第5章 精密加工中的测量技术

1、5.1 精密测量技术概述 5.2 长度基准 5.3 测量平台 5.4 直线度、平面度和垂直度的测量 5.5 角度和圆分度的测量 5.6 圆度和回转精度的测量 5.7 激光测量 精密测量技术是机械工业发展的基础和先决条件之一。 由于有了千分尺类量具，使加工精度达到了0.01mm，有了测 微比较仪，使加工精度达到了1m左右；有了圆度仪等精密 测量一起，使加工精度达到了0.1m；有了激光干涉仪，使 加工精度达到了0.01m。 目前在基础工业的某些领域，精密测量已成为不可分割 的重要组成部分。在电子工业部门，精密测量技术也被提到 从未有过的高度。例如制造超大规模集成电路，目前半导体 工艺的典型线宽为0

2、.25m，正向0.18m过渡，2009年的预 测线宽是0.07m。此外，在高纯度单晶硅的晶格参数测量中， 以及对生物细胞、空气污染微粒、石油纤维、纳米材料等基 础研究中，无不需要精密测量技术。 一、精密测量的意义一、精密测量的意义 三、精密测量的的环境条件三、精密测量的的环境条件 1.恒温条件 2.隔振条件 3.气压、自重、运动加速度和其他环境条件 四、量具和量仪材料的选择四、量具和量仪材料的选择 1.根据材料热膨胀系数选择 2.根据材料的稳定性和耐磨性选择 一、精密测量的发展一、精密测量的发展 1.极高精度测量方法的测量仪器的发展 2.精密在线自动测量技术的发展 3.测量数据的自动采集处理技

3、术的发展 一、长度基准和米定义一、长度基准和米定义 米制是18世纪法国最早提出的，“以经过巴黎的地球子午线 自北极至赤道这一段弧长的一千万分之一为一米”。1880年国 际计量局又制作了30多根铂铱合金的高精度米尺国际米原 器。 1960年10月14日在巴黎通过用氦Kr86在真空中的波长作为长 度基准：1m1650763.73xKr86的波长。 1983年11月第17届国际计量大会上，批准了米的最新定义。 新定义的内容：米是光在真空中在1/299 792 458 s的时间 间隔内所进行的路程长度。 二、量块的检定二、量块的检定 量块是由两个平行的测量面之间的距离来确 定其工作长度的高精度量具，其

4、长度为计量器 具的长度标准。按JJG20561990长度计量器 具（量块部分）检定系统的规定，量块分为 00、0、K、1、2、3六级。我国对各类量块的检 定按JJG146-1994进行。 为了使用上的需要常将各级精度的量块进行 检定，得到量块的实际长度，将检定量块长度 实际值的测量极限误差作为误差处理。 三、工厂自己专用的长度基准三、工厂自己专用的长度基准 美国穆尔公司经过实践和反复研究，采用圆柱端面圆柱端面 规规作为长度基准。外圆柱面可磨到很高圆柱度，水平放 在V形支架内，可旋转以校验端面和外圆柱面的垂直度， 容易达到两端面的高度平行。 既圆柱端面规后又制成步距规，步距规，英制的步距规每一

5、步距的增量为1in（全长18和16in），公制的步距规每 一步距的增量为30mm（全长480mm）。全长步距的误差 不超过0.05m。 一、测量平台的选择一、测量平台的选择 1.平台精度等级 测量平台采用00或0级，生产中使用的平台的测量表面多 数为矩形，长宽比约为4：3，高精度的平台采用正方形 台面，平面度达到0.6m。 2.平台结构 多数采用箱式结构，扁平的箱中有加强筋支承。 3.测量平台的材料 铸铁或花岗岩 二、测量平台的支承二、测量平台的支承 三、测量平台的本身的精度检验三、测量平台的本身的精度检验 常用三块平台轮流对研，找出凸起进行刮研，直到接触斑点分布均匀。 对高精度测量平台用电子

6、水平仪、自准直光管或双频激光干涉仪，测出平 台的水平倾角，经过数据处理，可得到平台各处不平面度误差的具体数值。 一、直线度的测量一、直线度的测量 1.线差法 线差法的实质是：用模拟法建立理想直线，然后把被测实 际线上各被测点与理想直线上相应的点相比较，以确定实际 线各点的偏差值，最后通过数据处理求出直线度误差值。 1）干涉法 等厚干涉条纹 对于小尺寸精密表面的直线度误差。 把平晶置于被测表面上，在单色光 的照射下，两者之间形成等厚干涉 条纹，然后读出条纹弯曲度a及相 邻两条纹的间距b值，被测表面的 直线度误差为 。条纹向外弯， 表面是凸的，反之，则表面是凹的。 2 b a 1）干涉法 用平晶测

