坐標(biāo)測(cè)量機(jī)高精度測(cè)頭技術(shù)

1、工藝與檢測(cè)TechnologyandTest坐標(biāo)測(cè)量機(jī)高精度測(cè)頭技術(shù)High_PrecisionProbeTechnologyforCMM孫濤張龍江(哈爾濱工業(yè)大學(xué))摘要:介紹了坐標(biāo)測(cè)量機(jī)高精度測(cè)頭的研究發(fā)展現(xiàn)狀;分析了接觸方式、光學(xué)方式、掃描方式測(cè)頭的優(yōu)缺點(diǎn);研究了日本松下公司研制的高精度測(cè)頭測(cè)量原理;基于原子力微探針的基本原理,設(shè)計(jì)了一種新型的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)頭;指出了采用原子力準(zhǔn)接觸技術(shù)是測(cè)頭向高精度發(fā)展的方向之一。關(guān)鍵詞:三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)頭原子力微探針非接觸測(cè)量的最大特點(diǎn)就是測(cè)量力為零,但光學(xué)式非接觸式測(cè)頭由于光線的干涉和衍射現(xiàn)象,其測(cè)頭精度只在微米量級(jí)。目前出現(xiàn)的幾種非接觸式光學(xué)測(cè)頭如瞄準(zhǔn)

2、顯微鏡測(cè)頭、光學(xué)點(diǎn)位測(cè)頭和電視掃描測(cè)頭都是現(xiàn)有技術(shù)在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上的應(yīng)用1,其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,應(yīng)用范圍非常狹小。激光技術(shù)和光纖傳感技術(shù)的出現(xiàn)使三維激光測(cè)頭的發(fā)展有了可能2,3。國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)對(duì)激光干涉測(cè)長(zhǎng)和激光干涉柔性坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)給予資助,國(guó)防科工委對(duì)三維激光測(cè)頭的開發(fā)研究也極為重視,并為其九五重點(diǎn)預(yù)研項(xiàng)目三維激光測(cè)量機(jī)測(cè)頭的開發(fā)研究提供經(jīng)費(fèi)進(jìn)行研究。測(cè)頭的三維測(cè)量重復(fù)性指標(biāo)為0.1m,分辨率為0.01m,但目前還只在預(yù)研和探索階段。1引言零部件加工、裝配的在線與離線測(cè)量是產(chǎn)品制造業(yè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一,三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是主要的檢測(cè)儀器。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,各種零部件的設(shè)計(jì)、加工、裝配的精度將越來(lái)越高

3、,對(duì)測(cè)量與檢測(cè)技術(shù)提出了更高的要求。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)主要包括能產(chǎn)生三維測(cè)量運(yùn)動(dòng)的測(cè)量機(jī)主體、數(shù)據(jù)處理及控制系統(tǒng)、測(cè)頭和軟件四大部分。其中測(cè)頭精度一直是制約三坐標(biāo)機(jī)總體精度指標(biāo)提高的重要環(huán)節(jié),目前我國(guó)高精度三坐標(biāo)機(jī)測(cè)頭還只在微米級(jí),不適應(yīng)目前出現(xiàn)的亞微米、納米制造領(lǐng)域中零件的高精度檢測(cè)。2高精度坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)頭的技術(shù)現(xiàn)狀在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)發(fā)展的二三十年歷史進(jìn)程中,測(cè)頭本身也經(jīng)歷了自己的發(fā)展歷程。到目前為止,測(cè)量機(jī)測(cè)頭主要分以下幾類:接觸式硬測(cè)頭、接觸式軟測(cè)頭和非接觸式(光學(xué))測(cè)頭等,其中接觸式軟測(cè)頭又分為開關(guān)式發(fā)信測(cè)頭和掃描測(cè)微測(cè)頭。目前大量應(yīng)用的是開關(guān)式發(fā)信測(cè)頭2,大部分由英國(guó)RENISHAW(雷尼紹)

