第5章 精密加工中的測量技術(shù)[教育研究]

1、5.1 精密測量技術(shù)概述 5.2 長度基準(zhǔn) 5.3 測量平臺 5.4 直線度、平面度和垂直度的測量 5.5 角度和圓分度的測量 5.6 圓度和回轉(zhuǎn)精度的測量 5.7 激光測量 精密測量技術(shù)是機(jī)械工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)和先決條件之一。 由于有了千分尺類量具，使加工精度達(dá)到了0.01mm，有了測 微比較儀，使加工精度達(dá)到了1m左右；有了圓度儀等精密 測量一起，使加工精度達(dá)到了0.1m；有了激光干涉儀，使 加工精度達(dá)到了0.01m。 目前在基礎(chǔ)工業(yè)的某些領(lǐng)域，精密測量已成為不可分割 的重要組成部分。在電子工業(yè)部門，精密測量技術(shù)也被提到 從未有過的高度。例如制造超大規(guī)模集成電路，目前半導(dǎo)體 工藝的典型線寬為0

2、.25m，正向0.18m過渡，2009年的預(yù) 測線寬是0.07m。此外，在高純度單晶硅的晶格參數(shù)測量中， 以及對生物細(xì)胞、空氣污染微粒、石油纖維、納米材料等基 礎(chǔ)研究中，無不需要精密測量技術(shù)。 一、精密測量的意義一、精密測量的意義 三、精密測量的的環(huán)境條件三、精密測量的的環(huán)境條件 1.恒溫條件 2.隔振條件 3.氣壓、自重、運(yùn)動加速度和其他環(huán)境條件 四、量具和量儀材料的選擇四、量具和量儀材料的選擇 1.根據(jù)材料熱膨脹系數(shù)選擇 2.根據(jù)材料的穩(wěn)定性和耐磨性選擇 一、精密測量的發(fā)展一、精密測量的發(fā)展 1.極高精度測量方法的測量儀器的發(fā)展 2.精密在線自動測量技術(shù)的發(fā)展 3.測量數(shù)據(jù)的自動采集處理技

3、術(shù)的發(fā)展 一、長度基準(zhǔn)和米定義一、長度基準(zhǔn)和米定義 米制是18世紀(jì)法國最早提出的，“以經(jīng)過巴黎的地球子午線 自北極至赤道這一段弧長的一千萬分之一為一米”。1880年國 際計量局又制作了30多根鉑銥合金的高精度米尺國際米原 器。 1960年10月14日在巴黎通過用氦Kr86在真空中的波長作為長 度基準(zhǔn)：1m1650763.73xKr86的波長。 1983年11月第17屆國際計量大會上，批準(zhǔn)了米的最新定義。 新定義的內(nèi)容：米是光在真空中在1/299 792 458 s的時間 間隔內(nèi)所進(jìn)行的路程長度。 二、量塊的檢定二、量塊的檢定 量塊是由兩個平行的測量面之間的距離來確 定其工作長度的高精度量具，其

4、長度為計量器 具的長度標(biāo)準(zhǔn)。按JJG20561990長度計量器 具（量塊部分）檢定系統(tǒng)的規(guī)定，量塊分為 00、0、K、1、2、3六級。我國對各類量塊的檢 定按JJG146-1994進(jìn)行。 為了使用上的需要常將各級精度的量塊進(jìn)行 檢定，得到量塊的實際長度，將檢定量塊長度 實際值的測量極限誤差作為誤差處理。 三、工廠自己專用的長度基準(zhǔn)三、工廠自己專用的長度基準(zhǔn) 美國穆爾公司經(jīng)過實踐和反復(fù)研究，采用圓柱端面圓柱端面 規(guī)規(guī)作為長度基準(zhǔn)。外圓柱面可磨到很高圓柱度，水平放 在V形支架內(nèi)，可旋轉(zhuǎn)以校驗端面和外圓柱面的垂直度， 容易達(dá)到兩端面的高度平行。 既圓柱端面規(guī)后又制成步距規(guī)，步距規(guī)，英制的步距規(guī)每一

5、步距的增量為1in（全長18和16in），公制的步距規(guī)每 一步距的增量為30mm（全長480mm）。全長步距的誤差 不超過0.05m。 一、測量平臺的選擇一、測量平臺的選擇 1.平臺精度等級 測量平臺采用00或0級，生產(chǎn)中使用的平臺的測量表面多 數(shù)為矩形，長寬比約為4：3，高精度的平臺采用正方形 臺面，平面度達(dá)到0.6m。 2.平臺結(jié)構(gòu) 多數(shù)采用箱式結(jié)構(gòu)，扁平的箱中有加強(qiáng)筋支承。 3.測量平臺的材料 鑄鐵或花崗巖 二、測量平臺的支承二、測量平臺的支承 三、測量平臺的本身的精度檢驗三、測量平臺的本身的精度檢驗 常用三塊平臺輪流對研，找出凸起進(jìn)行刮研，直到接觸斑點分布均勻。 對高精度測量平臺用電子

