首先將儀器與靶子調(diào)整好，然后將靶子沿被測表面測量方向移動(dòng)，便能得到直線度誤差的數(shù)值。一、直線度的測量一、直線度的測量5）雙頻激光準(zhǔn)直儀法當(dāng)反射鏡7的頂點(diǎn)在光軸上時(shí)，頻率為f1的偏振光在R1點(diǎn)反射，頻率為f2的偏振光在R2點(diǎn)反射，則匯合光束的兩個(gè)頻率的光程差為零。當(dāng)反射鏡7的位置偏離光軸時(shí)，則頻率為f1的偏振光和頻率為f2的偏振光的匯合光束的光程差不為零測出E值，最后獲得被測表面相對激光光軸的偏差。二、平面度的測量二、平面度的測量1.統(tǒng)一基準(zhǔn)法1）干涉法對于精密小平面的平面度誤差可用干涉法測量。該法是以平晶

10、表面為基準(zhǔn)平面，使它與被測平面接觸，在單色平行光照射下，形成等厚干涉。調(diào)整平晶與被測表面間的相對位置，使之產(chǎn)生較明顯的干涉條紋，然后根據(jù)干涉條紋來評定平面度誤差。當(dāng)條紋數(shù)不足一條時(shí)，則根據(jù)條紋彎曲程度來評定平面度誤差。二、平面度的測量二、平面度的測量1.統(tǒng)一基準(zhǔn)法2）水平面法用水平面法測量平面度誤差時(shí)，基準(zhǔn)平面建立在通過被測表面上某角點(diǎn)，并與水平面平行的平面上，然后用水平儀按節(jié)距法測出跨距前后兩點(diǎn)的高度差，將水平儀在各段上的讀數(shù)值累加，可得各點(diǎn)對起始點(diǎn)得高度差，通過基面旋轉(zhuǎn)可求出被測平面得平面度誤差三、垂直度的測量三、垂直度的測量1）在第一位置圓柱90度角尺和L形90度角尺的頂端有光隙1，將L

11、形90度角尺翻轉(zhuǎn)（第二位置），如光隙1 2，則圓柱90度角尺角度準(zhǔn)確，誤差全在L形90度角尺。2）如在第二檢測位置，光隙變到90度角尺根部且1 2，則角度誤差全在圓柱90度角尺。3）如果1 2，則圓柱90度角尺和L形90度角尺都有誤差。三、垂直度的測量三、垂直度的測量90度角尺第一位置測得導(dǎo)軌的不垂直誤差1.25m，90度角尺翻轉(zhuǎn)后的不垂直誤差0.25 m。不垂直誤差為0.5-1.25-（0.25）-0.75 m。一、角度和圓錐角的測量一、角度和圓錐角的測量1.比較法用角度樣板測角度用角度極限樣板檢查角度2.平臺(tái)法1）兩內(nèi)表面的夾角和內(nèi)錐角的測量rt2arcsin)2arcsin(2ddt d

12、hhdhh13122cos2cos右左V形塊對稱V形塊不對稱2.平臺(tái)法2）兩外表面的夾角和外錐角的測量（用兩直徑相等的圓柱和量塊測量）)2arctan(12hll 2.平臺(tái)法2）兩外表面的夾角和外錐角的測量（用正弦尺測量）LHarcsin213.用帶圓周分度裝置的儀器測量1）光學(xué)分度頭測量角度首先將分度頭主體3轉(zhuǎn)過90度，使分度頭主軸與工作臺(tái)面垂直。在主軸錐孔中裝上帶有尾錐的小平臺(tái)2。在分度頭基座上有支座5，其上裝有測量時(shí)定位用的分度值小于1”的自準(zhǔn)儀4。測量時(shí)先轉(zhuǎn)動(dòng)分度頭主軸，放在小平臺(tái)上的被測件1同時(shí)回轉(zhuǎn)，使被測件的一個(gè)邊對準(zhǔn)自準(zhǔn)直儀，在分度頭上讀取度數(shù)1；繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)分度頭主軸，至被測件另一

13、個(gè)邊與自準(zhǔn)直儀對準(zhǔn)，在分度頭上讀取第二個(gè)度數(shù)2。兩次讀數(shù)之差為，則被測角度1800。 把圓周進(jìn)行等分(例如n等分)，從而得到所需要的角度，稱為圓分度。實(shí)現(xiàn)圓分度的器件為圓分度器件，例如度盤、圓光柵盤、圓感應(yīng)同步器、多齒分度盤等均可做為標(biāo)準(zhǔn)圓分度器件。各種圓分度器件都具有圓周封閉的特點(diǎn)，對它們進(jìn)行圓分度時(shí)產(chǎn)生的不均勻性就是圓分度誤差。二、圓分度的測量二、圓分度的測量二、圓分度的測量二、圓分度的測量 多齒分度盤是純機(jī)械式的分度機(jī)構(gòu)，它能達(dá)到0.1”的分度精度，同時(shí)具有自動(dòng)定心、操作簡單、使用壽命長自動(dòng)定心、操作簡單、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。 多齒分度盤由兩個(gè)直徑、齒數(shù)和齒形均相同的上、下端齒組成，當(dāng)上、