4、公司提供,其中精度較高的是TP系列。常規(guī)接觸式測(cè)頭是由紅寶石材料做成,優(yōu)點(diǎn)是接觸變形和側(cè)向摩擦小,缺點(diǎn)是接觸力造成的局部彈性變形及安裝測(cè)球的測(cè)桿產(chǎn)生的彎曲變形很大,以及存在各向異性、開關(guān)行程、開關(guān)行程分散性、復(fù)位死區(qū)等誤差。目前市售的這類測(cè)頭的重復(fù)性精度只能達(dá)到微米及零點(diǎn)幾微米,使測(cè)量機(jī)整體測(cè)量的精度不能再得到提高。3原子力微探針技術(shù)的發(fā)展近些年掃描探針顯微技術(shù)迅速發(fā)展起來(lái),掃描探針顯微鏡(ScanningProbeMicroscope,簡(jiǎn)稱SPM)的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際化已經(jīng)得到重視,先后提出并研制了計(jì)量型SPM46。德國(guó)PTB研制的計(jì)量型原子力顯微鏡具有納米計(jì)量?jī)x器的特性,可以將幾何長(zhǎng)度測(cè)量追溯到

5、光波波長(zhǎng),并在儀器上建立參考坐標(biāo)系,使重復(fù)測(cè)量相對(duì)于參考坐標(biāo)來(lái)進(jìn)行。這種計(jì)量型原子力顯微鏡在其測(cè)量范圍內(nèi),任意兩點(diǎn)間距離的測(cè)量不確定度為U95=5nm+210-4l(l為任意兩點(diǎn)間距);在Z軸上的測(cè)量不確定度為U95=1.1nm+210-4h。為了測(cè)量更微小的尺寸,近些年美國(guó)開始研制分子測(cè)量機(jī)8。在隔振、恒溫、防塵的真空基架內(nèi)裝有可哈爾濱青年科學(xué)基金坐標(biāo)測(cè)量機(jī)納米精度瞄準(zhǔn)測(cè)頭的技術(shù)研究(項(xiàng)目編號(hào):9961218010)資助28制造技術(shù)與機(jī)床2001年第10期TechnologyandTest工藝與檢測(cè)三維位置控制的操作平臺(tái),一個(gè)STM頭在光學(xué)干涉系統(tǒng)監(jiān)測(cè)下完成對(duì)分子尺度的測(cè)量,其測(cè)量分辨率據(jù)報(bào)

6、導(dǎo)可達(dá)0.05nm以內(nèi),是目前所報(bào)導(dǎo)的最高尺寸重復(fù)性的微尺寸測(cè)量?jī)x器。但即使計(jì)量性SPM也由于工作范圍的限制,不能進(jìn)行微尺寸坐標(biāo)測(cè)量。1994年7月日本曾報(bào)導(dǎo),日本松下電器產(chǎn)業(yè)公司新開發(fā)的裝有當(dāng)今世界最高準(zhǔn)確度的原子力測(cè)頭的UA3P型三坐標(biāo)測(cè)量機(jī),可以測(cè)量任意的三維形狀,測(cè)量準(zhǔn)確度可高達(dá)0.01m,遠(yuǎn)小于常規(guī)的高精度三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)頭0.1m的測(cè)量精度,最大傾斜角可達(dá)60,測(cè)量范圍最大為400mm7。其測(cè)量原理見圖1。上,并反射給四象限位置檢測(cè)器(PSD),通過位置檢測(cè)器垂直方向兩個(gè)象限的光點(diǎn)位置變化來(lái)判斷探針的上下移動(dòng)量。當(dāng)探針接觸被測(cè)輪廓并產(chǎn)生原子排斥力而變形時(shí),光點(diǎn)在PSD上的位置發(fā)生變化

