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文档简介

精密和超精密加工技术Precisionandultraprecisionmachining精密加工的测量技术1汇报人:某某某汇报时间:2024.X.X本章内容n

精密测量技术概述n

测量基准n

直线度、平面度和垂直度的测量n

角度和圆分度的测量n

圆度和回转精度的测量n

激光测量n

自由曲面的测量2§1精密测量技术概述一、精密测量技术的新发展

精密测量技术是机械工业发展的基础和先决条件之一。

精密测量是精密加工的重要组成部分,精密加工的精

度要依靠测量精度来保证,测量精度一般应比被测件

的精度要求高一个数量级。

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、光学加工等部门,

精密测量技术也被提到从未有过的高度。例如超大规

模集成电路、大口径空间望远镜、激光武器反射镜等

的超精密加工中都需要精密测量技术的保证。3尺子:mm级精度游标卡尺:0.1mm级精度一、精密测量技术的新发展千分尺:0.01mm级精度一、精密测量技术的新发展圆度仪0.

1µm级精度测微比较仪

1µm级精度5一、精密测量技术的新发展激光干涉仪

0.01µm级精度6一、精密测量技术的新发展近年来精密测量技术的新发展包括:

极高精度测量方法的测量仪器※

长度测量:1Å

(0.1nm)级精度的双频激光测量

系统和X射线干涉仪等;※

表面微观形貌测量:0.1nm级精度的扫描隧道显微

镜和原子力显微镜等;※

角度测量:0.01

″精度的精密测角仪等。

精密在线自动测量技术FMS柔性自动线上的三坐标测量机采用精密数控系统;

大批量生产中使用多种专用自动量仪,保证测量效率

和精度

测量数据的自动采集处理技术计算机技术的应用;数显、数据处理、图形化输出等。7二、精密测量的环境条件

恒温条件:由于材料热膨胀现象的存在,恒温成为精

密测量的必要条件。

隔振条件:采用各种减振隔振措施,避免振动的影响;

气压、自重、运动加速度和其它环境条件:在极高精

度的测量要求下,气压、自重和运动加速度的变化都会导致材料本身的尺寸发生微小变化,需要考虑。8三、量具和量仪材料的选择

根据材料线膨胀系数选择当量具和量仪用于恒温的计量室或用于测量绝对长度

时,应选择线膨胀系数尽量小的材料制作,这可使环

境温度变化引起的尺寸误差最小。

根据材料的稳定性和耐磨性选择淬火轴承钢GCr15的硬度大62~66HRC,耐磨性较好;

但长期使用会产生相变,体积和尺寸发生变化,尺寸

稳定性差;氮化钢(38CrMoAl)经表面处理后硬度高达70HRC

以上,且具有较好的尺寸稳定性,适合用于制造量具。9§2

测量基准一、米制长度基准

我国长度基准采用米制;

18世纪法国最早提出;

发展:先后经过国际米原器、氪波长基准、光速

基准几个阶段;

1983年11月第17届国际计量大会上,批准了米的

最新定义:米是光在真空中在1/299792458s的时间间隔内所

进行的路程长度。10二、量块——生产单位的长度基准

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,其长度为计量器具的长

度标准。

按JJG2056

1990《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。11三、工厂自己专用的长度基准

精加工工厂可使用经国家检定的自己的长度基准;

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。

继圆柱端面规后又制成步距规,英制的步距规每

一步距的增量为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0.05µm。12四、测量平台平台精度等级

测量平台采用00级或0级,生产中使用平台的测量表面

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0.6µm。平台结构

多数采用箱式结构,扁平的箱中有加强筋支承,具有

很高的刚度,能够保证高精度的测量。测量平台的材料

铸铁或花岗岩。测量平台的选择13

采用多点支撑法支撑测量平台,以减小平台受力变

形,提高测量精度。测量平台的支撑四、测量平台14四、测量平台

测量平台使用后,因磨损和变形会使精度下降,

需要定期复检测量平台表面的平面度;