6、水平儀、自準(zhǔn)直光管或雙頻激光干涉儀，測出平 臺的水平傾角，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，可得到平臺各處不平面度誤差的具體數(shù)值。 一、直線度的測量一、直線度的測量 1.線差法 線差法的實質(zhì)是：用模擬法建立理想直線，然后把被測實 際線上各被測點與理想直線上相應(yīng)的點相比較，以確定實際 線各點的偏差值，最后通過數(shù)據(jù)處理求出直線度誤差值。 1）干涉法 等厚干涉條紋 對于小尺寸精密表面的直線度誤差。 把平晶置于被測表面上，在單色光 的照射下，兩者之間形成等厚干涉 條紋，然后讀出條紋彎曲度a及相 鄰兩條紋的間距b值，被測表面的 直線度誤差為 。條紋向外彎， 表面是凸的，反之，則表面是凹的。 2 b a 1）干涉法 用平晶測

7、平尺的直線度 對于較長的研磨表面，如研磨平尺，可采用圓形平晶 進(jìn)行分段測量，即所謂3點連環(huán)干涉法測量。若被測平尺 長度為200mm，則可選用100mm的平晶，將平尺分成4段 進(jìn)行測量，每次測量以兩端點連線為準(zhǔn)每次測量以兩端點連線為準(zhǔn)，測出中間的偏差。 測完一次，平晶向前移動50mm（等于平晶的半徑）。然后 通過數(shù)據(jù)處理，得出平尺的直線度誤差。 一、直線度的測量一、直線度的測量 1）干涉法舉例 測量數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理 一、直線度的測量一、直線度的測量 2）跨步儀法 原理：以兩支承點的連線作為理以兩支承點的連線作為理 想直線測量第三點相對于此連線想直線測量第三點相對于此連線 的偏差的偏差。測量前，把此裝

8、置放在 高精度平尺或平板上，將指示表的 示值調(diào)整為零，然后將測量裝置放 置在被測面上進(jìn)行測量，每次移動 一個l距離，讀取一個讀數(shù)。移動 時，前次的測點位置，就是后次測 量的前支承點位置，如此依次逐段 測完全長，最后數(shù)據(jù)處理，即可求 出被測件的直線度誤差。 一、直線度的測量一、直線度的測量 3）光軸法 測微準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡或自準(zhǔn)直儀發(fā)出的 光線為理想直線，測出被測直線相對 于該理想直線的偏差值，經(jīng)數(shù)據(jù)處理 求出被測線的直線度誤差。 測量步驟： 1）將被測線兩端點連線調(diào)整到與光 軸測量基線大致平行； 2）若被測線為平面線，則xi代表被 測線長度方向的坐標(biāo)值， yi為被測線 相對于測量基線的偏差值。 若被

9、測線移動瞄準(zhǔn)靶2，同時記錄各 點示值（yi）。再經(jīng)數(shù)據(jù)處理求出直 線度誤差值。 一、直線度的測量一、直線度的測量 4）激光準(zhǔn)直儀法 氦氖激光器發(fā)出的激光的中心 連線構(gòu)成激光準(zhǔn)直測量的一條基 準(zhǔn)直線。 當(dāng)光電接收靶5中心與激光束中心 重合時，指示表指示為零，若靶 子中心偏離激光束中心，指示表 指示出數(shù)值即偏差值。測量時首 先將儀器與靶子調(diào)整好，然后將 靶子沿被測表面測量方向移動， 便能得到直線度誤差的數(shù)值。 一、直線度的測量一、直線度的測量 5）雙頻激光準(zhǔn)直儀法 當(dāng)反射鏡7的頂點在光軸上時，頻率為f1的偏振光在R1點反射，頻率 為f2的偏振光在R2點反射，則匯合光束的兩個頻率的光程差為零。 當(dāng)反