7、平尺的直线度 对于较长的研磨表面，如研磨平尺，可采用圆形平晶 进行分段测量，即所谓3点连环干涉法测量。若被测平尺 长度为200mm，则可选用100mm的平晶，将平尺分成4段 进行测量，每次测量以两端点连线为准每次测量以两端点连线为准，测出中间的偏差。 测完一次，平晶向前移动50mm（等于平晶的半径）。然后 通过数据处理，得出平尺的直线度误差。 一、直线度的测量一、直线度的测量 1）干涉法举例 测量数据数据处理 一、直线度的测量一、直线度的测量 2）跨步仪法 原理：以两支承点的连线作为理以两支承点的连线作为理 想直线测量第三点相对于此连线想直线测量第三点相对于此连线 的偏差的偏差。测量前，把此装

8、置放在 高精度平尺或平板上，将指示表的 示值调整为零，然后将测量装置放 置在被测面上进行测量，每次移动 一个l距离，读取一个读数。移动 时，前次的测点位置，就是后次测 量的前支承点位置，如此依次逐段 测完全长，最后数据处理，即可求 出被测件的直线度误差。 一、直线度的测量一、直线度的测量 3）光轴法 测微准直望远镜或自准直仪发出的 光线为理想直线，测出被测直线相对 于该理想直线的偏差值，经数据处理 求出被测线的直线度误差。 测量步骤： 1）将被测线两端点连线调整到与光 轴测量基线大致平行； 2）若被测线为平面线，则xi代表被 测线长度方向的坐标值， yi为被测线 相对于测量基线的偏差值。 若被

9、测线移动瞄准靶2，同时记录各 点示值（yi）。再经数据处理求出直 线度误差值。 一、直线度的测量一、直线度的测量 4）激光准直仪法 氦氖激光器发出的激光的中心 连线构成激光准直测量的一条基 准直线。 当光电接收靶5中心与激光束中心 重合时，指示表指示为零，若靶 子中心偏离激光束中心，指示表 指示出数值即偏差值。测量时首 先将仪器与靶子调整好，然后将 靶子沿被测表面测量方向移动， 便能得到直线度误差的数值。 一、直线度的测量一、直线度的测量 5）双频激光准直仪法 当反射镜7的顶点在光轴上时，频率为f1的偏振光在R1点反射，频率 为f2的偏振光在R2点反射，则汇合光束的两个频率的光程差为零。 当反

10、射镜7的位置偏离光轴时，则频率为f1的偏振光和频率为f2的偏 振光的汇合光束的光程差不为零测出E值，最后获得被测表面相对 激光光轴的偏差。 二、平面度的测量二、平面度的测量 1.统一基准法 1）干涉法 对于精密小平面的平面度误差可 用干涉法测量。该法是以平晶表 面为基准平面，使它与被测平面 接触，在单色平行光照射下，形 成等厚干涉。调整平晶与被测表 面间的相对位置，使之产生较明 显的干涉条纹，然后根据干涉条 纹来评定平面度误差。当条纹数 不足一条时，则根据条纹弯曲程 度来评定平面度误差。 二、平面度的测量二、平面度的测量 1.统一基准法 2）水平面法 用水平面法测量平面度误差时，基准平面建立在

11、通过被测 表面上某角点，并与水平面平行的平面上，然后用水平仪 按节距法测出跨距前后两点的高度差，将水平仪在各段上 的读数值累加，可得各点对起始点得高度差，通过基面旋 转可求出被测平面得平面度误差 三、垂直度的测量三、垂直度的测量 1）在第一位置圆柱90度角尺和L 形90度角尺的顶端有光隙1， 将L形90度角尺翻转（第二位 置），如光隙1 2，则圆 柱90度角尺角度准确，误差全在 L形90度角尺。 2）如在第二检测位置，光隙变 到90度角尺根部且1 2， 则角度误差全在圆柱90度角尺。 3）如果1 2，则圆柱90度 角尺和L形90度角尺都有误差。 三、垂直度的测量三、垂直度的测量 90度角尺第一

12、位置测得导轨的不垂直误差1.25m，90度角尺翻 转后的不垂直误差0.25 m。不垂直误差为0.5-1.25-（ 0.25）-0.75 m。 一、角度和圆锥角的测量一、角度和圆锥角的测量 1.比较法 用角度样板测角度 用角度极限样板 检查角度 2.平台法 1）两内表面的夹角和内锥角的测量 r t 2 arcsin ) 2 arcsin(2 d dt d hh d hh 13 12 2 cos 2 cos 右 左 V形块对称 V形块不对称 2.平台法 2）两外表面的夹角和外锥角的测量 （用两直径相等的圆柱和量块测量） ) 2 arctan( 12 h ll 2.平台法 2）两外表面的夹角和外锥角

13、的测量 （用正弦尺测量） L H arcsin 2 1 3.用带圆周分度装置的仪器测量 1）光学分度头测量角度 首先将分度头主体3转过90度， 使分度头主轴与工作台面垂 直。在主轴锥孔中装上带有 尾锥的小平台2。在分度头基 座上有支座5，其上装有测量 时定位用的分度值小于1”的 自准仪4。 测量时先转动分度头主轴，放在小平台上的被测件1同时回转，使被测 件的一个边对准自准直仪，在分度头上读取度数1；继续转动分度头 主轴，至被测件另一个边与自准直仪对准，在分度头上读取第二个度 数2。两次读数之差为，则被测角度1800。 把圆周进行等分(例如n等分)，从而得到所需要的角度， 称为圆分度。实现圆分度

