1、精密和超精密加工技术华南理工大学陈松茂 讲师1.精密测量技术概述2.长度基准3.测量平台4.直线度、平面度和垂直度的测量5.角度和圆分度的测量6.圆度和回转精度的测量7.激光测量第五章第五章 精密加工中的测量技术精密加工中的测量技术5.15.1 精密测量技术概述精密测量技术概述 精密测量技术是机械工业发展的基础和先决条件之一。测量精度一般应比被测件的精度高一数量级。由于有了千分尺类量具，使加工精度达到了0.01mm，有了测微比较仪，使加工精度达到了1m左右；有了圆度仪等精密测量一起，使加工精度达到了0.1m；有了激光干涉仪，使加工精度达到了0.01m。目前在基础工业的某些领域，精密测量已成为不
2、可分割的重要组成部分。在电子工业部门，精密测量技术也被提到从未有过的高度。例如制造超大规模集成电路，目前半导体工艺的典型线宽为0.25m，正向0.18m过渡，2009年的预测线宽是0.07m。此外，在高纯度单晶硅的晶格参数测量中，以及对生物细胞、空气污染微粒、石油纤维、纳米材料等基础研究中，无不需要精密测量技术。2恒温条件隔振条件气压、自重、运动加速度和其他环境条件根据材料热膨胀系数选择根据材料的稳定性和耐磨性选择极高精度测量方法和测量仪器的发展：0.04nm、0.01精密在线自动测量技术的发展测量数据的自动采集处理技术的发展3米制是18世纪法国最早提出的，“以经过巴黎的地球子午线自北极至赤道
3、这一段弧长的一千万分之一为一米”。1880年国际计量局又制作了30多根铂铱合金的高精度米尺国际米原器。1960年10月14日在巴黎通过用氦Kr86在真空中的波长作为长度基准：1m1650763.73Kr86的波长。1983年11月第17届国际计量大会上，批准了米的最新定义。新定义的内容：米是光在真空中在1/299792458 s的时间间隔内所进行的路程长度。45.25.2 长度基准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JJG20561990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
4、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。5矩形量块作为长度基准存在问题：1）两端测量面不平行；2）两端测量面和侧面不垂直；3）测量面平面度不好。美国穆尔公司经过实践和反复研究，采用圆柱端面规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
5、.05m。61.平台精度等级测量平台采用00或0级，生产中使用的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0.6m。2.平台结构多数采用箱式结构，扁平的箱中有加强筋支承。3.测量平台的材料铸铁：一定耐磨性、较好短期稳定性，受潮长锈不变形，碰撞有毛刺。花岗岩：耐磨性好、长期稳定性好、受潮变形不生锈，碰撞有小坑无毛刺。75.35.3 测量平台测量平台 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。8三点支承法多点支
6、承法5.45.4 直线度、平面度和垂直度的测量直线度、平面度和垂直度的测量 线差法的实质是：用模拟法建立理想直线，然后把被测实际线上各被测点与理想直线上相应的点相比较，以确定实际线各点的偏差值，最后通过数据处理求出直线度误差值。1）干涉法 等厚干涉条纹对于小尺寸精密表面的直线度误差。把平晶置于被测表面上，在单色光的照射下，两者之间形成等厚干涉条纹，然后读出条纹弯曲度a及相邻两条纹的间距b值，被测表面的直线度误差为 。条纹向外弯，表面是凸的，反之，则表面是凹的。2ba9用平晶测平尺的直线度 对于较长的研磨表面，如研磨平尺，可采用圆形平晶进行分段测量，即所谓3点连环干涉法测量。若被测平尺长度为20
7、0mm，则可选用100mm的平晶，将平尺分成4段进行测量，每次测量以两端点连线为每次测量以两端点连线为准准，测出中间的偏差。测完一次，平晶向前移动50mm（等于平晶的半径）。然后通过数据处理，得出平尺的直线度误差。10干涉法举例：干涉法举例：测量数据数据处理112）跨步仪法原理：以两支承点的连线作为理以两支承点的连线作为理想直线测量第三点相对于此连线想直线测量第三点相对于此连线的偏差的偏差。测量前，把此装置放在高精度平尺或平板上，将指示表的示值调整为零，然后将测量装置放置在被测面上进行测量，每次移动一个l距离，读取一个读数。移动时，前次的测点位置，就是后次测量的前支承点位置，如此依次逐段测完全
