*国家自然科学基金重大国际合作研究项目(项目编号:50420120134)收稿日期:2005年11月纳米三坐标测量机的精度设计*王 琦 陈晓怀 杨洪涛 金飞翔合肥工业大学摘 要:利用现代精度设计思想,根据纳米三坐标测量机的结构设计,分析了影响其精度的各项误差源,提出所需检定仪器的具体技术指标;根据给定的精度指标设计合理的精度分配方案,精度设计的结果满足纳米三坐标测量机的测量精度要求。
关键词:纳米三坐标测量机, 精度设计, 误差源分析Accuracy Design of Nano C MMWang Qi Chen Xiaohuai Yang Hongtao et alAbstract:The error sources affecting precision of the Nano C MM are analyzed,and the needed nanometer level calibrating instruments technical index are put forward by usi ng advanced accuracy design philosophy and the structure design of Nano C MM. The reasonable error distributing design are done according to the given accuracy target and the result of accuracy design can meet the required measur i ng accuracy of the Nano C MM.Keywords:Nano C MM, accuracy design, analysi s of error sour ce1 纳米三坐标测量机的工作原理和结构三坐标测量机具有很大的通用性与柔性,从原理上讲它能测量任何工件的任何几何元素的任何参数[1],尤其适用于测量箱体类零件的孔距、面距以及模具、精密铸件、汽车外壳、发动机零件、凸轮和飞机型体等带有空间曲面的复杂工件。
本文研究的是用于纳米级测量的三坐标测量机(见图1、图2),这种三坐标测量机以正交坐标系为基础,由机台、工作平台、精密滑动导轨、压电陶瓷线性马达和一维平面光栅尺、Z轴和测头组成,可实现微纳米三维内外尺寸及表面形貌测量。
在考虑机械结构热平衡、力平衡和有限元优化的基础上进行机台设计,可使机台变形引起的测量误差达到最小。
由工作平台、压电陶瓷马达、精密导轨和纳米级测量精度一维平面光栅组成纳米级二维定位平台,为解决传统的两维纳米定位平台因单边驱动另一边感测导致的阿贝误差问题,XY工作平台采用了共平面运动、力平衡和热平衡设计理念。
一维平面光栅安装在工作平台两侧,被测物体安放在定位平台上,压电陶瓷线性马达驱动工作平台带动被测物体进行水平面内X、Y方向移动,移动距离由一维平面光栅测得;Z轴测头为非接触式激光测头,Z向移动距离由激光读取,从而获得被测点三维坐标值。
整台测量机放置在控温精度为0 1 的恒温箱内,工作平台、精密滑动导轨和Z轴由低热膨胀系数材料铟钢制作,机台桥架、台面为花岗岩制作。
该机测量范围:20mm 20m m 10mm;单轴测量精度[2]:X、Y轴为30nm,Z轴为10nm。
图1 三坐标测量机结构图图2 共平面XY平台结构图2 影响纳米三坐标测量机精度的误差源分析三坐标测量机的测量精度取决于光栅系统误差、阿贝误差、导轨线值误差、导轨垂直度误差、热变712006年第40卷 7形误差、测头瞄准误差、动态误差、软件误差等因素的综合作用[3],必须全面分析这些误差来源。
(1)光栅系统误差 1共平面XY定位平台由平面光栅和压电陶瓷马达组成闭环定位系统进行精确定位,故光栅示值误差成为测量机定位误差的主要来源。
由于光栅测量是以实物作测量基准,虽然采取了许多措施,但在加工、装配、调整、信号处理等众多环节中仍有许多误差因素不可避免。
如光栅基体和刻线材料本身光学性质的不均匀性、导轨直线性误差引起的光栅副间隙改变、环境条件变化等使得实际的莫尔条纹信号相对于理想信号有偏离且在全量程上是变化的,很难保证正、余弦信号的等幅、等高、正交及全程稳定,导致系统细分误差很大,难以满足纳米级测量的需要[4]。
(2)阿贝误差 2X Y定位平台考虑了共平面运动、机械结构力平衡、热平衡等精度设计理论,但因采用一维平面光栅,且光栅安装在工作平台侧面,在水平和垂直方向均存在违阿贝距离和阿贝误差。
(3)测头系统误差 3测头瞄准误差引起的不确定度由测头瞄准的重复性误差和稳定性误差决定,在各个方向均匀分布,故三个方向的测头瞄准误差相等。
(4)温度误差 4此三坐标测量机精度较高,温度误差是一个不能忽视且对精度影响较大的误差源,主要由光栅尺和被测件膨胀系数不一致引起。
(5)其它误差 5影响三坐标测量机精度的误差还有软件误差、动态测量误差以及其它未考虑误差。
3 纳米三坐标测量机的精度设计3 1 等作用原则的精度初步设计依据上述分析结果,按照系统结构尺寸和系统单轴测量精度的要求,结合现有高精度误差修正方法和仪器,对三坐标测量机进行合理的精度设计。
由于X、Y方向的测量范围、结构形式、误差来源和精度要求相同,故两个方向的精度设计方法相同。
按照等作用原则和测量系统单轴测量精度30nm的要求,利用方和根法求得每个误差源的测量误差1= 2= 3= 4= 5=9005=13 4nm(1) Z轴采用非接触式激光测头,Z方向没有光栅系统误差以及因光栅尺和被测件膨胀系数不一致引起的温度误差。
