国内外高精度直线度测量技术的研究现状 - 宁延平 - 图文-

1、现代制造工程2005(6国内外高精度直线度测量技术的研究现状宁延平刘战锋摘要对国内外出现的各种高精度直线度测量方法进行了系统的归类和详尽的对比,并对存在的问题和未来发展趋势进行评述。关键词:直线度测量中图分类号:TH 16文献标识码:A 文章编号:16713133(200506008203The status of h i gh prec isi on li n ear m easure techn i ques i nsi d e and outsi d eN i n g Yanpi n g ,L i u ZhanfengAb strac t A ll ki nds of h i gh pr

2、ecise straigh t ness m easuring m ethods t ha t have com e fo rt h i n t he wo rl d are ana l y zed and contras -ted .The questions that lie i n t he exactit ude linearity m ea s u re and what w ill be to m orro w a re a lso expa tiated .K ey word s :S traigh tness M eas u re世界各个国家对直线度测量领域一直予以高度重视,并

3、不断推出新型高精度直线度测量方法和装置,以满足日益增长的对产品质量的要求。目前国内外在圆度、平行度以及表面粗糙度等计量领域甚至已达到纳米级测量精度水平,然而直线度的测量精度却不高,特别是在大长度范围的直线度测量领域,其精度水平更远远落后于其他计量项目。国际上只有美国N I ST ,德国PTB ,原苏联国家标准局,美国劳仑斯国家实验室,日本O saka 大学,美国Lockheed 火箭和空间公司等达到了0.1m /m 或更高的精度水平。我国目前仍采用长平晶组分段互检方法作为直线度检定基准,测量精度不高(特别是在测量大尺寸零件时尤为明显。这种状况严重制约着我国精密计量测试领域的发展步伐。因此,对国

4、内直线度测量方法进行研究,具有重要的意义。1国内外直线度测量技术的研究现状纵观国内外所报道的直线度测量方法,测量精度低于0.5m /m 的为一般精度水平,高于0.5m /m 的属高精度测量,而高于0.1m /m 者属国际先进水平。但由于测量方法种类繁多,目前尚未见到统一而合理的分类方法。按照测量中有无直线基准,可将直线度测量方法大体上归纳为两大类。1.1无直线基准测量无直线基准测量法,是指被测对象直线度的测量不是与某种直线基准进行比较,而是沿被测表面以线值测量的方法,得到被测表面上各采样点的偏差值,然后经数据处理得到被测对象的直线度误差值。无直线基准测量主要采用误差分离法。所谓误差分离法(E

5、rr o r Separation Technique ,EST 是指从测量结果中将标准量的误差和被测量的误差分离开来,从而提高测量精度和测量效率。按照信息获得的途径不同,无直线基准测量法又可分为反向法、错位法和多测头法。1反向法是将被测零件进行两次安装,并分别进行两次测量,两次安装的位置正好反向,经数据处理求出被测零件的直线度误差。根据采用的直尺的数量,又可分为单尺法,双尺法和三尺法。单尺反转测量法原理如图1所示,将被检直尺放在滑板上,滑板沿床身作直线运动,由激光系统对直尺上各采样点进行测量。首先按图1a 所示状态进行测量,然后将直尺(被测件及整个测量系统反转180°(如图1b 所

6、示进行第2次测量,最后将两次测量的数据进行处理,即可得到直尺的直线度误差及滑板移动的直线度误差。据报道,用这种方法水平方向测量精度为13nm ,垂直方向为50nm 。4结语基于弦截迭代法进行圆弧齿轮公法线长度计算,借助于计算机,比手工计算大大降低了工作量,而且精度也得到了保证,为生产提供了方便,此方法已在多家机械厂推广。参考文献1徐灏.机械设计手册(第三卷M .北京:机械工业出版社,19912田克明.齿轮手册M .北京:机械工业出版社,19903太原工业大学齿轮教研室.圆弧齿轮M .北京:机械工业出版社,1982作者通讯地址:1兰州工业高等专科学校机械系(7300502兰州兰石国民油井工程公司

7、(730050收稿日期:2004102882仪器仪表与检测DOI 牶牨牥牣牨牰牱牫牨牤j 牣cn ki 牣牨牰牱牨牠牫牨牫牫牣牪牥牥牭牣牥牰牣牥牫牬 现代制造工程2005(6图1单尺反转误差分离原理2移位法是通过被测零件的起始测量位置的变动进行两次测量,即第1次测量后,被测件向前平移一跨距,再进行第2次测量,经数据处理可消除测量基准本身的直线的误差,求出被测件的直线度误差。3多测头法也叫多测点法,其测量原理如图2所示。在测量架上安装多个测头(A,B,然后以测头间距(L为步长逐次测量,各次测量的首尾端点相接,并记录下每个测头的读数,然后通过数据处理进行误差分析,可同时得到被测表面的直线度和测量架

8、的直线度偏差。图2多测头法测直线度误差综上所述,误差分离法EST测量直线度误差的特点为:(1实用可靠,适用于在线或离线测量,一次测量可获得多项测量误差,提高了测量精度和测量效率。(2当长度L(被测件的总长度一定时,采样点数N越大,测量精度越高。(3在保证同样测量精度的条件下,可显著降低对基准件及量仪的精度要求。(4受多种因素影响,如测量装置结构参数选择不当、测头间距误差、传感器标定误差、工件安装误差等,使测量准确度下降。1.2有直线基准测量直线基准测量法是直接采用一定的直线基础(S traight Line Re ference,并以此基准来检测被测表面的直线度偏差(线差或角度值,从而获得被测

