浅析机床误差的测量与补偿

韩 峰 鲁 敏

摘要 随着人们对加工精度要求的不断提高,微位移技术也随之产生。微进给机构是指行程小、灵敏度和精度高的机构,是精密机械和精密仪器的重要组成部分之一。本文对机床微位移机构误差的测量与补偿进行了探讨。

关键词 机床;误差;测量;补偿

中图分类号 TG64文献标识码 A 文章编号 1674-6708(2009)07-0024-02

超精密加工技术是从20 世纪60 年代发展起来的加工方法,其最大的特点是在综合应用机械发展的新成就(新型轴承、导轨、传动装置、微位移技术等)以及现代电子、测量、计算机等新技术的基础上大幅度提高机械加工的精度和水平,向机械加工精度的极限—纳米级水平挑战,目前它已成为机械加工技术发展的重要方向之一。

超精密加工技术作为高技术领域中的基础技术,不管是在军用工业,还是在国民经济建设中都发挥着重要的作用,是尖端技术产品开发中不可缺少的关键手段。同时,它又推动着半导体技术、光电技术、材料科学及测量技术等相关领域的发展。因此,超精密加工技术是一个国家科学技术发展的重要支撑技术,也是衡量一个国家科学技术水平的重要标志。

1 机床主要误差

传统的超精密机床的精度主要是靠机床的基准元部件的精度达到的,而继续提高机床部件的精度已十分困难,采用微量进给机构实现刀具的精确微小位移,并在加工过程中对加工误差作出相应补偿是保证零件尺寸加工精度、实现精密、超精密切削加工的必要手段。而利用电致伸缩陶瓷提高机床几何精度的过程中,由于电致伸缩陶瓷的基本特性,在加工过程中,精微进给和粗进给应分开,以提高微位移的精度、分辨率和稳定性。将对机床的导轨误差首先进行粗进给补偿,而后利用开环控制系统对整个加工过程进行精微进给补偿。导轨是机床上确定各机床部件相对位置关系的基准,也是机床运动的基准。车床导轨的精度要求主要有以下3个方面:在水平面内的直线度;在垂直面内的直线度;前后导轨的平行度(扭曲)卧式车床导轨在水平面内的直线度误差Δ1(图1)。将直接反映在被加工工件表面的法线方向(加工误差的敏感方向)上,对加工精度的影响最大。

卧式车床导轨在垂直面内的直线度误差Δ2(见图2)可引起被加工工件的形状误差和尺寸误差。但Δ2 对加工精度的影响要比Δ1小得多。由图可见,若因Δ2而使刀尖由a下降至b,不难推得工件半径R的变化量ΔR ≈ Δ 22/ D。若设Δ2=40mm,则ΔR=0.00025mm。由此可知,卧式车床导轨在垂直面内的直线度误差对工件加工精度的影响很小,可忽略不计。

图2 卧式车床导轨垂直面内直线度误差

对工件加工精度的影响

当前后导轨存在平行度误差(扭曲)时,刀架运动时会产生摆动,刀尖的运动轨迹是一条空间曲线,使工件产生形状误差。除了导轨本身的制造误差外,导轨的不均匀磨损和安装质量,也是造成导轨误差的重要因素。导轨经过一定时间使用以后,必然会产生一定的磨损,而导轨的磨损是机床精度下降的一个重要原因,因而实验时必须将其消除。

在实际的实验过程中,首先要消除导轨在水平面内的直线度误差,实现微进给系统的粗进给,但考虑到其它一些误差的影响,直接对导轨进行测量明显不够精确,因此,在这里我们采用测量小刀架运动过程中水平面内的直线度误差并进行误差分离,以便给补给做准备。

2 用水平仪、自准直仪测量直线度

直线度表示被测实际要素直的程度。直线度是一项控制直线(面与面的交线,平面内的直线,圆柱、圆锥体素线或轴线)的形状误差指标。直线度是指被测实际线对理想线的变动量,可分为给定平面内的直线对误差,给定方向的直线度误差和任意方向的直线度误差。

直线度误差的检测器具有:刀口尺、框式水平仪、合象水平仪、电子水平仪和自准直仪等。刀口尺用于检验短小工件的直线度误差,框式水平仪用于精度要求不太高的工件的测量,电子水平仪和自准直仪用于高精度工件的测量。对测量数据的处理有:两端点连线法、最小二乘法和最小区域法。它们之间有着各自的优缺点,总体来说可归纳为以下几点:

1)每种方法的计算法和作图法所得结果基本相同,相差甚微,差值乃作图,误差所致。

2)最小区域法所得结果的数值最小,两端点连线法所得结果最大,最小二乘法介于两者之间。直线度误差数值小时,三者差别甚小,直线度误差数值大时,三者差别较大。

3)两端点连线法简单方便,在生产中广泛应用。用该方法处理合格的零件,用其它方法必然合格。

4)有争议时,应以最小区域法进行裁决。

直线度误差通常用水平仪(分度值 0.02mm/m~0.05mm/m,即4′′~10′′)、合象水平仪(分度值 0.01mm/m,即2′′)、自准直仪(分度值为 0.005mm/m~0.001mm/m,即1′′ ~ 0.2′′)和电子水平仪(分度值同自准直仪)进行测量。测量时将器具(水平仪或自准直仪反射镜)放在根据被测长度选定的适当跨距的桥板上,首尾相接的移动桥板分段进行测量,使前一次桥板的末点与后一次桥板的始点重合,由水平仪或自准直仪读出每个测量位置的读数,这个读数是后一点相对于前一点的测量值。

在桥板移动过程中,水平仪或反射镜不得有相对于桥板的移动。在考虑水平仪读数的正负号时,应考虑其移动方向,若水平仪从左向右移动,水平仪气泡也向右偏移,则右支点升高,读数应取正号。反之,若气泡向左偏移时,则取负号。测量出结果后,将测量时读得的器具的格值化为线值,按下试计算:a =τ La′,其中τ为器具分度值(mm/m);L为所用桥板跨距(mm);a′为读数格值;a 为相应格值化的线值(mm)。若欲将化得的线值用μm表示,则为:a =1000τ La′两端点连线法是一种通常不符合最小条件的近似检测方法。由于它简便、实用且能满足比较高的精度要求,故在生产实践上被广泛应用。它是以首尾两端的连线作为基准评定直线度误差的方法。

参考文献

[1]马淑梅.超精密微量进给刀架的研制[N].同济大学学报(自然科学版),1999(5).

[2]吴敏镜.超精密加工的技术基础和创新[J].新技术新工艺,2006(5).

[3]芮小健,韩良.压电陶瓷微位移器工程应用研究[J].压电与声光,1992(6).

第四届全国地理学研究生学术年会会议在京召开

第四届全国地理学研究生学术年会于10月16~18日在中国科学院地理科学与资源研究所、北京大学、北京师范大学和首都师范大学隆重召开。本届年会由中国地理学会、全国地理学研究生联合会、中国科学院地理科学与资源研究所主办,中国科学院地理科学与资源研究所研究生会、北京大学城市与环境学院研究生会、北京师范大学地理学与遥感科学学院研究生会和首都师范大学资源环境与旅游学院研究生会共同承办,南京大学、中山大学、中国科学院等四十多家高校院所协办。于贵瑞研究员、樊杰研究员、邬伦教授、蔡运龙教授、周尚意教授、宫辉力教授等著名地理学者担任大会学术指导委员会委员,全国地理学研究生联合会主席、中国科学院地理科学与资源研究所博士生梁育填担任大会主席。

本届年会开幕式在中国科学院地理科学与资源研究所举行,中国科学院地理科学与资源研究所于贵瑞副所长、北京大学邬伦教授、中国地理学会青年工作委员会曹广忠主任,北京大学城市与环境学院李双成副院长、北京师范大学地理学与遥感科学学院邱扬副院长、首都师范大学资源环境与旅游学院赵文吉副院长、中国科学院地理科学与资源研究所研究生部王淑强副主任出席开幕式。于贵瑞副所长、曹广忠主任、梁育填博士先后在开幕式上致辞,对本届年会召开给予高度评价,对全国地理学研究生联合会的工作给予肯定。随后,大会进行颁奖和新成员聘书授予仪式。中国科学院地理科学与资源研究所研究生会等9个研究生会荣获“优秀组织奖”,杨白洁、韩丹、张鹏岩、杨明金、张子龙、李树奎、黄彦婷荣获“个人突出贡献奖”,上海师范大学旅游学院研究生会、江西师范大学地理与环境学院研究生会、宁夏大学资源环境学院研究生会被聘为全国地理学研究生联合会成员单位。

本届年会邀请中国科学院地理科学与资源研究所于贵瑞研究员做“生态系统生态学的发展与研究方法”、樊杰研究员做“加深认识、永续发展我国的经济地理学——至2050年我国区域可持续发展研究的路线图设计”、北京大学邬伦教授做“数字地球和数字中国”的主题报告。这些精彩的报告为青年研究生了解学科前沿开拓了视野,坚定从事地理学研究的信心。本届年会以“传承地理学百年精粹,探究研究生创新之路”为主题,收到全国各个高校研究生的提交论文240多篇,经过评审老师的评定,挑选120余篇学术论文进行分会场报告,最后推选其中5篇论文为“中国地理学会百年庆典青年优秀论文”,有力地促进全国地理学研究生的学术交流。

本届学术年会由中国科学院地理科学与资源研究所的主会场和北京大学自然地理分会场、北京师范大学人文经济地理分会场、首都师范大学地图遥感与GIS分会场组成,中国科学院地理科学与资源研究所研究生会主席张琴琴、北京大学城市与环境学院研究生会主席李丞、北京师范大学地理学与遥感科学学院研究生会主席万为和首都师范大学资源环境与旅游学院研究生会主席刘佳娣担任大会执行主席。