14、下兩齒盤的齒被迫嚙合時(shí)，便自動(dòng)定心。它利用上、下齒盤強(qiáng)迫嚙合時(shí)產(chǎn)生彈性變形實(shí)現(xiàn)平均效應(yīng)，因而可獲得較高的分度精度。1.精密多齒 分度盤二、圓分度的測量二、圓分度的測量2.精密多齒分度盤的小角度分度器1440齒分度盤的小角度分度盤和1440齒分度盤主軸同軸，并和下齒盤連成一體，小角度分度盤可使1440齒分度盤的下齒盤旋轉(zhuǎn)，最大旋轉(zhuǎn)量為1/4度。配合1440齒分度盤的讀數(shù)，可測量0360度內(nèi)的任意角度。二、圓分度的測量二、圓分度的測量3. 多齒分度盤的標(biāo)定1）使用精度更高的測角儀器對多齒分度盤進(jìn)行標(biāo)定2）利用圓周360度封閉的原理，用兩個(gè)多齒分度盤互檢標(biāo)定 圓形零件橫截面的實(shí)際輪廓可看成是中心角的

15、周期函數(shù)，它以2為周期，因此可以用傅氏級(jí)數(shù)表示)sin()(10iiiiCr 由上式還可看出：圓形零件橫截面的實(shí)際輪廓是由一半由一半徑為徑為r r0 0的圓和若干個(gè)不同次數(shù)諧波波形所迭加而成的圓和若干個(gè)不同次數(shù)諧波波形所迭加而成。其中常數(shù)項(xiàng)r0為平均圓半徑，一次諧波表示偏心的影響，而反映表面粗糙度和表面波度的高次諧波也不屬于圓度誤差，所以圓度誤差可用下式表示：)sin()(2iniiiCr一、圓度的測量方法和圓度誤差的評定一、圓度的測量方法和圓度誤差的評定圓度誤差的幾何特性一、圓度的測量方法和圓度誤差的評定一、圓度的測量方法和圓度誤差的評定圓度誤差的圖形表示采用極坐標(biāo)記錄的圓度儀測的圓度誤差曲

16、線一、圓度的測量方法和圓度誤差的評定一、圓度的測量方法和圓度誤差的評定圓度誤差的評定二、圓度儀及其測量精度分析二、圓度儀及其測量精度分析1. 圓度儀的工作原理及類型 轉(zhuǎn)軸式適用于測量大型工件，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸式測量時(shí)，工件不動(dòng)，傳感器測頭繞式測量時(shí)，工件不動(dòng)，傳感器測頭繞主軸軸線作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，測頭在空間的主軸軸線作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，測頭在空間的運(yùn)動(dòng)軌跡形成一理想圓。運(yùn)動(dòng)軌跡形成一理想圓。工件實(shí)際輪廓與此理想圓連續(xù)進(jìn)行比較，其半徑變化由傳感器測出，經(jīng)電路處理后，由記錄器描繪出被測實(shí)際輪廓的圖形，或由計(jì)算機(jī)算出測量結(jié)果。轉(zhuǎn)臺(tái)式與之相反，工件回轉(zhuǎn)，而測頭架不動(dòng)。不易測圓柱度、同軸度、平面度和垂直度。TALYROND3

17、、TALYROND73、HYQ-014A、DQR-1二、圓度儀及其測量精度分析二、圓度儀及其測量精度分析1. 圓度儀的工作原理及類型可測圓柱度、同軸度、平面度和垂直度、軸線直線度等。 TALYCENTA、TALYROND300、JCS-042二、圓度儀及其測量精度分析二、圓度儀及其測量精度分析2. 影響圓度儀測量精度因素1）主軸回轉(zhuǎn)誤差2）工件軸線和主軸軸線偏心引起的誤差3）工件軸線對主軸軸線傾斜引起的誤差4）測量頭形狀和測頭半徑變化引起的誤差5）測量力的影響6）測量頭偏立引起的誤差三、主軸回轉(zhuǎn)精度的測量三、主軸回轉(zhuǎn)精度的測量將高精度鋼球卡在主軸的端部，盡量調(diào)整使其同心，然后用測量儀測出其徑向

18、跳動(dòng)。三、主軸回轉(zhuǎn)精度的測量三、主軸回轉(zhuǎn)精度的測量 建立如圖所示的直角坐標(biāo)系。O1點(diǎn)的極坐標(biāo)為x()和y()。s()為被測工件的輪廓形狀誤差。測微儀A、B、C的輸出信號(hào)分別為A () 、B () 、C ()，則)()()(xSA211sin)(cos)()()(yxSB)sin()()cos()()()(212121yxSC消去x()和y()得三點(diǎn)法誤差分離基本方程為)()()()()()()(2131232SCSCSCCBCAP2212sin/ )sin(C213sin/cosC傳感器組合信號(hào))(P三、主軸回轉(zhuǎn)精度的測量三、主軸回轉(zhuǎn)精度的測量測量時(shí)，若取采樣點(diǎn)數(shù)為N，則令Nk /2Nm /211Nm /222并將)()()()(21312SCSCSP離散化)()()()(21312kPmmkSCmkSCkS最后求得任意時(shí)刻機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)誤差)()