坐标测量机高精度测头技术

1、工艺与检测TechnologyandTest坐标测量机高精度测头技术High_PrecisionProbeTechnologyforCMM孙涛张龙江(哈尔滨工业大学)摘要:介绍了坐标测量机高精度测头的研究发展现状;分析了接触方式、光学方式、扫描方式测头的优缺点;研究了日本松下公司研制的高精度测头测量原理;基于原子力微探针的基本原理,设计了一种新型的坐标测量机测头;指出了采用原子力准接触技术是测头向高精度发展的方向之一。关键词:三坐标测量机测头原子力微探针非接触测量的最大特点就是测量力为零,但光学式非接触式测头由于光线的干涉和衍射现象,其测头精度只在微米量级。目前出现的几种非接触式光学测头如瞄准

2、显微镜测头、光学点位测头和电视扫描测头都是现有技术在三坐标测量机上的应用1,其结构复杂,应用范围非常狭小。激光技术和光纤传感技术的出现使三维激光测头的发展有了可能2,3。国家自然科学基金委员会对激光干涉测长和激光干涉柔性坐标测量系统给予资助,国防科工委对三维激光测头的开发研究也极为重视,并为其九五重点预研项目三维激光测量机测头的开发研究提供经费进行研究。测头的三维测量重复性指标为0.1m,分辨率为0.01m,但目前还只在预研和探索阶段。1引言零部件加工、装配的在线与离线测量是产品制造业的关键环节之一,三坐标测量机是主要的检测仪器。随着科学技术的发展,各种零部件的设计、加工、装配的精度将越来越高

3、,对测量与检测技术提出了更高的要求。三坐标测量机主要包括能产生三维测量运动的测量机主体、数据处理及控制系统、测头和软件四大部分。其中测头精度一直是制约三坐标机总体精度指标提高的重要环节,目前我国高精度三坐标机测头还只在微米级,不适应目前出现的亚微米、纳米制造领域中零件的高精度检测。2高精度坐标测量机测头的技术现状在三坐标测量机发展的二三十年历史进程中,测头本身也经历了自己的发展历程。到目前为止,测量机测头主要分以下几类:接触式硬测头、接触式软测头和非接触式(光学)测头等,其中接触式软测头又分为开关式发信测头和扫描测微测头。目前大量应用的是开关式发信测头2,大部分由英国RENISHAW(雷尼绍)

4、公司提供,其中精度较高的是TP系列。常规接触式测头是由红宝石材料做成,优点是接触变形和侧向摩擦小,缺点是接触力造成的局部弹性变形及安装测球的测杆产生的弯曲变形很大,以及存在各向异性、开关行程、开关行程分散性、复位死区等误差。目前市售的这类测头的重复性精度只能达到微米及零点几微米,使测量机整体测量的精度不能再得到提高。3原子力微探针技术的发展近些年扫描探针显微技术迅速发展起来,扫描探针显微镜(ScanningProbeMicroscope,简称SPM)的计量标准国际化已经得到重视,先后提出并研制了计量型SPM46。德国PTB研制的计量型原子力显微镜具有纳米计量仪器的特性,可以将几何长度测量追溯到

5、光波波长,并在仪器上建立参考坐标系,使重复测量相对于参考坐标来进行。这种计量型原子力显微镜在其测量范围内,任意两点间距离的测量不确定度为U95=5nm+210-4l(l为任意两点间距);在Z轴上的测量不确定度为U95=1.1nm+210-4h。为了测量更微小的尺寸,近些年美国开始研制分子测量机8。在隔振、恒温、防尘的真空基架内装有可哈尔滨青年科学基金坐标测量机纳米精度瞄准测头的技术研究(项目编号:9961218010)资助28制造技术与机床2001年第10期TechnologyandTest工艺与检测三维位置控制的操作平台,一个STM头在光学干涉系统监测下完成对分子尺度的测量,其测量分辨率据报

6、导可达0.05nm以内,是目前所报导的最高尺寸重复性的微尺寸测量仪器。但即使计量性SPM也由于工作范围的限制,不能进行微尺寸坐标测量。1994年7月日本曾报导,日本松下电器产业公司新开发的装有当今世界最高准确度的原子力测头的UA3P型三坐标测量机,可以测量任意的三维形状,测量准确度可高达0.01m,远小于常规的高精度三坐标测量机测头0.1m的测量精度,最大倾斜角可达60,测量范围最大为400mm7。其测量原理见图1。上,并反射给四象限位置检测器(PSD),通过位置检测器垂直方向两个象限的光点位置变化来判断探针的上下移动量。当探针接触被测轮廓并产生原子排斥力而变形时,光点在PSD上的位置发生变化

