韓 峰 魯 敏

摘要 隨著人們對加工精度要求的不斷提高,微位移技術(shù)也隨之產(chǎn)生。微進(jìn)給機(jī)構(gòu)是指行程小、靈敏度和精度高的機(jī)構(gòu),是精密機(jī)械和精密儀器的重要組成部分之一。本文對機(jī)床微位移機(jī)構(gòu)誤差的測量與補(bǔ)償進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞 機(jī)床;誤差;測量;補(bǔ)償

中圖分類號 TG64文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708(2009)07-0024-02

超精密加工技術(shù)是從20 世紀(jì)60 年代發(fā)展起來的加工方法,其最大的特點(diǎn)是在綜合應(yīng)用機(jī)械發(fā)展的新成就(新型軸承、導(dǎo)軌、傳動裝置、微位移技術(shù)等)以及現(xiàn)代電子、測量、計(jì)算機(jī)等新技術(shù)的基礎(chǔ)上大幅度提高機(jī)械加工的精度和水平,向機(jī)械加工精度的極限—納米級水平挑戰(zhàn),目前它已成為機(jī)械加工技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。

超精密加工技術(shù)作為高技術(shù)領(lǐng)域中的基礎(chǔ)技術(shù),不管是在軍用工業(yè),還是在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中都發(fā)揮著重要的作用,是尖端技術(shù)產(chǎn)品開發(fā)中不可缺少的關(guān)鍵手段。同時,它又推動著半導(dǎo)體技術(shù)、光電技術(shù)、材料科學(xué)及測量技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。因此,超精密加工技術(shù)是一個國家科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要支撐技術(shù),也是衡量一個國家科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志。

1 機(jī)床主要誤差

傳統(tǒng)的超精密機(jī)床的精度主要是靠機(jī)床的基準(zhǔn)元部件的精度達(dá)到的,而繼續(xù)提高機(jī)床部件的精度已十分困難,采用微量進(jìn)給機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)刀具的精確微小位移,并在加工過程中對加工誤差作出相應(yīng)補(bǔ)償是保證零件尺寸加工精度、實(shí)現(xiàn)精密、超精密切削加工的必要手段。而利用電致伸縮陶瓷提高機(jī)床幾何精度的過程中,由于電致伸縮陶瓷的基本特性,在加工過程中,精微進(jìn)給和粗進(jìn)給應(yīng)分開,以提高微位移的精度、分辨率和穩(wěn)定性。將對機(jī)床的導(dǎo)軌誤差首先進(jìn)行粗進(jìn)給補(bǔ)償,而后利用開環(huán)控制系統(tǒng)對整個加工過程進(jìn)行精微進(jìn)給補(bǔ)償。導(dǎo)軌是機(jī)床上確定各機(jī)床部件相對位置關(guān)系的基準(zhǔn),也是機(jī)床運(yùn)動的基準(zhǔn)。車床導(dǎo)軌的精度要求主要有以下3個方面:在水平面內(nèi)的直線度;在垂直面內(nèi)的直線度;前后導(dǎo)軌的平行度(扭曲)臥式車床導(dǎo)軌在水平面內(nèi)的直線度誤差Δ1(圖1)。將直接反映在被加工工件表面的法線方向(加工誤差的敏感方向)上,對加工精度的影響最大。

臥式車床導(dǎo)軌在垂直面內(nèi)的直線度誤差Δ2(見圖2)可引起被加工工件的形狀誤差和尺寸誤差。但Δ2 對加工精度的影響要比Δ1小得多。由圖可見,若因Δ2而使刀尖由a下降至b,不難推得工件半徑R的變化量ΔR ≈ Δ 22/ D。若設(shè)Δ2=40mm,則ΔR=0.00025mm。由此可知,臥式車床導(dǎo)軌在垂直面內(nèi)的直線度誤差對工件加工精度的影響很小,可忽略不計(jì)。

