综合误差修正方法在热变形测量装置中的应用

    现代超精加工和高精度测试已进入纳米级精度时代,一些常见的影响精度的因素如加工中刀具的磨损、测试仪器的非线性等,对精度的影响大大减少了,而由温度变化引起的精密机械及仪器仪表性能变化与测量误差却无法消除。热变形误差对生产和科研的影响越来越大,已成进一步提高加工和测试精度的主要障碍之一。相关资料表明,在常用的仪器总误差中,由温度变化带来的热变形误差占总误差的40%,而在精密加工中,热变形误差已占到总误差的50%~70%,而且随着精度的提高,其所占的比例也在增大[1-4],因此测出仪器及其零部件的热变形误差就显得很有必要。

    2 热变形测量装置

    2.1 装置组成

    实验室研制的测量形体热变形的测量装置是典型的集机、电、光、计算机于一体的测量仪器[5-7]。其结构如图1所示。

    其中,温度控制系统(由18组成)用于给被测试件提供稳定的温度场,并能显示被测试件的温度;温度测量系统(由11组成)用来准确测量被测试件的瞬时温度;瞄准定位系统(由8组成)是为微变形运动系统提供准确的定位;微位移测量系统(由1~7组成)用于测量被测试件温度变化前后几何尺寸的变化量;支承与调整系统(由9~17组成)用于支承被测试件,为了扩大实验对象范围,在原有温度箱内的三维直线运动的工作台上设计了旋转工作台(14),使试件在温度箱内同时实现转动和移动的四维运动[7]。测量时,将被测试件置于恒温箱内,由瞄准定位系统带动微变形系统,测出被测量变化值。

    2.2 误差源分析

    测量热变形的目的是为了反映温度变化对被测形体几何尺寸的影响,然而装置的每个环节都影响着测量结果。其中主要的误差源有:

    1)恒稳箱内温度场的不均匀性(可通过在试件上加装高精度温度传感器来减少其影响);

    2)测杆和内工作台的受温变形(其中测杆一部分在恒温箱外,一部分在恒温箱内;内工作台材料、台面位置不同,温度影响也不同);

    3)工作导轨的直线度误差(其影响着测杆的运动情况);

    4)双频激光干涉仪的测量误差(受环境条件影响比较明显);

    5)电感测微仪的定位误差(定位精度受安装精度、量程、环境的影响);

    6)试件安装误差(包括被测件不同、安装位置不同以及由此产生测量线与运动线不重合带来的阿贝误差等)。

    其中大部分属于系统误差,但把每项系统误差都分离出来是很困难的,而且被测件不同,各环节带来的误差量值也不同。因此要使测得的热变形数据可靠和准确,必须在测量结果中去掉各误差因素的影响,仅保留温度变化的影响,即采用下面叙述的综合误差修正方法。