7、,PSD输出的光电流产生变化,系统处理其变化方向信息并反馈给与微悬臂相联的PZT,控制PZT伸缩重新使PSD输出恒定的光电流,这时电容传感器测得的PZT位移量即为原子力探针组成的测头的位移量。图3原子测头结构简图1探针2铟钢杆3激光器4调整机构5PSD6PZT7电容传感器图1松下公司原子力测头示意图1原子力探针2原子3测定面4测定物5弹性元件6测量悬臂变形的光学系统测头光路系统包括激光光源、准直及聚焦透镜、微悬臂、光敏四象限位置检测器、机械调节系统及悬臂铟钢支架等。激光光源采用可见光半导体激光器(GaAlAsLaser670nm,3mW)作为单色光源,微悬臂由Si3N4材料制成,背面带有镀金镜

8、面,微悬臂的弹性系数约为几个N/m,PSD的四极呈 形放置,调零时反射光斑座落在中心,上下两极用作原子力检测信号,经第一个AD524输出后作为感应信号;左右两极为横向力信号,经第二个AD524输出后作为消除偏载力影响信号。在机械设计上,光敏检测器和激光需三维可调,这里用调整机构4来完成,以利于光斑准确汇聚在微悬臂和反射到PSD上。这种测头由于具有极其微小的接触力,因而其接触力误差在坐标测量中几乎可以不记。经测定其Z向重复性可达0.04m。这种测头可进行非接触连续测量,其原子力测头的曲率半径有0.5mm和2m两种。但其测量力为10-4510-4N,远远大于原子力范畴。原子力是指被测表层对测针之间

9、的原子排斥力,一般在10-9-710N之间。该测头的测量力仍完全属于宏观机械接触力,因此仍可根据接触力的经验公式触力造成的变形误差在亚微米级。8,计算出其接4原子力测头技术根据日本松下公司原子力测头的设想,我们研制了坐标测量机真正原子力的三维测头。原子力探针检测系统示意见图2,其结构原理如图3。5结束语本文提出采用原子力准接触(接触力10-610-9N)方式实现微尺寸坐标测量。完全消除了接触式测头的弹性变形误差和测杆变形随机误差及光学非接触图2原子力探针检测系统示意图1电容传感器2半导体激光器3压电管PZT4微悬臂及探针5位置检测器PSD方法的误差,使三坐标机测头的测量精度得到较大提高。这一方

10、法是高精度测头的发展方向之一。参考文献1肖贵福对发展坐标测量机测头的新思考现代计量测试,1995(4)2KazuoYamazaki,KeeSeinlee.NoncontactProbeforContinuousMeasurementofSurfaceInclinationandPositionUsingDynamicIrradiationofLightBeam.AnnalsoftheCIRP,1993,42(1)原子力测头探针微位移的基本检测方法采用光学杠杆方式。这一系统是利用半导体激光器发生的准直激光束照射在与微探针相连的经过力学设计的微悬臂制造技术与机床200129工艺与检测Technol

11、ogyandTest亚干式切削机理的探讨AboutNear_dryCuttingMechanism任家隆(华东船舶工业学院)摘要:由于环境保护的要求,人们希望实现绿色、少或无切削液加工。文章通过绿色冷风冷却和微量添加剂相结合的亚干式切削方法,对GCr12、Cr12、45钢等几种金属材料进行了切削试验,分析了切削过程中切削力、切削热、刀具磨损等因素的变化,以及该切削方法与其它切削方法的比较,探讨了亚干式切削的可行性。关键词:冷风加工亚干式切削机理22试验装置(1)机床及测量仪器:机床(CA6140车床);测力仪(Y60_3A)、光线示波器(SC16型)、X-Y函数记录仪(CZ3-304,精度0.

12、5mm,规格:25mm30mm);自制刀具工件热电偶,电压表(Pz26b);BCJ-2型表面粗糙度检测仪;WNY-150医用测温仪。(2)冷风发生装置:自制设备,温度最低可调至-35。(3)刀具:车用机夹刀片。切削GCr12时使用德国产SNMM120408-NR7WAP30(测切削力时);SNMM150612WPA20(测切削热时)。切削45钢时使用国产YT15SNMM120408(测切削力时),YT15SNMM150612(测切削热时)。切削Cr12钢时使用国产YW1(测切削力时),YT15(测切削热时)。23切削试验方法本试验采用的试验装置如图1所示,即将压缩机产生的压缩气体送至冷风发生装

13、置,并由仪器、开关调节到所需温度,再由图1试验装置喷嘴喷射到刀具前刀面和切屑之间,从而起到排屑和冷却切削区的作用。而亚1前言世界上的一切财富都是人力资源开发自然资源的产物,其中制造业占有重要的地位,它既能创造财富,又是污染的源头1。据美国工业有害废物来源统计表明:金属加工业占工业废物来源的5%,排第4位2。其中传统加工所使用的切削液给环境造成了严重的污染。可持续发展呼唤绿色制造,清洁生产需要绿色加工。本文主要利用绿色干加工技术之一亚干式切削对几种金属材料进行切削加工试验,并探讨该切削加工方法的机理及优势。2试验方法21试验材料被切削材料分别选用45钢,26HRC,D=75mm;GCr12,58