圖2 臥式車床導(dǎo)軌垂直面內(nèi)直線度誤差

對工件加工精度的影響

當(dāng)前后導(dǎo)軌存在平行度誤差(扭曲)時,刀架運(yùn)動時會產(chǎn)生擺動,刀尖的運(yùn)動軌跡是一條空間曲線,使工件產(chǎn)生形狀誤差。除了導(dǎo)軌本身的制造誤差外,導(dǎo)軌的不均勻磨損和安裝質(zhì)量,也是造成導(dǎo)軌誤差的重要因素。導(dǎo)軌經(jīng)過一定時間使用以后,必然會產(chǎn)生一定的磨損,而導(dǎo)軌的磨損是機(jī)床精度下降的一個重要原因,因而實(shí)驗(yàn)時必須將其消除。

在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過程中,首先要消除導(dǎo)軌在水平面內(nèi)的直線度誤差,實(shí)現(xiàn)微進(jìn)給系統(tǒng)的粗進(jìn)給,但考慮到其它一些誤差的影響,直接對導(dǎo)軌進(jìn)行測量明顯不夠精確,因此,在這里我們采用測量小刀架運(yùn)動過程中水平面內(nèi)的直線度誤差并進(jìn)行誤差分離,以便給補(bǔ)給做準(zhǔn)備。

2 用水平儀、自準(zhǔn)直儀測量直線度

直線度表示被測實(shí)際要素直的程度。直線度是一項(xiàng)控制直線(面與面的交線,平面內(nèi)的直線,圓柱、圓錐體素線或軸線)的形狀誤差指標(biāo)。直線度是指被測實(shí)際線對理想線的變動量,可分為給定平面內(nèi)的直線對誤差,給定方向的直線度誤差和任意方向的直線度誤差。

直線度誤差的檢測器具有:刀口尺、框式水平儀、合象水平儀、電子水平儀和自準(zhǔn)直儀等。刀口尺用于檢驗(yàn)短小工件的直線度誤差,框式水平儀用于精度要求不太高的工件的測量,電子水平儀和自準(zhǔn)直儀用于高精度工件的測量。對測量數(shù)據(jù)的處理有:兩端點(diǎn)連線法、最小二乘法和最小區(qū)域法。它們之間有著各自的優(yōu)缺點(diǎn),總體來說可歸納為以下幾點(diǎn):

1)每種方法的計(jì)算法和作圖法所得結(jié)果基本相同,相差甚微,差值乃作圖,誤差所致。

2)最小區(qū)域法所得結(jié)果的數(shù)值最小,兩端點(diǎn)連線法所得結(jié)果最大,最小二乘法介于兩者之間。直線度誤差數(shù)值小時,三者差別甚小,直線度誤差數(shù)值大時,三者差別較大。

3)兩端點(diǎn)連線法簡單方便,在生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。用該方法處理合格的零件,用其它方法必然合格。

4)有爭議時,應(yīng)以最小區(qū)域法進(jìn)行裁決。

直線度誤差通常用水平儀(分度值 0.02mm/m~0.05mm/m,即4′′~10′′)、合象水平儀(分度值 0.01mm/m,即2′′)、自準(zhǔn)直儀(分度值為 0.005mm/m~0.001mm/m,即1′′ ~ 0.2′′)和電子水平儀(分度值同自準(zhǔn)直儀)進(jìn)行測量。測量時將器具(水平儀或自準(zhǔn)直儀反射鏡)放在根據(jù)被測長度選定的適當(dāng)跨距的橋板上,首尾相接的移動橋板分段進(jìn)行測量,使前一次橋板的末點(diǎn)與后一次橋板的始點(diǎn)重合,由水平儀或自準(zhǔn)直儀讀出每個測量位置的讀數(shù),這個讀數(shù)是后一點(diǎn)相對于前一點(diǎn)的測量值。

在橋板移動過程中,水平儀或反射鏡不得有相對于橋板的移動。在考慮水平儀讀數(shù)的正負(fù)號時,應(yīng)考慮其移動方向,若水平儀從左向右移動,水平儀氣泡也向右偏移,則右支點(diǎn)升高,讀數(shù)應(yīng)取正號。反之,若氣泡向左偏移時,則取負(fù)號。測量出結(jié)果后,將測量時讀得的器具的格值化為線值,按下試計(jì)算:a =τ La′,其中τ為器具分度值(mm/m);L為所用橋板跨距(mm);a′為讀數(shù)格值;a 為相應(yīng)格值化的線值(mm)。若欲將化得的線值用μm表示,則為:a =1000τ La′兩端點(diǎn)連線法是一種通常不符合最小條件的近似檢測方法。由于它簡便、實(shí)用且能滿足比較高的精度要求,故在生產(chǎn)實(shí)踐上被廣泛應(yīng)用。它是以首尾兩端的連線作為基準(zhǔn)評定直線度誤差的方法。