8、长，最后数据处理，即可求出被测件的直线度误差。123）光轴法测量步骤：1）将被测线两端点连线调整到与光轴测量基线大致平行；2）若被测线为平面线，则xi代表被测线长度方向的坐标值，yi为被测线相对于测量基线的偏差值。若被测线移动瞄准靶2，同时记录各点示值（yi）。再经数据处理求出直线度误差值。测微准直望远镜或自准直仪发出的光线为理想直线，测出被测直线相对于该理想直线的偏差值，经数据处理求出被测线的直线度误差。134）激光准直仪法氦氖激光器发出的激光的中心连线氦氖激光器发出的激光的中心连线构成激光准直测量的一条基准直线。构成激光准直测量的一条基准直线。当光电接收靶5中心与激光束中心重合时，指示表指
9、示为零，若靶子中心偏离激光束中心，指示表指示出数值即偏差值。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数值。145）双频激光准直仪法 当反射镜7的顶点在光轴上时，频率为f1的偏振光在R1点反射，频率为f2的偏振光在R2点反射，则汇合光束的两个频率的光程差为零。当反射镜7的位置偏离光轴时，则频率为f1的偏振光和频率为f2的偏振光的汇合光束的光程差不为零测出E值，最后获得被测表面相对激光光轴的偏差。151）干涉法对于精密小平面的平面度误差可用干涉法测量。该法是以平晶表面为基准平面，使它与被测平面接触，在单色平行光照射下，形成等厚干涉。调整平晶与被测表面间的
10、相对位置，使之产生较明显的干涉条纹，然后根据干涉条纹来评定平面度误差。当条纹数不足一条时，则根据条纹弯曲程度来评定平面度误差。162）水平面法 用水平面法测量平面度误差时，基准平面建立在通过被测表面上某角点，并与水平面平行的平面上，然后用水平仪按节距法测出跨距前后两点的高度差，将水平仪在各段上的读数值累加，可得到各点相对起始点的高度差，通过基面旋转可求出被测平面得平面度误差。171）在第一位置圆柱90度角尺和L形90度角尺的顶端有光隙1，将L形90度角尺翻转（第二位置），如光隙1 2，则圆柱90度角尺角度准确，误差全在L形90度角尺。2）如在第二检测位置，光隙变到90度角尺根部且1 2，则角度
11、误差全在圆柱90度角尺。3）如果1 2，则圆柱90度角尺和L形90度角尺都有误差。18 90度角尺第一位置测得导轨的不垂直误差1.25m，90度角尺翻转后的不垂直误差0.25 m。不垂直误差为0.5-1.25-（0.25）-0.75 m。195.55.5 角度和圆分度的测量角度和圆分度的测量用角度样板测角度用角度极限样板检查角度201）两内表面的夹角和内锥角的测量rt2arcsin)2arcsin(2ddt dhhdhh13122cos2cos右左V形块对称V形块不对称212）两外表面的夹角和外锥角的测量（用两直径相等的圆柱和量块测量）)2arctan(12hll 223）两外表面的夹角和外锥
12、角的测量（用正弦尺测量）LHarcsin2123该方法不易获得很高精度：（1）两圆柱中心矩L的偏差、两圆柱的圆柱度误差、两圆柱轴线的不平行、量块尺寸H的偏差、测量工作台的平面度误差等都很难减到很小；（2）当达到45后测量误差已很大，角度在加大，测量误差将急剧加大。1）光学分度头测量角度首先将分度头主体3转过90度，使分度头主轴与工作台面垂直。在主轴锥孔中装上带有尾锥的小平台2。在分度头基座上有支座5，其上装有测量时定位用的分度值小于1”的自准仪4。测量时先转动分度头主轴，放在小平台上的被测件1同时回转，使被测件的一个边对准自准直仪，在分度头上读取度数1；继续转动分度头主轴，至被测件另一个边与自
13、准直仪对准，在分度头上读取第二个度数2。两次读数之差为，则被测角度1800。24 把圆周进行等分(例如n等分)，从而得到所需要的角度，称为圆分度。实现圆分度的器件为圆分度器件，例如度盘、圆光栅盘、圆感应同步器、多齿分度盘等均可做为标准圆分度器件。各种圆分度器件都具有圆周封闭的特点，对它们进行圆分度时产生的不均匀性就是圆分度误差。25 多齿分度盘是纯机械式的分度机构，它能达到0.1”的分度精度，同时具有自动定心、操作简单、使用寿命长自动定心、操作简单、使用寿命长等优点。多齿分度盘由两个直径、齿数和齿形均相同的上、下端齿组成。齿数常用有360、720、1440几种，增量分别是1、0.5、0.25。