7、,PSD輸出的光電流產(chǎn)生變化,系統(tǒng)處理其變化方向信息并反饋給與微懸臂相聯(lián)的PZT,控制PZT伸縮重新使PSD輸出恒定的光電流,這時(shí)電容傳感器測(cè)得的PZT位移量即為原子力探針組成的測(cè)頭的位移量。圖3原子測(cè)頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖1探針2銦鋼桿3激光器4調(diào)整機(jī)構(gòu)5PSD6PZT7電容傳感器圖1松下公司原子力測(cè)頭示意圖1原子力探針2原子3測(cè)定面4測(cè)定物5彈性元件6測(cè)量懸臂變形的光學(xué)系統(tǒng)測(cè)頭光路系統(tǒng)包括激光光源、準(zhǔn)直及聚焦透鏡、微懸臂、光敏四象限位置檢測(cè)器、機(jī)械調(diào)節(jié)系統(tǒng)及懸臂銦鋼支架等。激光光源采用可見光半導(dǎo)體激光器(GaAlAsLaser670nm,3mW)作為單色光源,微懸臂由Si3N4材料制成,背面帶有鍍金鏡

8、面,微懸臂的彈性系數(shù)約為幾個(gè)N/m,PSD的四極呈 形放置,調(diào)零時(shí)反射光斑座落在中心,上下兩極用作原子力檢測(cè)信號(hào),經(jīng)第一個(gè)AD524輸出后作為感應(yīng)信號(hào);左右兩極為橫向力信號(hào),經(jīng)第二個(gè)AD524輸出后作為消除偏載力影響信號(hào)。在機(jī)械設(shè)計(jì)上,光敏檢測(cè)器和激光需三維可調(diào),這里用調(diào)整機(jī)構(gòu)4來(lái)完成,以利于光斑準(zhǔn)確匯聚在微懸臂和反射到PSD上。這種測(cè)頭由于具有極其微小的接觸力,因而其接觸力誤差在坐標(biāo)測(cè)量中幾乎可以不記。經(jīng)測(cè)定其Z向重復(fù)性可達(dá)0.04m。這種測(cè)頭可進(jìn)行非接觸連續(xù)測(cè)量,其原子力測(cè)頭的曲率半徑有0.5mm和2m兩種。但其測(cè)量力為10-4510-4N,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原子力范疇。原子力是指被測(cè)表層對(duì)測(cè)針之間

9、的原子排斥力,一般在10-9-710N之間。該測(cè)頭的測(cè)量力仍完全屬于宏觀機(jī)械接觸力,因此仍可根據(jù)接觸力的經(jīng)驗(yàn)公式觸力造成的變形誤差在亞微米級(jí)。8,計(jì)算出其接4原子力測(cè)頭技術(shù)根據(jù)日本松下公司原子力測(cè)頭的設(shè)想,我們研制了坐標(biāo)測(cè)量機(jī)真正原子力的三維測(cè)頭。原子力探針檢測(cè)系統(tǒng)示意見圖2,其結(jié)構(gòu)原理如圖3。5結(jié)束語(yǔ)本文提出采用原子力準(zhǔn)接觸(接觸力10-610-9N)方式實(shí)現(xiàn)微尺寸坐標(biāo)測(cè)量。完全消除了接觸式測(cè)頭的彈性變形誤差和測(cè)桿變形隨機(jī)誤差及光學(xué)非接觸圖2原子力探針檢測(cè)系統(tǒng)示意圖1電容傳感器2半導(dǎo)體激光器3壓電管PZT4微懸臂及探針5位置檢測(cè)器PSD方法的誤差,使三坐標(biāo)機(jī)測(cè)頭的測(cè)量精度得到較大提高。這一方

10、法是高精度測(cè)頭的發(fā)展方向之一。參考文獻(xiàn)1肖貴福對(duì)發(fā)展坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)頭的新思考現(xiàn)代計(jì)量測(cè)試,1995(4)2KazuoYamazaki,KeeSeinlee.NoncontactProbeforContinuousMeasurementofSurfaceInclinationandPositionUsingDynamicIrradiationofLightBeam.AnnalsoftheCIRP,1993,42(1)原子力測(cè)頭探針微位移的基本檢測(cè)方法采用光學(xué)杠桿方式。這一系統(tǒng)是利用半導(dǎo)體激光器發(fā)生的準(zhǔn)直激光束照射在與微探針相連的經(jīng)過力學(xué)設(shè)計(jì)的微懸臂制造技術(shù)與機(jī)床200129工藝與檢測(cè)Technol