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。测量平台本身的精度校验15§3直线度、平面度和垂直度的测量一、直线度的测量

检测长度较短时,可用刀口形直尺检测。根据光隙大

小测知表面的直线度,检测精度可达1~3μm;

检测长度较长时,采用分段检测其水平倾角,经数据

处理得到表面直线度的办法。精确检测表面倾角可用

电子水平仪、自准直光管或激光小角度检测仪。零件表面直线度的检测16零件表面直线度的检测一、直线度的测量

反射镜移动距离应小于反射镜座的长度。17一、直线度的测量

可在运动导轨上安

装高精度平尺,用

测微仪检测其直线

运动的直线度误差;

简单实用;

精度有限,通过翻

转平尺进行两次测

量,可消除平尺本

身的误差。直线运动的直线度检测18一、直线度的测量

还可用激光小角度检测仪检测。将激光小角度测量

反射镜放在运动导轨上,检测反射激光的偏角测出

直线运动不同位置处的运动倾角,数据处理后即得

到直线运动的直线度误差。

便于实现检测自动化;

可实现测量数据的自动处理,自动输出直线度误差

曲线。直线运动的直线度检测19二、平面度的测量

小面积高精度平面度测量,采用光学平晶观察其干

涉条纹形状测量平面度误差。用光学平晶检测平面度20二、平面度的测量

大平面的测量:可将被测表面划定不同方向的多条

直线,检测其直线度,综合后得到平面度误差。在第一位置圆柱90°角尺和L形90

°角尺的顶端有光隙δ1,将L

形90°角尺翻转(第二位置),

如光隙δ1

=

δ2,则圆柱90°角

尺角度准确,误差全在L形90°

角尺。2)如在第二检测位置,光隙变

到90°角尺根部且δ1

=

δ2

,则

角度误差全在圆柱90°角尺。3)如果δ1≠δ2

,则圆柱90°角

尺和L形90°角尺都有误差。圆柱角尺和L形角尺互检三、垂直度的测量:直角尺检测

22三、垂直度的测量:直角尺检测

直角尺翻转法,提高测量精度90

°角尺第一位置测得导轨的垂直度误差-1.25μm,90

°角尺翻转后的不垂直误差+0.25μm。垂直度误差为

Δ=

0.5×

[-1.25-(+

0.25)]

=-0.75

μm。§4角度和圆分度测量一、角度基准

角度块规:可用数块角度块规贴合成要求的角度。

误差易累积,应用有限;

多面体:有正12面体、正24面体、正36面体等,

配合自准直光管使用,精度高,是目前被认可的

角度基准;

多齿分度盘:

目前精密1440齿分度盘精度可以达

到0.05

″~0.1″,读数的重复精度0.02″,每转一

齿增量为0.25°

,配合自准直光管用作角度基准,

使用方便可靠。24二、正弦工作台

正弦工作台使用方便,但因误差影响因素众多,精

度有限。

25三、精密测量转台种类:※

精密蜗杆副再加凸轮误差补偿的机械式转台;※

有圆刻度尺和显微镜读数的光学转台;※

使用圆光栅的转台;※

使用圆感应同步器的转台。

其中圆光栅和圆感应同步器精密测量转台的测角精度

高达0.3″~0.5″,分辨率0.1″,数显读数、易于实现自

动测量,已是精密测量转台的主要品种。

旋转驱动机构和角度测量系统是分离的,不存在磨损。26

机械式分度盘,由两个直径、齿数和齿形都相同的,精度很高的上、下端面齿盘组成,齿数常用360、720、

1440几种,对应分齿增量1°、0.5

°、0.25

°。

上下齿盘在一定的轴向力下强迫啮合,产生齿距误差

的抵消均化作用使偏差总和接近于零。

工作时下齿盘固定,上齿盘抬起并旋转需要的角度后

和下齿盘啮合,根据转过的齿数判断分度数。

27精密多齿分度盘测量原理和结构四、精密多齿分度盘原理:四、精密多齿分度盘特点:

自动定心;

重复性好;

无角位移空程;

操作简便;

使用寿命长;

精度高(0.05

″~0.1″),可作为角度基准;

局限性:即使是齿数最多的1440齿分度盘也只

能测量0.25°倍数的角度,不能测量尾数更小

的角度。解决方案:附加小角度分度器。28精密多齿分度盘测量原理和结构四、精密多齿分度盘结构原理:

用细牙的精密千分丝

杠获得移动的高放大

倍数(

1400:1

)。

千分丝杠走的是直线,

而盘轮的相对运动轨

迹是圆弧,具有理论

非线性误差。由于旋

转半径大,角度较小,

误差甚小。

分齿精度:

0.3

″;

读数分辨率:

0.1

″。精密多齿分度盘的小角度分度器29四、精密多齿分度盘(

1

)采用精度更高的测角仪器进行标定

对于具有1440齿分度盘需要用质数齿的基准多齿分度

盘(其角增量不是整数)进行标定。标定精度高,但

多数单位无条件使用。(2)利用圆周360°封闭的原理,用两个多齿分度盘互精密多齿分度盘的标定检标定30空气轴承电主轴精密滚珠轴承各种精密机械、精密仪器的轴系有很高的

旋转精度的要求,控制圆度误差是保证形

状公差的核心内容。因此圆度误差的测量

是精密加工中的关键技术。圆度的测量方法§5

圆度和回转精度的测量一、圆度的测量方法和圆度误差的评定31一、圆度的测量方法和圆度误差的评定圆度的测量方法1

)直径法,测不同方向的直径,对具有奇数棱的零件不

适用;卡尺测量奇数

棱边硬币直径奇数棱边对圆

度测量的影响322)圆周界限量规,用塞规

和环规测量,主要是保

证尺寸公差,不能测量

圆度误差;3)在顶尖上旋转法,测量

精度受到顶尖和顶尖孔

精度的影响;4)V形块法,零件放在V

形块内,零件相对于侧

头转动测量测量精度受

V形块角度精度影响;一、圆度的测量方法和圆度误差的评定圆度的测量方法V形角度对圆度测量的影响33一、圆度的测量方法和圆度误差的评定圆度的测量方法5)三点测头法,测点相隔120°进行测量;6)圆度仪法,使用高精度回转轴和测头,相对运动形成

一个理想圆和工件外形比较,测出其圆度误差;7)三点法(或两点法)在线测量,进行误差分离,测出

工件的圆度误差。圆度仪是最主要的高精度孔和轴圆度误差的测量方法。34一、圆度的测量方法和圆度误差的评定

圆度误差:包容同一正截面实际轮廓且半径差最小的

两同心圆带间的距离(最小包容区域)。

根据圆度误差的几何特性,被测外圆轮廓可表示为中

心角θ的周期函数,它以2π为周期,可用傅氏级数表

示:

Ci

−傅氏系数αi

−初始位置圆度误差的定义和图形表示35一、圆度的测量方法和圆度误差的评定

由上式还可看出:

圆形零件横截面的实际轮廓是由一

半径为r0

的圆和若干个不同次数谐波波形所迭加而成。

常数项r0

为平均圆半径;

一次谐波表示偏心的影响;

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:

圆度误差的定义和图形表示36圆度误差的定义和图形表示采用极坐标记录的圆度仪测的圆度误差曲线37一、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

最小外接圆法:先求出包容实际轮廓曲线且半径最小

的外接圆,再画出和它同心且半径最大的内接圆,二

者半径差即为圆度误差。适用于评定轴的圆度。圆度误差的评定方法38一、圆度的测量方法和圆度误差的评定

最大内接圆法:先求出内切于实际轮廓且半径最大的

内接圆,再画出和它同心且半径最小的外接圆,二者

半径差即为圆度误差。适用于评定孔的圆度。圆度误差的评定方法39一、圆度的测量方法和圆度误差的评定

最小包容区域圆法(最小半径差法):以包容实际轮

廓且半径差为最小的两个同心圆的半径差为圆度误差。

得到的圆度误差小于前两种,计算比较复杂。圆度误差的评定方法40一、圆度的测量方法和圆度误差的评定

最小二乘方圆法:以最小二乘方法求的轮廓图形的中

线作为基础圆,再做同心的轮廓外切园和内切圆,二

者半径差即为圆度误差。圆度误差的评定方法41二、圆度仪及其测量精度分析1)测头随主轴旋转、被测工件固定不动

具有调心工作台,以调整工件

对测量轴的偏心和倾斜度;

