淺析機(jī)床誤差的測(cè)量與補(bǔ)償

韓 峰 魯 敏

摘要 隨著人們對(duì)加工精度要求的不斷提高,微位移技術(shù)也隨之產(chǎn)生。微進(jìn)給機(jī)構(gòu)是指行程小、靈敏度和精度高的機(jī)構(gòu),是精密機(jī)械和精密儀器的重要組成部分之一。本文對(duì)機(jī)床微位移機(jī)構(gòu)誤差的測(cè)量與補(bǔ)償進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞 機(jī)床;誤差;測(cè)量;補(bǔ)償

中圖分類號(hào) TG64文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708(2009)07-0024-02

超精密加工技術(shù)是從20 世紀(jì)60 年代發(fā)展起來(lái)的加工方法,其最大的特點(diǎn)是在綜合應(yīng)用機(jī)械發(fā)展的新成就(新型軸承、導(dǎo)軌、傳動(dòng)裝置、微位移技術(shù)等)以及現(xiàn)代電子、測(cè)量、計(jì)算機(jī)等新技術(shù)的基礎(chǔ)上大幅度提高機(jī)械加工的精度和水平,向機(jī)械加工精度的極限—納米級(jí)水平挑戰(zhàn),目前它已成為機(jī)械加工技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。

超精密加工技術(shù)作為高技術(shù)領(lǐng)域中的基礎(chǔ)技術(shù),不管是在軍用工業(yè),還是在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中都發(fā)揮著重要的作用,是尖端技術(shù)產(chǎn)品開發(fā)中不可缺少的關(guān)鍵手段。同時(shí),它又推動(dòng)著半導(dǎo)體技術(shù)、光電技術(shù)、材料科學(xué)及測(cè)量技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。因此,超精密加工技術(shù)是一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要支撐技術(shù),也是衡量一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志。

1 機(jī)床主要誤差

傳統(tǒng)的超精密機(jī)床的精度主要是靠機(jī)床的基準(zhǔn)元部件的精度達(dá)到的,而繼續(xù)提高機(jī)床部件的精度已十分困難,采用微量進(jìn)給機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)刀具的精確微小位移,并在加工過(guò)程中對(duì)加工誤差作出相應(yīng)補(bǔ)償是保證零件尺寸加工精度、實(shí)現(xiàn)精密、超精密切削加工的必要手段。而利用電致伸縮陶瓷提高機(jī)床幾何精度的過(guò)程中,由于電致伸縮陶瓷的基本特性,在加工過(guò)程中,精微進(jìn)給和粗進(jìn)給應(yīng)分開,以提高微位移的精度、分辨率和穩(wěn)定性。將對(duì)機(jī)床的導(dǎo)軌誤差首先進(jìn)行粗進(jìn)給補(bǔ)償,而后利用開環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)整個(gè)加工過(guò)程進(jìn)行精微進(jìn)給補(bǔ)償。導(dǎo)軌是機(jī)床上確定各機(jī)床部件相對(duì)位置關(guān)系的基準(zhǔn),也是機(jī)床運(yùn)動(dòng)的基準(zhǔn)。車床導(dǎo)軌的精度要求主要有以下3個(gè)方面:在水平面內(nèi)的直線度;在垂直面內(nèi)的直線度;前后導(dǎo)軌的平行度(扭曲)臥式車床導(dǎo)軌在水平面內(nèi)的直線度誤差Δ1(圖1)。將直接反映在被加工工件表面的法線方向(加工誤差的敏感方向)上,對(duì)加工精度的影響最大。

臥式車床導(dǎo)軌在垂直面內(nèi)的直線度誤差Δ2(見(jiàn)圖2)可引起被加工工件的形狀誤差和尺寸誤差。但Δ2 對(duì)加工精度的影響要比Δ1小得多。由圖可見(jiàn),若因Δ2而使刀尖由a下降至b,不難推得工件半徑R的變化量ΔR ≈ Δ 22/ D。若設(shè)Δ2=40mm,則ΔR=0.00025mm。由此可知,臥式車床導(dǎo)軌在垂直面內(nèi)的直線度誤差對(duì)工件加工精度的影響很小,可忽略不計(jì)。

圖2 臥式車床導(dǎo)軌垂直面內(nèi)直線度誤差

對(duì)工件加工精度的影響

當(dāng)前后導(dǎo)軌存在平行度誤差(扭曲)時(shí),刀架運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生擺動(dòng),刀尖的運(yùn)動(dòng)軌跡是一條空間曲線,使工件產(chǎn)生形狀誤差。除了導(dǎo)軌本身的制造誤差外,導(dǎo)軌的不均勻磨損和安裝質(zhì)量,也是造成導(dǎo)軌誤差的重要因素。導(dǎo)軌經(jīng)過(guò)一定時(shí)間使用以后,必然會(huì)產(chǎn)生一定的磨損,而導(dǎo)軌的磨損是機(jī)床精度下降的一個(gè)重要原因,因而實(shí)驗(yàn)時(shí)必須將其消除。

