國(guó)內(nèi)外高精度直線(xiàn)度測(cè)量技術(shù)的研究現(xiàn)狀 - 寧延平 - 圖文-

1、現(xiàn)代制造工程2005(6國(guó)內(nèi)外高精度直線(xiàn)度測(cè)量技術(shù)的研究現(xiàn)狀寧延平劉戰(zhàn)鋒摘要對(duì)國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)的各種高精度直線(xiàn)度測(cè)量方法進(jìn)行了系統(tǒng)的歸類(lèi)和詳盡的對(duì)比,并對(duì)存在的問(wèn)題和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行評(píng)述。關(guān)鍵詞:直線(xiàn)度測(cè)量中圖分類(lèi)號(hào):TH 16文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):16713133(200506008203The status of h i gh prec isi on li n ear m easure techn i ques i nsi d e and outsi d eN i n g Yanpi n g ,L i u ZhanfengAb strac t A ll ki nds of h i gh pr

2、ecise straigh t ness m easuring m ethods t ha t have com e fo rt h i n t he wo rl d are ana l y zed and contras -ted .The questions that lie i n t he exactit ude linearity m ea s u re and what w ill be to m orro w a re a lso expa tiated .K ey word s :S traigh tness M eas u re世界各個(gè)國(guó)家對(duì)直線(xiàn)度測(cè)量領(lǐng)域一直予以高度重視,并

3、不斷推出新型高精度直線(xiàn)度測(cè)量方法和裝置,以滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的要求。目前國(guó)內(nèi)外在圓度、平行度以及表面粗糙度等計(jì)量領(lǐng)域甚至已達(dá)到納米級(jí)測(cè)量精度水平,然而直線(xiàn)度的測(cè)量精度卻不高,特別是在大長(zhǎng)度范圍的直線(xiàn)度測(cè)量領(lǐng)域,其精度水平更遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于其他計(jì)量項(xiàng)目。國(guó)際上只有美國(guó)N I ST ,德國(guó)PTB ,原蘇聯(lián)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局,美國(guó)勞侖斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室,日本O saka 大學(xué),美國(guó)Lockheed 火箭和空間公司等達(dá)到了0.1m /m 或更高的精度水平。我國(guó)目前仍采用長(zhǎng)平晶組分段互檢方法作為直線(xiàn)度檢定基準(zhǔn),測(cè)量精度不高(特別是在測(cè)量大尺寸零件時(shí)尤為明顯。這種狀況嚴(yán)重制約著我國(guó)精密計(jì)量測(cè)試領(lǐng)域的發(fā)展步伐。因此,對(duì)國(guó)

4、內(nèi)直線(xiàn)度測(cè)量方法進(jìn)行研究,具有重要的意義。1國(guó)內(nèi)外直線(xiàn)度測(cè)量技術(shù)的研究現(xiàn)狀縱觀(guān)國(guó)內(nèi)外所報(bào)道的直線(xiàn)度測(cè)量方法,測(cè)量精度低于0.5m /m 的為一般精度水平,高于0.5m /m 的屬高精度測(cè)量,而高于0.1m /m 者屬?lài)?guó)際先進(jìn)水平。但由于測(cè)量方法種類(lèi)繁多,目前尚未見(jiàn)到統(tǒng)一而合理的分類(lèi)方法。按照測(cè)量中有無(wú)直線(xiàn)基準(zhǔn),可將直線(xiàn)度測(cè)量方法大體上歸納為兩大類(lèi)。1.1無(wú)直線(xiàn)基準(zhǔn)測(cè)量無(wú)直線(xiàn)基準(zhǔn)測(cè)量法,是指被測(cè)對(duì)象直線(xiàn)度的測(cè)量不是與某種直線(xiàn)基準(zhǔn)進(jìn)行比較,而是沿被測(cè)表面以線(xiàn)值測(cè)量的方法,得到被測(cè)表面上各采樣點(diǎn)的偏差值,然后經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到被測(cè)對(duì)象的直線(xiàn)度誤差值。無(wú)直線(xiàn)基準(zhǔn)測(cè)量主要采用誤差分離法。所謂誤差分離法(E