可以检测较重或具有重量偏心

的工件;

可制成较高精度。特点:

测量圆度时效果很好;但受结构限制,测头或工件垂直或水平运动困难,难于测量圆柱度、同轴度、平面度和垂直度。42圆度仪的结构形式二、圆度仪及其测量精度分析举例:

英国TaylorHobson公司的TALYROND3、TALYROND73型圆度仪、我国上海机床厂的HYQ-014A、中原量仪厂的DQR-1等。TALYROND73TALYROND343圆度仪的结构形式HYQ-014A2)测头固定不动、被测件

随工作台旋转

具有调心工作台,以调整工

件对测量轴的偏心和倾斜度;

配备静压轴承的旋转工作台,

具有较高的精度和较大的承

载能力;

配备高精度直线导轨,可测

量圆柱度同轴度、端面平面

度、端面和轴线的垂直度、

轴线直线度等。工件较重或

偏心重量大使会影响精度。圆度仪的结构形式二、圆度仪及其测量精度分析44二、圆度仪及其测量精度分析举例:

英国TaylorHobson公司的TALYCENTA、TALYROND300型圆度仪、我国机床研究所的JCS-042等。TALYROND365圆度仪的结构形式TALYCENTA45二、圆度仪及其测量精度分析a)主轴回转误差:

直接反映为圆度测量误差。高回转精度

的主轴是保证圆度仪测量精度的保证;b)工件轴线和主轴轴线偏心引起的误差:安装偏心

e

误差数字记录中是偏心量的一次谐波项:Δ

e2

sinφ

φ:被测点的相位角

1

2R

R:工件平均半径c)工件轴线对主轴轴线倾斜引起的误差:倾斜角θ导致

椭圆形测量结果,测量误差为Δ

2

Rθ246影响圆度仪测量精度的因素二、圆度仪及其测量精度分析d)测量头形状和测头半径变化引起的误差:测量头端

部形状有:针形:测量误差最小,但包含粗糙度;易划伤表面;

球形:可消除粗糙度的影响,应用最广泛;斧形和圆柱形:用于低硬度工件测量,避免划伤表面并

消除粗糙度的影响;增大了工件轴线倾斜造成的误差。e)

测量力的影响:

选取原则是保证测头和工件表面接触

稳定且不划伤表面;f)测量头偏立引起的误差:测量小尺寸工件时尤其敏感。47影响圆度仪测量精度的因素三、圆度的在线测量

应用:利用机床主轴带动工件旋转,采用测微

仪在线测量零件的圆度,无需大型圆度仪;

测量结果包含主轴的回转误差,可以用三个测

微仪测量,以三点法误差分离原理去除主轴回

转误差。48四、主轴回转精度的测量用刚精度钢球测主轴回转精度

高精度标准钢球:圆度0.05~0.1μm;

用于测量回转精度在0.5~

1μm以下的精密主轴。49

用于0.1μm以下的主轴回转精度测量;

三个测微仪安装于同一平面内,轴线交于O点,夹角为φ1

,φ2

,φ1

>90

°

,

φ1+φ2

180

°

,建立直角坐标系。

主轴回转中心O1

的极坐标为x(θ)和y(θ)。

s(θ)为被测工件的轮廓形状误差。三个A(θ)=S(θ)

+

x(θ)B(θ)=S(θ+

φ1

)

+

x(θ)

cosφ1

+

y(θ)

sinφ2C(θ)=S(θ+

φ1

+φ2

)