10、射鏡7的位置偏離光軸時，則頻率為f1的偏振光和頻率為f2的偏 振光的匯合光束的光程差不為零測出E值，最后獲得被測表面相對 激光光軸的偏差。 二、平面度的測量二、平面度的測量 1.統(tǒng)一基準(zhǔn)法 1）干涉法 對于精密小平面的平面度誤差可 用干涉法測量。該法是以平晶表 面為基準(zhǔn)平面，使它與被測平面 接觸，在單色平行光照射下，形 成等厚干涉。調(diào)整平晶與被測表 面間的相對位置，使之產(chǎn)生較明 顯的干涉條紋，然后根據(jù)干涉條 紋來評定平面度誤差。當(dāng)條紋數(shù) 不足一條時，則根據(jù)條紋彎曲程 度來評定平面度誤差。 二、平面度的測量二、平面度的測量 1.統(tǒng)一基準(zhǔn)法 2）水平面法 用水平面法測量平面度誤差時，基準(zhǔn)平面建立在

11、通過被測 表面上某角點，并與水平面平行的平面上，然后用水平儀 按節(jié)距法測出跨距前后兩點的高度差，將水平儀在各段上 的讀數(shù)值累加，可得各點對起始點得高度差，通過基面旋 轉(zhuǎn)可求出被測平面得平面度誤差 三、垂直度的測量三、垂直度的測量 1）在第一位置圓柱90度角尺和L 形90度角尺的頂端有光隙1， 將L形90度角尺翻轉(zhuǎn)（第二位 置），如光隙1 2，則圓 柱90度角尺角度準(zhǔn)確，誤差全在 L形90度角尺。 2）如在第二檢測位置，光隙變 到90度角尺根部且1 2， 則角度誤差全在圓柱90度角尺。 3）如果1 2，則圓柱90度 角尺和L形90度角尺都有誤差。 三、垂直度的測量三、垂直度的測量 90度角尺第一

12、位置測得導(dǎo)軌的不垂直誤差1.25m，90度角尺翻 轉(zhuǎn)后的不垂直誤差0.25 m。不垂直誤差為0.5-1.25-（ 0.25）-0.75 m。 一、角度和圓錐角的測量一、角度和圓錐角的測量 1.比較法 用角度樣板測角度 用角度極限樣板 檢查角度 2.平臺法 1）兩內(nèi)表面的夾角和內(nèi)錐角的測量 r t 2 arcsin ) 2 arcsin(2 d dt d hh d hh 13 12 2 cos 2 cos 右 左 V形塊對稱 V形塊不對稱 2.平臺法 2）兩外表面的夾角和外錐角的測量 （用兩直徑相等的圓柱和量塊測量） ) 2 arctan( 12 h ll 2.平臺法 2）兩外表面的夾角和外錐角

13、的測量 （用正弦尺測量） L H arcsin 2 1 3.用帶圓周分度裝置的儀器測量 1）光學(xué)分度頭測量角度 首先將分度頭主體3轉(zhuǎn)過90度， 使分度頭主軸與工作臺面垂 直。在主軸錐孔中裝上帶有 尾錐的小平臺2。在分度頭基 座上有支座5，其上裝有測量 時定位用的分度值小于1”的 自準(zhǔn)儀4。 測量時先轉(zhuǎn)動分度頭主軸，放在小平臺上的被測件1同時回轉(zhuǎn)，使被測 件的一個邊對準(zhǔn)自準(zhǔn)直儀，在分度頭上讀取度數(shù)1；繼續(xù)轉(zhuǎn)動分度頭 主軸，至被測件另一個邊與自準(zhǔn)直儀對準(zhǔn)，在分度頭上讀取第二個度 數(shù)2。兩次讀數(shù)之差為，則被測角度1800。 把圓周進(jìn)行等分(例如n等分)，從而得到所需要的角度， 稱為圓分度。實現(xiàn)圓分度

14、的器件為圓分度器件，例如度盤、 圓光柵盤、圓感應(yīng)同步器、多齒分度盤等均可做為標(biāo)準(zhǔn)圓 分度器件。各種圓分度器件都具有圓周封閉的特點，對它 們進(jìn)行圓分度時產(chǎn)生的不均勻性就是圓分度誤差。 二、圓分度的測量二、圓分度的測量 二、圓分度的測量二、圓分度的測量 多齒分度盤是純機(jī)械式的分度機(jī)構(gòu)，它能達(dá)到0.1”的分度精度， 同時具有自動定心、操作簡單、使用壽命長自動定心、操作簡單、使用壽命長等優(yōu)點。 多齒分度盤由兩個直徑、齒數(shù)和齒形均相同的上、下端齒組成，當(dāng) 上、下兩齒盤的齒被迫嚙合時，便自動定心。它利用上、下齒盤強(qiáng)迫嚙 合時產(chǎn)生彈性變形實現(xiàn)平均效應(yīng)，因而可獲得較高的分度精度。 1.精密多齒 分度盤 二、圓