5、rr o r Separation Technique ,EST 是指從測(cè)量結(jié)果中將標(biāo)準(zhǔn)量的誤差和被測(cè)量的誤差分離開(kāi)來(lái),從而提高測(cè)量精度和測(cè)量效率。按照信息獲得的途徑不同,無(wú)直線(xiàn)基準(zhǔn)測(cè)量法又可分為反向法、錯(cuò)位法和多測(cè)頭法。1反向法是將被測(cè)零件進(jìn)行兩次安裝,并分別進(jìn)行兩次測(cè)量,兩次安裝的位置正好反向,經(jīng)數(shù)據(jù)處理求出被測(cè)零件的直線(xiàn)度誤差。根據(jù)采用的直尺的數(shù)量,又可分為單尺法,雙尺法和三尺法。單尺反轉(zhuǎn)測(cè)量法原理如圖1所示,將被檢直尺放在滑板上,滑板沿床身作直線(xiàn)運(yùn)動(dòng),由激光系統(tǒng)對(duì)直尺上各采樣點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。首先按圖1a 所示狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量,然后將直尺(被測(cè)件及整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)反轉(zhuǎn)180°(如圖1b 所

6、示進(jìn)行第2次測(cè)量,最后將兩次測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,即可得到直尺的直線(xiàn)度誤差及滑板移動(dòng)的直線(xiàn)度誤差。據(jù)報(bào)道,用這種方法水平方向測(cè)量精度為13nm ,垂直方向?yàn)?0nm 。4結(jié)語(yǔ)基于弦截迭代法進(jìn)行圓弧齒輪公法線(xiàn)長(zhǎng)度計(jì)算,借助于計(jì)算機(jī),比手工計(jì)算大大降低了工作量,而且精度也得到了保證,為生產(chǎn)提供了方便,此方法已在多家機(jī)械廠(chǎng)推廣。參考文獻(xiàn)1徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第三卷M .北京:機(jī)械工業(yè)出版社,19912田克明.齒輪手冊(cè)M .北京:機(jī)械工業(yè)出版社,19903太原工業(yè)大學(xué)齒輪教研室.圓弧齒輪M .北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1982作者通訊地址:1蘭州工業(yè)高等專(zhuān)科學(xué)校機(jī)械系(7300502蘭州蘭石國(guó)民油井工程公司

7、(730050收稿日期:2004102882儀器儀表與檢測(cè)DOI 牶牨牥牣牨牰牱牫牨牤j 牣cn ki 牣牨牰牱牨牠牫牨牫牫牣牪牥牥牭牣牥牰牣牥牫牬 現(xiàn)代制造工程2005(6圖1單尺反轉(zhuǎn)誤差分離原理2移位法是通過(guò)被測(cè)零件的起始測(cè)量位置的變動(dòng)進(jìn)行兩次測(cè)量,即第1次測(cè)量后,被測(cè)件向前平移一跨距,再進(jìn)行第2次測(cè)量,經(jīng)數(shù)據(jù)處理可消除測(cè)量基準(zhǔn)本身的直線(xiàn)的誤差,求出被測(cè)件的直線(xiàn)度誤差。3多測(cè)頭法也叫多測(cè)點(diǎn)法,其測(cè)量原理如圖2所示。在測(cè)量架上安裝多個(gè)測(cè)頭(A,B,然后以測(cè)頭間距(L為步長(zhǎng)逐次測(cè)量,各次測(cè)量的首尾端點(diǎn)相接,并記錄下每個(gè)測(cè)頭的讀數(shù),然后通過(guò)數(shù)據(jù)處理進(jìn)行誤差分析,可同時(shí)得到被測(cè)表面的直線(xiàn)度和測(cè)量架

8、的直線(xiàn)度偏差。圖2多測(cè)頭法測(cè)直線(xiàn)度誤差綜上所述,誤差分離法EST測(cè)量直線(xiàn)度誤差的特點(diǎn)為:(1實(shí)用可靠,適用于在線(xiàn)或離線(xiàn)測(cè)量,一次測(cè)量可獲得多項(xiàng)測(cè)量誤差,提高了測(cè)量精度和測(cè)量效率。(2當(dāng)長(zhǎng)度L(被測(cè)件的總長(zhǎng)度一定時(shí),采樣點(diǎn)數(shù)N越大,測(cè)量精度越高。(3在保證同樣測(cè)量精度的條件下,可顯著降低對(duì)基準(zhǔn)件及量?jī)x的精度要求。(4受多種因素影響,如測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇不當(dāng)、測(cè)頭間距誤差、傳感器標(biāo)定誤差、工件安裝誤差等,使測(cè)量準(zhǔn)確度下降。1.2有直線(xiàn)基準(zhǔn)測(cè)量直線(xiàn)基準(zhǔn)測(cè)量法是直接采用一定的直線(xiàn)基礎(chǔ)(S traight Line Re ference,并以此基準(zhǔn)來(lái)檢測(cè)被測(cè)表面的直線(xiàn)度偏差(線(xiàn)差或角度值,從而獲得被測(cè)