+

x(θ)

cos(φ1

+

φ2

)

+

y(θ)

sin(φ1

+

φ2

)四、主轴回转精度的测量用三点法误差分离原理测量精密主轴的回转误差测微仪的输出信号分别为A

(θ)、B(θ)、C(θ),则50用三点法误差分离原理测量精密主轴的回转误差

消去x(θ)和y(θ)得三点法误差分离基本方程为

令n为工件转一周检测读数点数,

51C2

=−

sin(φ1

+φ2

)

/sinφ2

C3

=cosφ1

/

sinφ2四、主轴回转精度的测量式中:四、主轴回转精度的测量用三点法误差分离原理测量精密主轴的回转误差

D(θ)

=

S(θ)

+

C2

S(θ+

φ1

)

+

C3

S(θ+

φ1

+

φ2

)离散化,得到x

(k

)

=

A

(k

)

S

(k

)

利用傅里叶变换求的S(k),并得

到任意时刻主轴回转运动误差的

x、y向分量:D(θ)=S(k)

+

C2

S(k+

m1

)

+

C3S(k+

m1

+

m2

)5253圆度仪示例:Talyrond365/365XL技术参数

测量精度:<

0.02μm

锥度误差:

0.0003μm/mm

测量能力:300mm立柱

/500mm立柱

/900mm立柱

最大工件直径:

400~500mm

最大工件高度:

300mm/500mm/

900mm

最大测量深度:

160mm/160mm/

160mm

最大测量直径:

350~450mm

最大工件重量:自动调心调平:75kg手动调心调平:

20kg54圆度仪示例:Talyrond365主要特点

高精度空气轴承主轴

模块化设计,可选择手动至全自动测量系

落地式结构设计,不受环境影响

强大的软件可供选择,满足不同应

运动轴及回转轴采用高精度位置控制

海量数据采集,极高数据采集速度

可实现调整、测量、分析至结果输出的

全自动测量55圆度仪示例:Talyrond365§6

激光测量一、激光测量的应用范围和精度

测量长度、小角度、直线度、平面度、垂直度等;

测量速度、位移、振动、表面微观形貌等;

动态测量、在线测量等自动化测量;

大尺寸工件的测量。精度:

精度较高,双频激光干涉系统测量长度时分辨率达到

0.01μm,采用空气参数补偿后测量精度达到0.1μm以

上。

采用特殊稳频的高精度激光测量系统,测长度分辨率

达到0.7nm,测量精度2nm。56缺点:激光的频率和幅值的变化会影响单频激光干涉测

量系统的精度,因此环境(气压、湿度、温度、

气流等)变化将影响测量精度。57二、单频激光测量原理三、双频激光测量原理

测量变化量△f2

为频率调制信号,中心频率与被测件

移动速度无关,可用高放大倍数的窄带交流放大电路,

测量灵敏度高且稳定;

环境变化导致频率差变化不大,影响较小。58四、激光测量小角度原理

59五、多路激光长度测量60六、激光测量中的空气参数补偿和提高激光测量精度

空气参数补偿:在测量环境下用精度较高的测温传感

器、压力传感器和湿度计测出具体的温度、气压和湿

度,计算出它们对激光测量造成的误差值,在激光测

量结果中给予修正;

双频激光测量系统有空气参数补偿后,测量精度可达

±0.1μm;

先进的稳频方法:LODTM

大型光学金刚石车床的SP125氦氖激光器采用碘原

子稳频器,使激光频率稳定

性达到10-9。测量精度达到

2nm,分辨率0.625nm。61七、使用光纤的激光长度测量系统

使用光纤传输激光,激光头可随意放置,没有传输激

光的固定封闭管路;

不易受环境变化的影响;

不能用于双频激光传输。62

激光测量具有较高的测量分辨

率和很大的行程,既可测量表

面粗糙度,也可测量表面形貌;

采用扫描法对被测表面进行逐

点扫描,测出各点的

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