14、当上、下两齿盘的齿被迫啮合时，便自动定心。它利用上、下齿盘强迫啮合时产生弹性变形实现平均效应，因而可获得较高的分度精度。261440齿精密多齿分度盘271440齿分度盘的小角度分度盘和1440齿分度盘主轴同轴，并和下齿盘连成一体，小角度分度盘可使1440齿分度盘的下齿盘旋转，最大旋转量为1/4度。配合1440齿分度盘的读数，可测量0360度内的任意角度。281）使用精度更高的测角仪器对多齿分度盘进行标定。2）利用圆周360度封闭的原理，用两个多齿分度盘互检标定。29)sin()(10iiiiCr)sin()(2iniiiCr305.65.6 圆度和回转精度的测量圆度和回转精度的测量 圆形零件横
15、截面的实际轮廓可看成是中心角的周期函数，它以2为周期，因此可以用傅氏级数表示：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由一半径为r r0 0的的圆和若干个不同次数谐波波形所迭加而成。圆和若干个不同次数谐波波形所迭加而成。其中常数项r0为平均圆半径，一次谐波表示偏心的影响，而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：圆度误差是指包容同一正截面实际轮廓且半径差最小的两同心圆间的距离。采用极坐标记录的圆度仪测的圆度误差曲线。31322种方式。转轴式适用于测量大型工件，转转轴式测量时，工件不动，传感器测头绕主轴轴式测量时，工件不动，传感器测头绕主轴轴线作
16、旋转运动，测头在空间的运动轨迹形轴线作旋转运动，测头在空间的运动轨迹形成一理想圆。成一理想圆。工件实际轮廓与此理想圆连续进行比较，其半径变化由传感器测出，经电路处理后，由记录器描绘出被测实际轮廓的图形，或由计算机算出测量结果。转台式与之相反，工件回转，而测头架不动。不易测圆 柱 度、同 轴 度、平 面 度 和 垂 直 度。TALYROND3、TALYROND73、HYQ-014A、DQR-133 可测圆柱度、同轴度、平面度和垂直度、轴线直线度等。TALYCENTA、TALYROND300、JCS-042。34 主轴回转误差：一般为0.05m，部分达到0.025m 工件轴线和主轴轴线偏心引起的误
17、差 工件轴线对主轴轴线倾斜引起的误差 测量头形状和测头半径变化引起的误差 测量力的影响 测量头偏立引起的误差35 将高精度钢球卡在主轴的端部，尽量调整使其同心，然后用测量仪测出其径向跳动。36 建立如图所示的直角坐标系。O1点的极坐标为x()和y()。s()为被测工件的轮廓形状误差。测微仪A、B、C的输出信号分别为A()、B()、C()，则：)()()(xSA111sin)(cos)()()(yxSB)sin()()cos()()()(212121yxSC消去x()和y()得三点法误差分离基本方程为：)()()()()()()(2131232SCSCSCCBCAP2212sin/)sin(C2
18、13sin/cosC传感器组合信号)(P37)()()()(21312SCSCSP38测量时，若取采样点数为N，则令:Nk/2Nm/211Nm/222并将 离散化)()()()(21312kPmmkSCmkSCkS最后求得任意时刻机床主轴回转运动误差:)()()(kSkAkx)/2sin()/2cos()()()()(111NmNmkxmkSkBky385.75.7 激光测量激光测量3940Dltan4142由光源1发出的光线经聚光镜2、滤色片3、光阑4、及透镜5后成平行光线，射向半透半反的分光镜7后分成两束：一束光线透过补偿镜8、物镜9到平面反射镜10，被10反射又回到反光镜7，再由7经聚光镜11到反射镜16，由16进入目镜12；另一束光线向上通过物镜6，投射到被测零件表面，由被测表面反射回来，通过分光镜7、聚光镜11到反射镜16，由16反射也进入目镜12。这样，在目镜12的视场内可观察到这两束光线因光程差而形成的干涉带图形。431、采用坐标法测量自由曲面，然后进行计算机图形处理、曲面拟合。2、自由曲面处理结果的评定：1）已知设计模型自由曲面的处理结果评定2）未知设计模型自由曲面的测量结果评定3）自由曲面测量面的粗糙度评定44习题5-2习题5-4习题5-8习题5-1545课后思考题46