11、ogyandTest亞干式切削機(jī)理的探討AboutNear_dryCuttingMechanism任家隆(華東船舶工業(yè)學(xué)院)摘要:由于環(huán)境保護(hù)的要求,人們希望實(shí)現(xiàn)綠色、少或無(wú)切削液加工。文章通過綠色冷風(fēng)冷卻和微量添加劑相結(jié)合的亞干式切削方法,對(duì)GCr12、Cr12、45鋼等幾種金屬材料進(jìn)行了切削試驗(yàn),分析了切削過程中切削力、切削熱、刀具磨損等因素的變化,以及該切削方法與其它切削方法的比較,探討了亞干式切削的可行性。關(guān)鍵詞:冷風(fēng)加工亞干式切削機(jī)理22試驗(yàn)裝置(1)機(jī)床及測(cè)量?jī)x器:機(jī)床(CA6140車床);測(cè)力儀(Y60_3A)、光線示波器(SC16型)、X-Y函數(shù)記錄儀(CZ3-304,精度0.

12、5mm,規(guī)格:25mm30mm);自制刀具工件熱電偶,電壓表(Pz26b);BCJ-2型表面粗糙度檢測(cè)儀;WNY-150醫(yī)用測(cè)溫儀。(2)冷風(fēng)發(fā)生裝置:自制設(shè)備,溫度最低可調(diào)至-35。(3)刀具:車用機(jī)夾刀片。切削GCr12時(shí)使用德國(guó)產(chǎn)SNMM120408-NR7WAP30(測(cè)切削力時(shí));SNMM150612WPA20(測(cè)切削熱時(shí))。切削45鋼時(shí)使用國(guó)產(chǎn)YT15SNMM120408(測(cè)切削力時(shí)),YT15SNMM150612(測(cè)切削熱時(shí))。切削Cr12鋼時(shí)使用國(guó)產(chǎn)YW1(測(cè)切削力時(shí)),YT15(測(cè)切削熱時(shí))。23切削試驗(yàn)方法本試驗(yàn)采用的試驗(yàn)裝置如圖1所示,即將壓縮機(jī)產(chǎn)生的壓縮氣體送至冷風(fēng)發(fā)生裝

13、置,并由儀器、開關(guān)調(diào)節(jié)到所需溫度,再由圖1試驗(yàn)裝置噴嘴噴射到刀具前刀面和切屑之間,從而起到排屑和冷卻切削區(qū)的作用。而亞1前言世界上的一切財(cái)富都是人力資源開發(fā)自然資源的產(chǎn)物,其中制造業(yè)占有重要的地位,它既能創(chuàng)造財(cái)富,又是污染的源頭1。據(jù)美國(guó)工業(yè)有害廢物來(lái)源統(tǒng)計(jì)表明:金屬加工業(yè)占工業(yè)廢物來(lái)源的5%,排第4位2。其中傳統(tǒng)加工所使用的切削液給環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染?？沙掷m(xù)發(fā)展呼喚綠色制造,清潔生產(chǎn)需要綠色加工。本文主要利用綠色干加工技術(shù)之一亞干式切削對(duì)幾種金屬材料進(jìn)行切削加工試驗(yàn),并探討該切削加工方法的機(jī)理及優(yōu)勢(shì)。2試驗(yàn)方法21試驗(yàn)材料被切削材料分別選用45鋼,26HRC,D=75mm;GCr12,58

14、HRC,D=76mm;Cr12,52HRC,D=82mm。45鋼是中碳鋼的代表,其特點(diǎn)是切削性能好;GCr12是高強(qiáng)度軸承鋼的代表,其特點(diǎn)是耐磨損,切削過程中所需功率大,刀具磨損嚴(yán)重;Cr12的特點(diǎn)是具有較高的抗拉強(qiáng)度,導(dǎo)熱率低,切屑內(nèi)的溫度梯度高,加工中切屑刀具接觸表面溫度高,極易加劇刀具的擴(kuò)散磨損,加之其粘性大,切屑極易粘著刀尖,影響加工質(zhì)量,影響切削過程的穩(wěn)定性。3費(fèi)業(yè)泰坐標(biāo)測(cè)量機(jī)激光非接觸式測(cè)頭的研制現(xiàn)代計(jì)量測(cè)試,1994(5)4K.Bienias等計(jì)量型原子力顯微鏡計(jì)量學(xué)報(bào),1998,19(1)5Y.Xu,S.T.Smith,P.D.Atherton.AMetrologicalSca