9、表面的直线度误差值。所采用的直线基准通常有三种:实物基准、重力水平基准和光线基准。其常用测量方法如下。图3光隙法测直线度误差1光隙法是用刀口尺作为理想直线测量直线度误差的一种方法,如图3所示。这种方法通常用于对尺寸较小的磨削或研磨表面进行测量。直线度误差大小可通过测刀口与表面间光隙的大小来判断,误差值大小由比对法获得。在良好的照明条件下,可以清楚地判断出1m的微小间隙。2节距法把被测要素按一定长度(节距划分为若干等分,然后使其测量微小角度的仪器测出各等分段相对于自然水平基准或某一固定光轴的倾角,再根据等分的长度将各段的角值偏差换算为线值偏差,最后根据该组线值偏差数据评定被测要素的直线度误差。3

10、测微仪法(打表法通常以平板、导轨或平尺作为测量基准。其测量原理如图4所示,当测微仪台架图4打表法测直线度误差在平板上移动时,仪器测头随之划过被测表面,测头的上下移动量反映出被测表面相对于平板(测量基准的变化状况。也可以事先在被测表面上确定若干测量点,测量仪只在各测量点上测取数据。测微仪的最大读数之差就可以作为被测要素的直线度误差。该方法特点是操作简单、测量精度相对较高,可达5m。缺点是测量基准存在着一定的误差,测量速度较慢,不能实现在线测量。4三坐标法。三坐标测量机是近二十年来发展起来的一种以精密机械为基础,结合光栅与激光干涉技术、计算机技术、应用电子技术等先进技术的测量设备。利用三坐标测量机

11、(或机床的高精度导轨作为直线基准,在工作台沿床身导轨移动过程中,利用固定不动的测微表测量被测件表面各采样点的偏差值。该法具有高精度、测量灵活、系统柔性好的优点,但测量属于接触测量,对于定位点的确定需要一定技巧,测量速度较慢。随着测量工件的增大,系统往往需要配有高精度的长导轨,不适合于在线实时测量,适合于离线抽检。5平晶干涉法是以平晶的工作面作为测量基准。图5平晶干涉法测直线度误差测量时,选择与工件尺寸相当的平晶,然后将平晶工作面紧贴于被测工件表面,如图5所示。由于被测工件表面有直线度误差存在,所以在平晶工作面上产生等厚干涉条纹,干涉条纹的条数N与间隙量f相对应。由于尺寸较小的加工表面多呈凸形或

12、凹83仪器仪表与检测 现代制造工程2005(6形,所以其直线度误差f =N /4(为投射光的波长,其特点是测量精度高(可达1m ;对被测表面质量要求较高。6激光准直仪法是以激光光束的能量中心线为直线基准,由光电位置敏感元件进行测量。其测量原理为:由氦-氖激光器发出的一束激光经准直后射向目标测量靶,该靶中心有一块圆形四象限硅光电池,两两相对的硅光电池接成差动式。其中心与靶子的机械轴线重合。上、下一对硅光电池,可用来测量靶子相对于激光束在垂直方向上的偏移;左、右一对硅光电池,可用来测量靶子相对于激光束在水平方向上的偏移。当光电接收靶中心与激光束能量中心重合时,相对的两个光电池接收能量相同,因此输出

13、光电信号相等,无信号输出,指示电表指示为零。当靶子中心偏移激光束能量中心时,相对的两个光电池有差值信号输出,通过运算电路可用指示表指示出数值或用纪录仪纪录下曲线。因此,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原始数据。其缺点是不易达到很高精度,因为光线在空气中并非绝对准直,测量范围越大,其偏差就越大;采用的光电位置敏感元件的测量精度较难大幅度提高;光束在传播过程中容易受到各种干扰而出现偏差。7双频激光干涉法是将同一激光器发出的光分成频率不同的两束光,且使这两束光产生干涉,以涡拉斯顿棱镜作为位置敏感元件进行测量。其优点是测量距离大,测量速度高,抗干扰能

14、力强,尤其是抗空气扰动的能力强,因此它适于在车间等环境稍差些的场合应用,测量精度可达0.4m 。8激光全息法是1984年由日本的K iyo fu m iM at -suda 等人提出的。原理如图6所示,由激光器3发出的光束经过分束器4后分为两束光F 1和F 2。F 2经途中的光学系统后照射在全息底片2上,形成目标光束。F 1经光学系统成像后照射到散射板5上,然后也落在全息底片2上,并与F 2发生干涉,从而形成全息图。当光学单元1沿光轴方向移动并出现横向位移时,将使干涉条纹发生变化,从而可测得其直线度偏差。2直线度测量的发展方向与目标形位误差的测量大多采用间接测量法,需要经过较复杂的数学运算才能得到最终的测量结果,所以形位误差的智能化测量便成为领域所追求的一个目标。同时,在保证一定测量精度的前提下,使直线度的测量方法简化、测量装置的制造成本降低也是机械制造行图6激光全息法测直线度误差1.光学单元2.全息底片3.激光器4.分束器5.散射板业追求的一个目标。总之,对直线度的测量过程和测量结果有两方面的要求,一是精确度要求,即测量结果必须达到一定的可信程度;二是经济性要求,即在保证测量结果精确性的前提下,应使测量过程简单、经济,花费代价最小。要满足这两方面的要求,应使用集光、机、电、算等