參考文獻(xiàn)

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第四屆全國地理學(xué)研究生學(xué)術(shù)年會會議在京召開

第四屆全國地理學(xué)研究生學(xué)術(shù)年會于10月16~18日在中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所、北京大學(xué)、北京師范大學(xué)和首都師范大學(xué)隆重召開。本屆年會由中國地理學(xué)會、全國地理學(xué)研究生聯(lián)合會、中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所主辦,中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所研究生會、北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院研究生會、北京師范大學(xué)地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院研究生會和首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院研究生會共同承辦,南京大學(xué)、中山大學(xué)、中國科學(xué)院等四十多家高校院所協(xié)辦。于貴瑞研究員、樊杰研究員、鄔倫教授、蔡運(yùn)龍教授、周尚意教授、宮輝力教授等著名地理學(xué)者擔(dān)任大會學(xué)術(shù)指導(dǎo)委員會委員,全國地理學(xué)研究生聯(lián)合會主席、中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所博士生梁育填擔(dān)任大會主席。

本屆年會開幕式在中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所舉行,中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所于貴瑞副所長、北京大學(xué)鄔倫教授、中國地理學(xué)會青年工作委員會曹廣忠主任,北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院李雙成副院長、北京師范大學(xué)地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院邱揚(yáng)副院長、首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院趙文吉副院長、中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所研究生部王淑強(qiáng)副主任出席開幕式。于貴瑞副所長、曹廣忠主任、梁育填博士先后在開幕式上致辭,對本屆年會召開給予高度評價,對全國地理學(xué)研究生聯(lián)合會的工作給予肯定。隨后,大會進(jìn)行頒獎和新成員聘書授予儀式。中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所研究生會等9個研究生會榮獲“優(yōu)秀組織獎”,楊白潔、韓丹、張鵬巖、楊明金、張子龍、李樹奎、黃彥婷榮獲“個人突出貢獻(xiàn)獎”,上海師范大學(xué)旅游學(xué)院研究生會、江西師范大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院研究生會、寧夏大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院研究生會被聘為全國地理學(xué)研究生聯(lián)合會成員單位。

本屆年會邀請中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所于貴瑞研究員做“生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)的發(fā)展與研究方法”、樊杰研究員做“加深認(rèn)識、永續(xù)發(fā)展我國的經(jīng)濟(jì)地理學(xué)——至2050年我國區(qū)域可持續(xù)發(fā)展研究的路線圖設(shè)計(jì)”、北京大學(xué)鄔倫教授做“數(shù)字地球和數(shù)字中國”的主題報告。這些精彩的報告為青年研究生了解學(xué)科前沿開拓了視野,堅(jiān)定從事地理學(xué)研究的信心。本屆年會以“傳承地理學(xué)百年精粹,探究研究生創(chuàng)新之路”為主題,收到全國各個高校研究生的提交論文240多篇,經(jīng)過評審老師的評定,挑選120余篇學(xué)術(shù)論文進(jìn)行分會場報告,最后推選其中5篇論文為“中國地理學(xué)會百年慶典青年優(yōu)秀論文”,有力地促進(jìn)全國地理學(xué)研究生的學(xué)術(shù)交流。

本屆學(xué)術(shù)年會由中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所的主會場和北京大學(xué)自然地理分會場、北京師范大學(xué)人文經(jīng)濟(jì)地理分會場、首都師范大學(xué)地圖遙感與GIS分會場組成,中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所研究生會主席張琴琴、北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院研究生會主席李丞、北京師范大學(xué)地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院研究生會主席萬為和首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院研究生會主席劉佳娣擔(dān)任大會執(zhí)行主席。