在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,首先要消除導(dǎo)軌在水平面內(nèi)的直線度誤差,實(shí)現(xiàn)微進(jìn)給系統(tǒng)的粗進(jìn)給,但考慮到其它一些誤差的影響,直接對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行測(cè)量明顯不夠精確,因此,在這里我們采用測(cè)量小刀架運(yùn)動(dòng)過(guò)程中水平面內(nèi)的直線度誤差并進(jìn)行誤差分離,以便給補(bǔ)給做準(zhǔn)備。

2 用水平儀、自準(zhǔn)直儀測(cè)量直線度

直線度表示被測(cè)實(shí)際要素直的程度。直線度是一項(xiàng)控制直線(面與面的交線,平面內(nèi)的直線,圓柱、圓錐體素線或軸線)的形狀誤差指標(biāo)。直線度是指被測(cè)實(shí)際線對(duì)理想線的變動(dòng)量,可分為給定平面內(nèi)的直線對(duì)誤差,給定方向的直線度誤差和任意方向的直線度誤差。

直線度誤差的檢測(cè)器具有:刀口尺、框式水平儀、合象水平儀、電子水平儀和自準(zhǔn)直儀等。刀口尺用于檢驗(yàn)短小工件的直線度誤差,框式水平儀用于精度要求不太高的工件的測(cè)量,電子水平儀和自準(zhǔn)直儀用于高精度工件的測(cè)量。對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的處理有:兩端點(diǎn)連線法、最小二乘法和最小區(qū)域法。它們之間有著各自的優(yōu)缺點(diǎn),總體來(lái)說(shuō)可歸納為以下幾點(diǎn):

1)每種方法的計(jì)算法和作圖法所得結(jié)果基本相同,相差甚微,差值乃作圖,誤差所致。

2)最小區(qū)域法所得結(jié)果的數(shù)值最小,兩端點(diǎn)連線法所得結(jié)果最大,最小二乘法介于兩者之間。直線度誤差數(shù)值小時(shí),三者差別甚小,直線度誤差數(shù)值大時(shí),三者差別較大。

3)兩端點(diǎn)連線法簡(jiǎn)單方便,在生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。用該方法處理合格的零件,用其它方法必然合格。

4)有爭(zhēng)議時(shí),應(yīng)以最小區(qū)域法進(jìn)行裁決。

直線度誤差通常用水平儀(分度值 0.02mm/m~0.05mm/m,即4′′~10′′)、合象水平儀(分度值 0.01mm/m,即2′′)、自準(zhǔn)直儀(分度值為 0.005mm/m~0.001mm/m,即1′′ ~ 0.2′′)和電子水平儀(分度值同自準(zhǔn)直儀)進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量時(shí)將器具(水平儀或自準(zhǔn)直儀反射鏡)放在根據(jù)被測(cè)長(zhǎng)度選定的適當(dāng)跨距的橋板上,首尾相接的移動(dòng)橋板分段進(jìn)行測(cè)量,使前一次橋板的末點(diǎn)與后一次橋板的始點(diǎn)重合,由水平儀或自準(zhǔn)直儀讀出每個(gè)測(cè)量位置的讀數(shù),這個(gè)讀數(shù)是后一點(diǎn)相對(duì)于前一點(diǎn)的測(cè)量值。

在橋板移動(dòng)過(guò)程中,水平儀或反射鏡不得有相對(duì)于橋板的移動(dòng)。在考慮水平儀讀數(shù)的正負(fù)號(hào)時(shí),應(yīng)考慮其移動(dòng)方向,若水平儀從左向右移動(dòng),水平儀氣泡也向右偏移,則右支點(diǎn)升高,讀數(shù)應(yīng)取正號(hào)。反之,若氣泡向左偏移時(shí),則取負(fù)號(hào)。測(cè)量出結(jié)果后,將測(cè)量時(shí)讀得的器具的格值化為線值,按下試計(jì)算:a =τ La′,其中τ為器具分度值(mm/m);L為所用橋板跨距(mm);a′為讀數(shù)格值;a 為相應(yīng)格值化的線值(mm)。若欲將化得的線值用μm表示,則為:a =1000τ La′兩端點(diǎn)連線法是一種通常不符合最小條件的近似檢測(cè)方法。由于它簡(jiǎn)便、實(shí)用且能滿足比較高的精度要求,故在生產(chǎn)實(shí)踐上被廣泛應(yīng)用。它是以首尾兩端的連線作為基準(zhǔn)評(píng)定直線度誤差的方法。