但Z轴有因X、Y导轨俯仰角引起的两个误差分量。
按照等作用原则和测量系统单轴测量精度10nm的要求,利用方和根法求得每个误差源的测量误差21= 22= 3= 5=1004=5nm(2)因按等作用原则分配精度可能会出现不合理的情况,必须对测量误差重新分配与调整。
3 2 X,Y方向精度设计(1)光栅系统误差主要是光栅示值误差,可利用高精度双频激光干涉仪标定光栅误差,误差源是激光干涉仪的测量误差和测量重复性误差。
双频激光干涉仪测量误差为5nm,重复性为5nm,故光栅系统误差为1(X)= 1(Y)=52+52=7nm(3)(2)阿贝误差主要取决于导轨的俯仰角误差和测量点到平面光栅的距离。
X轴测量线至X轴光栅刻划中心线距离为35mm,工作台表面至X轴光栅刻划中心线的垂直距离为10mm。
分离导轨俯仰角的光电自准直仪的精度为0 1 ,重复性为0 1 ,故阿贝误差为 2(X)= 2(Y)=2 [(0 1 4 8 10)2+(0 1 4 8 35)2]=24 7nm(4)取 2(X)= 2(Y)=25nm。
(3)测头系统误差主要取决于测头瞄准的重复性误差,根据实际要求测头瞄准的重复性误差为4nm,稳定性误差为4nm,故测头系统误差为3(X)= 3(Y)=42+42=5 7nm(5)取 3(X)= 3(Y)=6nm。
(4)温度误差温度误差分布较复杂,难于修正,只能选择合适的测量机材料和导轨结构尺寸,控制温度偏差来控制,根据实际要求温控箱的温度偏差为0 1 ;被测件与光栅尺的膨胀系数差不超过4 10-6/ ,温度测量误差不超过0 02 ,温度测量分辨率0 01 ,故温度误差为4(X)= 4(Y)=(0 1 4 20)2+(0 02 4 20)2=8 2nm(6)取 4(X)= 4(Y)=9nm。
(5)其它误差这部分误差一般难以修正,且有些是未知误差源,故分配一个总体精度72工具技术4(X)= 4(Y)=5nm根据上述精度设计结果,X 、Y 方向的测量误差为(X )= (Y)=72+252+72+92+52=28 8nm<30nm(7)3 3 Z 方向精度设计Z 方向精度设计与X 、Y 方向类似。
新增了X 、Y 导轨俯仰角引起的两个误差分量,可用光电自准直仪分离,但要求其测量精度不低于0 05 ,重复性不超过0 05 ,不确定度分量为21= 22=(0 05 4 8 10)2+(0 05 4 8 10)2=3 4n m(8)取 =4nm, 3(Z )=6nm, 4(Z )=5nm,根据上述精度设计结果,Z 方向误差为(Z )=62+42+42+52=9 6nm<10nm(9)三个方向精度分配方案均满足精度指标要求。
4 结论根据Nano C MM 的工作原理与实际结构,从理论上全面地分析了误差来源,并对测量机进行合理的精度设计,提出所需标定仪器的精度要求。
该精度设计方案切实可行,满足测量系统精度的要求,为指导测量机的结构和精度设计、进行误差修正实现Nano C MM 的测量精度要求提供了扎实的理论基础。
该结论也可用于具有类似结构的精密机械空间测量精度分析与修正。
参考文献1 张国雄.三坐标测量机.天津大学出版社,1999,5232 费业泰.误差理论与数据处理.机械工业出版社,2000,82-833 钟振周,叶赐周,梁瑞方.精密机械空间误差量测与补偿.台北:全华科技图书股份有限公司,20044 余文新,邹自强,胡小唐.光栅纳米测量中的实时动态误差修正方法研究.仪器仪表学报,2001(6):63~64第一作者:王琦,硕士研究生,合肥工业大学仪器科学与光电工程学院,230009合肥市*安徽省教育厅自然科学基金资助项目(项目编号:2005kj037)收稿日期:2005年10月基于Lab VIEW 的数控轧辊车床车刀检测系统陶兆胜1杨文果21安徽工业大学 2安徽马钢第二轧钢总厂摘 要:讨论了车刀材料、几何参数和切削用量对车削过程切削力的影响;开发了基于Lab VIEW 的数控轧辊车床车刀实时检测系统;提出了利用该系统检测数据改进刀具设计与切削工艺的实例。
关键词:数控轧辊车床, 车刀, Lab VIE WTesting System of Lathe Tool of C NC Roller Lathe Based on Lab VIEWTao Zhaosheng Yang WenguoAbstract:The influences of the material and geometric parameters of the lathe tool and the cutting parameters on the cutting force in turning are discussed.The testi ng system of lathe tool of CNC roller lathe based on Lab VIE W is designed and the example that the tool design and the turning process are improved with the testing data of the system is presented.Keywords:CNC roller lathe, lathe too, Lab VIEW1 引言在数控轧辊车床加工轧辊工件的过程中,刀具的磨损非常严重。