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16、第一作者:孫濤,哈爾濱工業(yè)大學(xué)413信箱,郵編:150001,電話:(0451)6415244(編輯符祚鋼)(收修改稿日期:2000-11-25)30制造技術(shù)與機(jī)床2001年第10期RelationBetweenRacewayGeometricDimensionandPerformanceofLinearRollingGuidewaySUNJianli(HuazhongUniversityofScience&Technology),etal.(18)Abstract:Basedonthetheoreticstudyontheratedstatic,dynamicload,rigidityand

17、frictionforlinearrollingguideway,andtherelationshipbetweentheracewaygeometricdimensionandaboveperformances,theoreticreferenceisprovidedforthedesignandapplicationoflinearrollingguideway.Keywords:LinearRollingGuideway,RatedStaticLoad,RatedDynamicLoad,Rigidity,FrictionToOptimizetheSelectionofPartTolera

18、ncesBasedonAssemblyRequirementJIANGJunxia(ZhejiangUniversity)(20)Abstracts:Tomarkdimensionsandtolerancesonthedesigningdrawingarethetwoimportantphasesforproductdesign.Toimprovetheinter-changeability,reducecostandscraps,anewwayforoptimizingtolerancesforassemblingpartsispresented.Thewaycansetupanoptima

19、lmathema_ticmodelcontainingseveralvariablesandrestrictingconditionsbasedontheinitiallydistributedtoleranceandassemblyrequirement,anddeterminethedimensionaltoleranceofeachpartthroughplannedsolution,sothatallassemblyrequirementsaremet.Thewayissimpleandsuitableforallusers.Keywords:Tolerance,AssemblyReq

20、uirements,OptimizationResearchandDevelopmentofAUniversalPDM-basedProductStructureCreatingSystemHUShaobo(TsinghuaUniversity),etal.(23)Abstracts:AuniversalPDM-basedautomaticproduct-structure-treecreatingwayispresentedinrespecttothecreatingwayofproductstructureinPDMsystemandfeaturesofdifferententerpris

21、es,andtheoverallframeworkofthesystem,thedesigningphilosophyandrealizingwayofeachfunctionalmoduleareintroduced.Keywords:PDM,Universal,IMANProduct-Structure-TreeRapidArcInterpolationAlgorithmwithNegativeDeviation-4-TANGXuefei(LianyungangChemicalHighTrainingSchool),etal(26)Abstracts:Arecursionalgorithm

22、forarcinterpolationispresented,whichissimple,whosespeedisneartopoint-to-pointcomparisonwayandinterpolationaccuracyissimilartothatofLeastDeviationmethod,anditisfeaturedbynegativedeviation.Keywords:ArcInterpolation,Deviation,JudgingFunctionHigh-PrecisionProbeTechnologyforCMMSUNTao(HaerbinUniversityofT

23、echnology),etal.(28)Abstracts:Researchanddevelopmentstatusofhigh-precisionprobeofCMMisintroduced;advantages&disadvantagesofcontact,opticalandscanningprobeareanalyzed;measuringprincipleofhigh-precisionmeasurementdevelopedbyJapanesePanasonicCo.isstudied;anewtypeofCMMprobeisdesignedbasedonthebasicprinc

24、ipleforatomicforcemicroprobe.Thetextpointsoutthattouseatomicforcenear-contacttechnologyisoneofthetendenciesforprobetodeveloptowardhigh-precisionone.Keywords:CMM,Probe,Atomic-forceMicroProbeAboutNear-dryCuttingMechanismRENJialong(HuadongShippingIndustryCollege)(30)Abstracts:Demandingbyenvironmentalprotection,peoplehopetohavegreenmachiningorprocesswithminimumornocuttingfluid.Throughanear-drycuttingwaycombi