9、表面的直線(xiàn)度誤差值。所采用的直線(xiàn)基準(zhǔn)通常有三種:實(shí)物基準(zhǔn)、重力水平基準(zhǔn)和光線(xiàn)基準(zhǔn)。其常用測(cè)量方法如下。圖3光隙法測(cè)直線(xiàn)度誤差1光隙法是用刀口尺作為理想直線(xiàn)測(cè)量直線(xiàn)度誤差的一種方法,如圖3所示。這種方法通常用于對(duì)尺寸較小的磨削或研磨表面進(jìn)行測(cè)量。直線(xiàn)度誤差大小可通過(guò)測(cè)刀口與表面間光隙的大小來(lái)判斷,誤差值大小由比對(duì)法獲得。在良好的照明條件下,可以清楚地判斷出1m的微小間隙。2節(jié)距法把被測(cè)要素按一定長(zhǎng)度(節(jié)距劃分為若干等分,然后使其測(cè)量微小角度的儀器測(cè)出各等分段相對(duì)于自然水平基準(zhǔn)或某一固定光軸的傾角,再根據(jù)等分的長(zhǎng)度將各段的角值偏差換算為線(xiàn)值偏差,最后根據(jù)該組線(xiàn)值偏差數(shù)據(jù)評(píng)定被測(cè)要素的直線(xiàn)度誤差。3

10、測(cè)微儀法(打表法通常以平板、導(dǎo)軌或平尺作為測(cè)量基準(zhǔn)。其測(cè)量原理如圖4所示,當(dāng)測(cè)微儀臺(tái)架圖4打表法測(cè)直線(xiàn)度誤差在平板上移動(dòng)時(shí),儀器測(cè)頭隨之劃過(guò)被測(cè)表面,測(cè)頭的上下移動(dòng)量反映出被測(cè)表面相對(duì)于平板(測(cè)量基準(zhǔn)的變化狀況。也可以事先在被測(cè)表面上確定若干測(cè)量點(diǎn),測(cè)量?jī)x只在各測(cè)量點(diǎn)上測(cè)取數(shù)據(jù)。測(cè)微儀的最大讀數(shù)之差就可以作為被測(cè)要素的直線(xiàn)度誤差。該方法特點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、測(cè)量精度相對(duì)較高,可達(dá)5m。缺點(diǎn)是測(cè)量基準(zhǔn)存在著一定的誤差,測(cè)量速度較慢,不能實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)測(cè)量。4三坐標(biāo)法。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是近二十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種以精密機(jī)械為基礎(chǔ),結(jié)合光柵與激光干涉技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、應(yīng)用電子技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的測(cè)量設(shè)備。利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)

11、(或機(jī)床的高精度導(dǎo)軌作為直線(xiàn)基準(zhǔn),在工作臺(tái)沿床身導(dǎo)軌移動(dòng)過(guò)程中,利用固定不動(dòng)的測(cè)微表測(cè)量被測(cè)件表面各采樣點(diǎn)的偏差值。該法具有高精度、測(cè)量靈活、系統(tǒng)柔性好的優(yōu)點(diǎn),但測(cè)量屬于接觸測(cè)量,對(duì)于定位點(diǎn)的確定需要一定技巧,測(cè)量速度較慢。隨著測(cè)量工件的增大,系統(tǒng)往往需要配有高精度的長(zhǎng)導(dǎo)軌,不適合于在線(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量,適合于離線(xiàn)抽檢。5平晶干涉法是以平晶的工作面作為測(cè)量基準(zhǔn)。圖5平晶干涉法測(cè)直線(xiàn)度誤差測(cè)量時(shí),選擇與工件尺寸相當(dāng)?shù)钠骄?然后將平晶工作面緊貼于被測(cè)工件表面,如圖5所示。由于被測(cè)工件表面有直線(xiàn)度誤差存在,所以在平晶工作面上產(chǎn)生等厚干涉條紋,干涉條紋的條數(shù)N與間隙量f相對(duì)應(yīng)。由于尺寸較小的加工表面多呈凸形或

12、凹83儀器儀表與檢測(cè) 現(xiàn)代制造工程2005(6形,所以其直線(xiàn)度誤差f =N /4(為投射光的波長(zhǎng),其特點(diǎn)是測(cè)量精度高(可達(dá)1m ;對(duì)被測(cè)表面質(zhì)量要求較高。6激光準(zhǔn)直儀法是以激光光束的能量中心線(xiàn)為直線(xiàn)基準(zhǔn),由光電位置敏感元件進(jìn)行測(cè)量。其測(cè)量原理為:由氦-氖激光器發(fā)出的一束激光經(jīng)準(zhǔn)直后射向目標(biāo)測(cè)量靶,該靶中心有一塊圓形四象限硅光電池,兩兩相對(duì)的硅光電池接成差動(dòng)式。其中心與靶子的機(jī)械軸線(xiàn)重合。上、下一對(duì)硅光電池,可用來(lái)測(cè)量靶子相對(duì)于激光束在垂直方向上的偏移;左、右一對(duì)硅光電池,可用來(lái)測(cè)量靶子相對(duì)于激光束在水平方向上的偏移。當(dāng)光電接收靶中心與激光束能量中心重合時(shí),相對(duì)的兩個(gè)光電池接收能量相同,因此輸出