14、HRC,D=76mm;Cr12,52HRC,D=82mm。45钢是中碳钢的代表,其特点是切削性能好;GCr12是高强度轴承钢的代表,其特点是耐磨损,切削过程中所需功率大,刀具磨损严重;Cr12的特点是具有较高的抗拉强度,导热率低,切屑内的温度梯度高,加工中切屑刀具接触表面温度高,极易加剧刀具的扩散磨损,加之其粘性大,切屑极易粘着刀尖,影响加工质量,影响切削过程的稳定性。3费业泰坐标测量机激光非接触式测头的研制现代计量测试,1994(5)4K.Bienias等计量型原子力显微镜计量学报,1998,19(1)5Y.Xu,S.T.Smith,P.D.Atherton.AMetrologicalSca

15、nningForceMicroscope.PrecisionEngineering.1996(19)6P.A.McKeown.FromPrecisionEngineeringtoMicroandNano_technologies.ProceedingofSymposiumonNano_metrologyinPrecisionEngineering.HongKong,1998.干式切削时,添加剂以滴注方式随冷风带入前刀面和7吉住惠一,久保圭司原子间力-搭载超高精度三次元测定机NationalTechnicalReport,1993,39(5)8张善钟精密仪器精度理论北京:机械工业出版社,1995

16、第一作者:孙涛,哈尔滨工业大学413信箱,邮编:150001,电话:(0451)6415244(编辑符祚钢)(收修改稿日期:2000-11-25)30制造技术与机床2001年第10期RelationBetweenRacewayGeometricDimensionandPerformanceofLinearRollingGuidewaySUNJianli(HuazhongUniversityofScience&Technology),etal.(18)Abstract:Basedonthetheoreticstudyontheratedstatic,dynamicload,rigidityand

17、frictionforlinearrollingguideway,andtherelationshipbetweentheracewaygeometricdimensionandaboveperformances,theoreticreferenceisprovidedforthedesignandapplicationoflinearrollingguideway.Keywords:LinearRollingGuideway,RatedStaticLoad,RatedDynamicLoad,Rigidity,FrictionToOptimizetheSelectionofPartTolera

18、ncesBasedonAssemblyRequirementJIANGJunxia(ZhejiangUniversity)(20)Abstracts:Tomarkdimensionsandtolerancesonthedesigningdrawingarethetwoimportantphasesforproductdesign.Toimprovetheinter-changeability,reducecostandscraps,anewwayforoptimizingtolerancesforassemblingpartsispresented.Thewaycansetupanoptima

19、lmathema_ticmodelcontainingseveralvariablesandrestrictingconditionsbasedontheinitiallydistributedtoleranceandassemblyrequirement,anddeterminethedimensionaltoleranceofeachpartthroughplannedsolution,sothatallassemblyrequirementsaremet.Thewayissimpleandsuitableforallusers.Keywords:Tolerance,AssemblyReq

20、uirements,OptimizationResearchandDevelopmentofAUniversalPDM-basedProductStructureCreatingSystemHUShaobo(TsinghuaUniversity),etal.(23)Abstracts:AuniversalPDM-basedautomaticproduct-structure-treecreatingwayispresentedinrespecttothecreatingwayofproductstructureinPDMsystemandfeaturesofdifferententerpris

21、es,andtheoverallframeworkofthesystem,thedesigningphilosophyandrealizingwayofeachfunctionalmoduleareintroduced.Keywords:PDM,Universal,IMANProduct-Structure-TreeRapidArcInterpolationAlgorithmwithNegativeDeviation-4-TANGXuefei(LianyungangChemicalHighTrainingSchool),etal(26)Abstracts:Arecursionalgorithm

22、forarcinterpolationispresented,whichissimple,whosespeedisneartopoint-to-pointcomparisonwayandinterpolationaccuracyissimilartothatofLeastDeviationmethod,anditisfeaturedbynegativedeviation.Keywords:ArcInterpolation,Deviation,JudgingFunctionHigh-PrecisionProbeTechnologyforCMMSUNTao(HaerbinUniversityofT

23、echnology),etal.(28)Abstracts:Researchanddevelopmentstatusofhigh-precisionprobeofCMMisintroduced;advantages&disadvantagesofcontact,opticalandscanningprobeareanalyzed;measuringprincipleofhigh-precisionmeasurementdevelopedbyJapanesePanasonicCo.isstudied;anewtypeofCMMprobeisdesignedbasedonthebasicprinc

24、ipleforatomicforcemicroprobe.Thetextpointsoutthattouseatomicforcenear-contacttechnologyisoneofthetendenciesforprobetodeveloptowardhigh-precisionone.Keywords:CMM,Probe,Atomic-forceMicroProbeAboutNear-dryCuttingMechanismRENJialong(HuadongShippingIndustryCollege)(30)Abstracts:Demandingbyenvironmentalprotection,peoplehopetohavegreenmachiningorprocesswithminimumornocuttingfluid.Throughanear-drycuttingwaycombi