淺析機床誤差的測量與補償

韓 峰 魯 敏

摘要 隨著人們對加工精度要求的不斷提高,微位移技術也隨之產生。微進給機構是指行程小、靈敏度和精度高的機構,是精密機械和精密儀器的重要組成部分之一。本文對機床微位移機構誤差的測量與補償進行了探討。

關鍵詞 機床;誤差;測量;補償

中圖分類號 TG64文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708(2009)07-0024-02

超精密加工技術是從20 世紀60 年代發展起來的加工方法,其最大的特點是在綜合應用機械發展的新成就(新型軸承、導軌、傳動裝置、微位移技術等)以及現代電子、測量、計算機等新技術的基礎上大幅度提高機械加工的精度和水平,向機械加工精度的極限—納米級水平挑戰,目前它已成為機械加工技術發展的重要方向之一。

超精密加工技術作為高技術領域中的基礎技術,不管是在軍用工業,還是在國民經濟建設中都發揮著重要的作用,是尖端技術產品開發中不可缺少的關鍵手段。同時,它又推動著半導體技術、光電技術、材料科學及測量技術等相關領域的發展。因此,超精密加工技術是一個國家科學技術發展的重要支撐技術,也是衡量一個國家科學技術水平的重要標志。

1 機床主要誤差

傳統的超精密機床的精度主要是靠機床的基準元部件的精度達到的,而繼續提高機床部件的精度已十分困難,采用微量進給機構實現刀具的精確微小位移,并在加工過程中對加工誤差作出相應補償是保證零件尺寸加工精度、實現精密、超精密切削加工的必要手段。而利用電致伸縮陶瓷提高機床幾何精度的過程中,由于電致伸縮陶瓷的基本特性,在加工過程中,精微進給和粗進給應分開,以提高微位移的精度、分辨率和穩定性。將對機床的導軌誤差首先進行粗進給補償,而后利用開環控制系統對整個加工過程進行精微進給補償。導軌是機床上確定各機床部件相對位置關系的基準,也是機床運動的基準。車床導軌的精度要求主要有以下3個方面:在水平面內的直線度;在垂直面內的直線度;前后導軌的平行度(扭曲)臥式車床導軌在水平面內的直線度誤差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,對加工精度的影響最大。

臥式車床導軌在垂直面內的直線度誤差Δ2(見圖2)可引起被加工工件的形狀誤差和尺寸誤差。但Δ2 對加工精度的影響要比Δ1小得多。由圖可見,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Δ2=40mm,則ΔR=0.00025mm。由此可知,臥式車床導軌在垂直面內的直線度誤差對工件加工精度的影響很小,可忽略不計。

圖2 臥式車床導軌垂直面內直線度誤差

對工件加工精度的影響

當前后導軌存在平行度誤差(扭曲)時,刀架運動時會產生擺動,刀尖的運動軌跡是一條空間曲線,使工件產生形狀誤差。除了導軌本身的制造誤差外,導軌的不均勻磨損和安裝質量,也是造成導軌誤差的重要因素。導軌經過一定時間使用以后,必然會產生一定的磨損,而導軌的磨損是機床精度下降的一個重要原因,因而實驗時必須將其消除。

在實際的實驗過程中,首先要消除導軌在水平面內的直線度誤差,實現微進給系統的粗進給,但考慮到其它一些誤差的影響,直接對導軌進行測量明顯不夠精確,因此,在這里我們采用測量小刀架運動過程中水平面內的直線度誤差并進行誤差分離,以便給補給做準備。

2 用水平儀、自準直儀測量直線度

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

直線度誤差的檢測器具有:刀口尺、框式水平儀、合象水平儀、電子水平儀和自準直儀等。刀口尺用于檢驗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量,電子水平儀和自準直儀用于高精度工件的測量。對測量數據的處理有:兩端點連線法、最小二乘法和最小區域法。它們之間有著各自的優缺點,總體來說可歸納為以下幾點:

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

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

3)兩端點連線法簡單方便,在生產中廣泛應用。用該方法處理合格的零件,用其它方法必然合格。

4)有爭議時,應以最小區域法進行裁決。

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(分度值同自準直儀)進行測量。測量時將器具(水平儀或自準直儀反射鏡)放在根據被測長度選定的適當跨距的橋板上,首尾相接的移動橋板分段進行測量,使前一次橋板的末點與后一次橋板的始點重合,由水平儀或自準直儀讀出每個測量位置的讀數,這個讀數是后一點相對于前一點的測量值。