15、分度的測量二、圓分度的測量 2.精密多齒分度盤的小角度分度器 1440齒分度盤的小角度分度盤 和1440齒分度盤主軸同軸，并 和下齒盤連成一體，小角度分 度盤可使1440齒分度盤的下齒 盤旋轉(zhuǎn)，最大旋轉(zhuǎn)量為1/4度。 配合1440齒分度盤的讀數(shù)，可 測量0360度內(nèi)的任意角度。 二、圓分度的測量二、圓分度的測量 3. 多齒分度盤的標(biāo)定 1）使用精度更高的測角 儀器對多齒分度盤進(jìn)行標(biāo) 定 2）利用圓周360度封閉的 原理，用兩個多齒分度盤 互檢標(biāo)定 圓形零件橫截面的實際輪廓可看成是中心角的周期函數(shù)， 它以2為周期，因此可以用傅氏級數(shù)表示 )sin()( 1 0i i i iCr 由上式還可看出：

16、圓形零件橫截面的實際輪廓是由一半由一半 徑為徑為r r0 0的圓和若干個不同次數(shù)諧波波形所迭加而成的圓和若干個不同次數(shù)諧波波形所迭加而成。其中常 數(shù)項r0為平均圓半徑，一次諧波表示偏心的影響，而反映表 面粗糙度和表面波度的高次諧波也不屬于圓度誤差，所以圓 度誤差可用下式表示： )sin()( 2 i n i i iCr 一、圓度的測量方法和圓度誤差的評定一、圓度的測量方法和圓度誤差的評定 圓度誤差的幾何特性 一、圓度的測量方法和圓度誤差的評定一、圓度的測量方法和圓度誤差的評定 圓度誤差的圖形表示 采用極坐標(biāo)記錄的圓度儀測的圓度誤差曲線 一、圓度的測量方法和圓度誤差的評定一、圓度的測量方法和圓度

17、誤差的評定 圓度誤差的評定 二、圓度儀及其測量精度分析二、圓度儀及其測量精度分析 1. 圓度儀的工作原理及類型 轉(zhuǎn)軸式適用于測量大型工件，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸 式測量時，工件不動，傳感器測頭繞式測量時，工件不動，傳感器測頭繞 主軸軸線作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，測頭在空間的主軸軸線作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，測頭在空間的 運(yùn)動軌跡形成一理想圓。運(yùn)動軌跡形成一理想圓。工件實際輪 廓與此理想圓連續(xù)進(jìn)行比較，其半徑 變化由傳感器測出，經(jīng)電路處理后， 由記錄器描繪出被測實際輪廓的圖形， 或由計算機(jī)算出測量結(jié)果。轉(zhuǎn)臺式與 之相反，工件回轉(zhuǎn)，而測頭架不動。 不易測圓柱度、同軸度、平面度和垂 直度。TALYROND3、TALYROND73、 HYQ-

18、014A、DQR-1 二、圓度儀及其測量精度分析二、圓度儀及其測量精度分析 1. 圓度儀的工作原理及類型 可測圓柱度、同軸度、 平面度和垂直度、軸線 直線度等。 TALYCENTA、 TALYROND300、 JCS-042 二、圓度儀及其測量精度分析二、圓度儀及其測量精度分析 2. 影響圓度儀測量精度因素 1）主軸回轉(zhuǎn)誤差 2）工件軸線和主軸軸線偏心引起的誤差 3）工件軸線對主軸軸線傾斜引起的誤差 4）測量頭形狀和測頭半徑變化引起的誤差 5）測量力的影響 6）測量頭偏立引起的誤差 三、主軸回轉(zhuǎn)精度的測量三、主軸回轉(zhuǎn)精度的測量 將高精度鋼球卡在主軸的端部，盡量調(diào)整使其同心，然后 用測量儀測出其

19、徑向跳動。 三、主軸回轉(zhuǎn)精度的測量三、主軸回轉(zhuǎn)精度的測量 建立如圖所示的直角坐標(biāo)系。O1點的極 坐標(biāo)為x()和y()。s()為被測工件 的輪廓形狀誤差。測微儀A、B、C的輸出 信號分別為A () 、B () 、C ()， 則 )()()(xSA 211 sin)(cos)()()(yxSB )sin()()cos()()()( 212121 yxSC 消去x()和y()得三點法誤差分離基本方程為 )()()()()()()( 2131232 SCSCSCCBCAP 2212 sin/ )sin(C 213 sin/cosC 傳感器組合信號)(P 三、主軸回轉(zhuǎn)精度的測量三、主軸回轉(zhuǎn)精度的測量 測量時，若取采樣點數(shù)為N，則令 Nk /2 Nm /2 11 Nm /2 22 并將 )()()()( 21312 SCSCSP離散化 )()()()( 21312 kPmmkSCmkSCkS 最后求得任意時刻機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動誤差