14、的器件为圆分度器件，例如度盘、 圆光栅盘、圆感应同步器、多齿分度盘等均可做为标准圆 分度器件。各种圆分度器件都具有圆周封闭的特点，对它 们进行圆分度时产生的不均匀性就是圆分度误差。 二、圆分度的测量二、圆分度的测量 二、圆分度的测量二、圆分度的测量 多齿分度盘是纯机械式的分度机构，它能达到0.1”的分度精度， 同时具有自动定心、操作简单、使用寿命长自动定心、操作简单、使用寿命长等优点。 多齿分度盘由两个直径、齿数和齿形均相同的上、下端齿组成，当 上、下两齿盘的齿被迫啮合时，便自动定心。它利用上、下齿盘强迫啮 合时产生弹性变形实现平均效应，因而可获得较高的分度精度。 1.精密多齿 分度盘 二、圆

15、分度的测量二、圆分度的测量 2.精密多齿分度盘的小角度分度器 1440齿分度盘的小角度分度盘 和1440齿分度盘主轴同轴，并 和下齿盘连成一体，小角度分 度盘可使1440齿分度盘的下齿 盘旋转，最大旋转量为1/4度。 配合1440齿分度盘的读数，可 测量0360度内的任意角度。 二、圆分度的测量二、圆分度的测量 3. 多齿分度盘的标定 1）使用精度更高的测角 仪器对多齿分度盘进行标 定 2）利用圆周360度封闭的 原理，用两个多齿分度盘 互检标定 圆形零件横截面的实际轮廓可看成是中心角的周期函数， 它以2为周期，因此可以用傅氏级数表示 )sin()( 1 0i i i iCr 由上式还可看出：

16、圆形零件横截面的实际轮廓是由一半由一半 径为径为r r0 0的圆和若干个不同次数谐波波形所迭加而成的圆和若干个不同次数谐波波形所迭加而成。其中常 数项r0为平均圆半径，一次谐波表示偏心的影响，而反映表 面粗糙度和表面波度的高次谐波也不属于圆度误差，所以圆 度误差可用下式表示： )sin()( 2 i n i i iCr 一、圆度的测量方法和圆度误差的评定一、圆度的测量方法和圆度误差的评定 圆度误差的几何特性 一、圆度的测量方法和圆度误差的评定一、圆度的测量方法和圆度误差的评定 圆度误差的图形表示 采用极坐标记录的圆度仪测的圆度误差曲线 一、圆度的测量方法和圆度误差的评定一、圆度的测量方法和圆度

17、误差的评定 圆度误差的评定 二、圆度仪及其测量精度分析二、圆度仪及其测量精度分析 1. 圆度仪的工作原理及类型 转轴式适用于测量大型工件，转轴转轴 式测量时，工件不动，传感器测头绕式测量时，工件不动，传感器测头绕 主轴轴线作旋转运动，测头在空间的主轴轴线作旋转运动，测头在空间的 运动轨迹形成一理想圆。运动轨迹形成一理想圆。工件实际轮 廓与此理想圆连续进行比较，其半径 变化由传感器测出，经电路处理后， 由记录器描绘出被测实际轮廓的图形， 或由计算机算出测量结果。转台式与 之相反，工件回转，而测头架不动。 不易测圆柱度、同轴度、平面度和垂 直度。TALYROND3、TALYROND73、 HYQ-

18、014A、DQR-1 二、圆度仪及其测量精度分析二、圆度仪及其测量精度分析 1. 圆度仪的工作原理及类型 可测圆柱度、同轴度、 平面度和垂直度、轴线 直线度等。 TALYCENTA、 TALYROND300、 JCS-042 二、圆度仪及其测量精度分析二、圆度仪及其测量精度分析 2. 影响圆度仪测量精度因素 1）主轴回转误差 2）工件轴线和主轴轴线偏心引起的误差 3）工件轴线对主轴轴线倾斜引起的误差 4）测量头形状和测头半径变化引起的误差 5）测量力的影响 6）测量头偏立引起的误差 三、主轴回转精度的测量三、主轴回转精度的测量 将高精度钢球卡在主轴的端部，尽量调整使其同心，然后 用测量仪测出其

19、径向跳动。 三、主轴回转精度的测量三、主轴回转精度的测量 建立如图所示的直角坐标系。O1点的极 坐标为x()和y()。s()为被测工件 的轮廓形状误差。测微仪A、B、C的输出 信号分别为A () 、B () 、C ()， 则 )()()(xSA 211 sin)(cos)()()(yxSB )sin()()cos()()()( 212121 yxSC 消去x()和y()得三点法误差分离基本方程为 )()()()()()()( 2131232 SCSCSCCBCAP 2212 sin/ )sin(C 213 sin/cosC 传感器组合信号)(P 三、主轴回转精度的测量三、主轴回转精度的测量 测量时，若取采样点数为N，则令 Nk /2 Nm /2 11 Nm /2 22 并将 )()()()( 21312 SCSCSP离散化 )()()()( 21312 kPmmkSCmkSCkS 最后求得任意时刻机床主轴回转运动误差