在橋板移動過程中,水平儀或反射鏡不得有相對于橋板的移動。在考慮水平儀讀數的正負號時,應考慮其移動方向,若水平儀從左向右移動,水平儀氣泡也向右偏移,則右支點升高,讀數應取正號。反之,若氣泡向左偏移時,則取負號。測量出結果后,將測量時讀得的器具的格值化為線值,按下試計算:a =τ La′,其中τ為器具分度值(mm/m);L為所用橋板跨距(mm);a′為讀數格值;a 為相應格值化的線值(mm)。若欲將化得的線值用μm表示,則為:a =1000τ La′兩端點連線法是一種通常不符合最小條件的近似檢測方法。由于它簡便、實用且能滿足比較高的精度要求,故在生產實踐上被廣泛應用。它是以首尾兩端的連線作為基準評定直線度誤差的方法。

參考文獻

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第四屆全國地理學研究生學術年會會議在京召開

第四屆全國地理學研究生學術年會于10月16~18日在中國科學院地理科學與資源研究所、北京大學、北京師范大學和首都師范大學隆重召開。本屆年會由中國地理學會、全國地理學研究生聯合會、中國科學院地理科學與資源研究所主辦,中國科學院地理科學與資源研究所研究生會、北京大學城市與環境學院研究生會、北京師范大學地理學與遙感科學學院研究生會和首都師范大學資源環境與旅游學院研究生會共同承辦,南京大學、中山大學、中國科學院等四十多家高校院所協辦。于貴瑞研究員、樊杰研究員、鄔倫教授、蔡運龍教授、周尚意教授、宮輝力教授等著名地理學者擔任大會學術指導委員會委員,全國地理學研究生聯合會主席、中國科學院地理科學與資源研究所博士生梁育填擔任大會主席。

本屆年會開幕式在中國科學院地理科學與資源研究所舉行,中國科學院地理科學與資源研究所于貴瑞副所長、北京大學鄔倫教授、中國地理學會青年工作委員會曹廣忠主任,北京大學城市與環境學院李雙成副院長、北京師范大學地理學與遙感科學學院邱揚副院長、首都師范大學資源環境與旅游學院趙文吉副院長、中國科學院地理科學與資源研究所研究生部王淑強副主任出席開幕式。于貴瑞副所長、曹廣忠主任、梁育填博士先后在開幕式上致辭,對本屆年會召開給予高度評價,對全國地理學研究生聯合會的工作給予肯定。隨后,大會進行頒獎和新成員聘書授予儀式。中國科學院地理科學與資源研究所研究生會等9個研究生會榮獲“優秀組織獎”,楊白潔、韓丹、張鵬巖、楊明金、張子龍、李樹奎、黃彥婷榮獲“個人突出貢獻獎”,上海師范大學旅游學院研究生會、江西師范大學地理與環境學院研究生會、寧夏大學資源環境學院研究生會被聘為全國地理學研究生聯合會成員單位。

本屆年會邀請中國科學院地理科學與資源研究所于貴瑞研究員做“生態系統生態學的發展與研究方法”、樊杰研究員做“加深認識、永續發展我國的經濟地理學——至2050年我國區域可持續發展研究的路線圖設計”、北京大學鄔倫教授做“數字地球和數字中國”的主題報告。這些精彩的報告為青年研究生了解學科前沿開拓了視野,堅定從事地理學研究的信心。本屆年會以“傳承地理學百年精粹,探究研究生創新之路”為主題,收到全國各個高校研究生的提交論文240多篇,經過評審老師的評定,挑選120余篇學術論文進行分會場報告,最后推選其中5篇論文為“中國地理學會百年慶典青年優秀論文”,有力地促進全國地理學研究生的學術交流。

本屆學術年會由中國科學院地理科學與資源研究所的主會場和北京大學自然地理分會場、北京師范大學人文經濟地理分會場、首都師范大學地圖遙感與GIS分會場組成,中國科學院地理科學與資源研究所研究生會主席張琴琴、北京大學城市與環境學院研究生會主席李丞、北京師范大學地理學與遙感科學學院研究生會主席萬為和首都師范大學資源環境與旅游學院研究生會主席劉佳娣擔任大會執行主席。