超精密直线度测量技术

    超精密加工技术的发展,与测量技术的进步是密切相关的。超精密加工技术对测量期望甚高。没有高精度测量手段,就不能评价超精密加工精度。例如溜板直线度是机床的一项基础几何误差。对于超精密机床来说,溜板直线度误差将直接复映到工件中,影响加工精度。测量出机床几何误差用于补偿加工,更是提高机床加工精度的一种有效措施。因此,准确有效的测量技术对超精密加工有极其重要的意义。

    1 测量传感器

    电感传感器是超精密测量中应用较广泛的位移传感器。它具有灵敏度高、分辨率高、精度高(0.1Lm)、线性好、性能稳定与重复性好的优点。我们自研的电感测微仪,就具有以上优点。在进行直线度测量中,电感传感器基本是静态测量,对传感器频响要求不高。综上述原因,电感传感器非常适合于最高精度为微米级甚至亚微米的直线度测量。       

    1. 1电感传感器工作原理

    自研的电感测微仪的测头是采用中原量仪厂的测头,它是一种差动螺管式结构,如图1所示。当铁芯移动时,线圈2的电感变化为:

    式中: W—线圈2的匝数

    线圈1的电感变化与线圈2的电感变化大小相等,方向相反。这样,线圈1与线圈2电感变化的差动输出是与位移成良好的线性关系。电感测微仪正是利用了电感测头的这一特性工作的。

    1. 2电感测微仪的信号调节电路

    在电感测微仪中,利用AD698芯片来处理电感测头的输入输出信号。AD698将所有的处理电路集成到一块芯片上,因此,能方便的将其与测头组合成电感测微仪。此外,它还具有温度稳定性好、兼容性好等特点。

    工作时, AD698片内的正弦波发生器产生一正弦波,如图2所示,其频率可从2020kHz任意可调,用这一正弦电压来激励电感测头,并把它作为AD698的放大模块B输入。当测头铁芯移动时,放大模块A的输入电压值将与位移线性变化。在AD698内部, A的输入与B的输入经比较、滤波、放大后输出,成为与位移值成正比的直流电压信号。

    利用AD698组成电感测微仪,结构简单,性能稳定、线性范围大且精度高。用于测量直线度的电感测微仪精度可达0. 1um,测量行程可达200um。所以,这种电感测微仪可以满足亚微米级的直线度测量。

    2 直线度测量方法

    2. 1空间域逐次两点法STP

    如图3所示,使用两个传感器来测量工件的直线度误差,它们的输出为ya,yb,工件直线度误差为S(n),平尺直线度误差为R(n),两个传感器之间距离为m#$L,工件长为L,m为整数。