13、光電信號(hào)相等,無(wú)信號(hào)輸出,指示電表指示為零。當(dāng)靶子中心偏移激光束能量中心時(shí),相對(duì)的兩個(gè)光電池有差值信號(hào)輸出,通過(guò)運(yùn)算電路可用指示表指示出數(shù)值或用紀(jì)錄儀紀(jì)錄下曲線(xiàn)。因此,測(cè)量時(shí)首先將儀器與靶子調(diào)整好,然后將靶子沿被測(cè)表面測(cè)量方向移動(dòng),便能得到直線(xiàn)度誤差的原始數(shù)據(jù)。其缺點(diǎn)是不易達(dá)到很高精度,因?yàn)楣饩€(xiàn)在空氣中并非絕對(duì)準(zhǔn)直,測(cè)量范圍越大,其偏差就越大;采用的光電位置敏感元件的測(cè)量精度較難大幅度提高;光束在傳播過(guò)程中容易受到各種干擾而出現(xiàn)偏差。7雙頻激光干涉法是將同一激光器發(fā)出的光分成頻率不同的兩束光,且使這兩束光產(chǎn)生干涉,以渦拉斯頓棱鏡作為位置敏感元件進(jìn)行測(cè)量。其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量距離大,測(cè)量速度高,抗干擾能

14、力強(qiáng),尤其是抗空氣擾動(dòng)的能力強(qiáng),因此它適于在車(chē)間等環(huán)境稍差些的場(chǎng)合應(yīng)用,測(cè)量精度可達(dá)0.4m 。8激光全息法是1984年由日本的K iyo fu m iM at -suda 等人提出的。原理如圖6所示,由激光器3發(fā)出的光束經(jīng)過(guò)分束器4后分為兩束光F 1和F 2。F 2經(jīng)途中的光學(xué)系統(tǒng)后照射在全息底片2上,形成目標(biāo)光束。F 1經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像后照射到散射板5上,然后也落在全息底片2上,并與F 2發(fā)生干涉,從而形成全息圖。當(dāng)光學(xué)單元1沿光軸方向移動(dòng)并出現(xiàn)橫向位移時(shí),將使干涉條紋發(fā)生變化,從而可測(cè)得其直線(xiàn)度偏差。2直線(xiàn)度測(cè)量的發(fā)展方向與目標(biāo)形位誤差的測(cè)量大多采用間接測(cè)量法,需要經(jīng)過(guò)較復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算才能

15、得到最終的測(cè)量結(jié)果,所以形位誤差的智能化測(cè)量便成為領(lǐng)域所追求的一個(gè)目標(biāo)。同時(shí),在保證一定測(cè)量精度的前提下,使直線(xiàn)度的測(cè)量方法簡(jiǎn)化、測(cè)量裝置的制造成本降低也是機(jī)械制造行圖6激光全息法測(cè)直線(xiàn)度誤差1.光學(xué)單元2.全息底片3.激光器4.分束器5.散射板業(yè)追求的一個(gè)目標(biāo)?？傊?對(duì)直線(xiàn)度的測(cè)量過(guò)程和測(cè)量結(jié)果有兩方面的要求,一是精確度要求,即測(cè)量結(jié)果必須達(dá)到一定的可信程度;二是經(jīng)濟(jì)性要求,即在保證測(cè)量結(jié)果精確性的前提下,應(yīng)使測(cè)量過(guò)程簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì),花費(fèi)代價(jià)最小。要滿(mǎn)足這兩方面的要求,應(yīng)使用集光、機(jī)、電、算等新技術(shù)于一體的新型測(cè)量?jī)x器,進(jìn)行實(shí)時(shí)、快速、非接觸測(cè)量,這將是現(xiàn)代直線(xiàn)度測(cè)量技術(shù)的發(fā)展方向。3結(jié)語(yǔ)綜上所述,各種檢測(cè)直線(xiàn)度的方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)。目前,使用簡(jiǎn)便、穩(wěn)定可靠、精度高的測(cè)量裝置與測(cè)量方法還處于探索階段。因此將其同當(dāng)代的前沿學(xué)科相結(jié)