參考文獻(xiàn)

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第四屆全國(guó)地理學(xué)研究生學(xué)術(shù)年會(huì)會(huì)議在京召開

第四屆全國(guó)地理學(xué)研究生學(xué)術(shù)年會(huì)于10月16~18日在中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所、北京大學(xué)、北京師范大學(xué)和首都師范大學(xué)隆重召開。本屆年會(huì)由中國(guó)地理學(xué)會(huì)、全國(guó)地理學(xué)研究生聯(lián)合會(huì)、中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所主辦,中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所研究生會(huì)、北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院研究生會(huì)、北京師范大學(xué)地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院研究生會(huì)和首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院研究生會(huì)共同承辦,南京大學(xué)、中山大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院等四十多家高校院所協(xié)辦。于貴瑞研究員、樊杰研究員、鄔倫教授、蔡運(yùn)龍教授、周尚意教授、宮輝力教授等著名地理學(xué)者擔(dān)任大會(huì)學(xué)術(shù)指導(dǎo)委員會(huì)委員,全國(guó)地理學(xué)研究生聯(lián)合會(huì)主席、中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所博士生梁育填擔(dān)任大會(huì)主席。

本屆年會(huì)開幕式在中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所舉行,中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所于貴瑞副所長(zhǎng)、北京大學(xué)鄔倫教授、中國(guó)地理學(xué)會(huì)青年工作委員會(huì)曹廣忠主任,北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院李雙成副院長(zhǎng)、北京師范大學(xué)地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院邱揚(yáng)副院長(zhǎng)、首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院趙文吉副院長(zhǎng)、中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所研究生部王淑強(qiáng)副主任出席開幕式。于貴瑞副所長(zhǎng)、曹廣忠主任、梁育填博士先后在開幕式上致辭,對(duì)本屆年會(huì)召開給予高度評(píng)價(jià),對(duì)全國(guó)地理學(xué)研究生聯(lián)合會(huì)的工作給予肯定。隨后,大會(huì)進(jìn)行頒獎(jiǎng)和新成員聘書授予儀式。中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所研究生會(huì)等9個(gè)研究生會(huì)榮獲“優(yōu)秀組織獎(jiǎng)”,楊白潔、韓丹、張鵬巖、楊明金、張子龍、李樹奎、黃彥婷榮獲“個(gè)人突出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)”,上海師范大學(xué)旅游學(xué)院研究生會(huì)、江西師范大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院研究生會(huì)、寧夏大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院研究生會(huì)被聘為全國(guó)地理學(xué)研究生聯(lián)合會(huì)成員單位。

本屆年會(huì)邀請(qǐng)中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所于貴瑞研究員做“生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)的發(fā)展與研究方法”、樊杰研究員做“加深認(rèn)識(shí)、永續(xù)發(fā)展我國(guó)的經(jīng)濟(jì)地理學(xué)——至2050年我國(guó)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展研究的路線圖設(shè)計(jì)”、北京大學(xué)鄔倫教授做“數(shù)字地球和數(shù)字中國(guó)”的主題報(bào)告。這些精彩的報(bào)告為青年研究生了解學(xué)科前沿開拓了視野,堅(jiān)定從事地理學(xué)研究的信心。本屆年會(huì)以“傳承地理學(xué)百年精粹,探究研究生創(chuàng)新之路”為主題,收到全國(guó)各個(gè)高校研究生的提交論文240多篇,經(jīng)過(guò)評(píng)審老師的評(píng)定,挑選120余篇學(xué)術(shù)論文進(jìn)行分會(huì)場(chǎng)報(bào)告,最后推選其中5篇論文為“中國(guó)地理學(xué)會(huì)百年慶典青年優(yōu)秀論文”,有力地促進(jìn)全國(guó)地理學(xué)研究生的學(xué)術(shù)交流。

本屆學(xué)術(shù)年會(huì)由中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所的主會(huì)場(chǎng)和北京大學(xué)自然地理分會(huì)場(chǎng)、北京師范大學(xué)人文經(jīng)濟(jì)地理分會(huì)場(chǎng)、首都師范大學(xué)地圖遙感與GIS分會(huì)場(chǎng)組成,中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所研究生會(huì)主席張琴琴、北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院研究生會(huì)主席李丞、北京師范大學(xué)地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院研究生會(huì)主席萬(wàn)為和首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院研究生會(huì)主席劉佳娣擔(dān)任大會(huì)執(zhí)行主席。