成形表面超精度在线测量仪的研制

　　1 引言

　　在线测量被普遍认为是一种改善加工精度和提高生产率的有效方法,它能减少静态下常规测量与动态下在线测量因定位位置不同而导致的测量误差,同时,它减少了拆卸和安装工件及重新调校、设定等辅助时间,但是,在线测量需要足够小的传感器,以防与加工发生干涉。本文研制了一种用于成形表面的新型小尺寸接触式测量仪,并对其性能进行了验证,结果表明测量精度高,可靠性好。

　　2 测量仪的基本原理及测量系统的组成

　　图1所示简要说明了这种新研制的测量仪的基本原理。一颗小球形宝石镶嵌在测量头一端的顶部,测量头杆部由气压滑动夹头夹住,测量头杆部的另一端面安装一反射镜,测量仪的尾部装有光纤激光干涉传感器。当测量时,测量头球形顶部接触被测表面,其位置变化使测量头杆部在气压滑道中移动,杆端的反射镜位置也发生变化,导致测量仪的光纤激光干涉传感器与反射镜的距离变化,从而可测量其位移的大小。通过调节电动气动调节阀来控制空气压力,可使其测量力从0到0.005N变化。

　　图2是该测量系统的组成原理。当测量成形表面时,测量头某一时刻的当前位置能够直接从三个座标(X、Y、Z)的指示盘上得到,其数据被送到计算机,同时,测量头的位置变化,通过传感器把位置偏差数据也传到计算机,从而对NC编程器发出命令,控制三座标的移动,以达到在线测量控制的目的。通过这种方法,不需停机,可对工件每一点进行实时在线测量,从而控制加工过程,其测量精度高、效率高。

　　3 测量误差的力学分析

　　在测量过程中,当测量杆倾斜及测量探头与测量表面的相对滑动都会引起测量误差,因此,在设计中应考虑测量头的机械结构使其测量误差在允许的范围内。图3给出了在测量时测量头的力学分析,假定测量头以一恒速v沿着与工件表面成一倾斜角φ的方向移动,测量头的球形半径为r,测量杆杆部受力Fx和Fy,测量杆头部受正压力N和磨擦力μN。由于测量杆倾斜造成的测量点位移为p,测量杆的倾斜角为θ,通过解测量头运动的方程可得由于平移和倾斜导致的测量误差δ如下:

　　上面等式中第一部分表示测量头平移产生的误差,第二部分则表示测量头倾斜产生的误差。当倾斜角φ相当大时,测量误差主要由平移产生。

　　为了保证测量误差δ<0.1μm,当最大倾斜角φmax=60b,磨擦系数μ=0.3,气压夹头在径向方向的刚度kx=0.15N/μm时,其测量力Fy可计算如下:

　　本设计中α=28.2mm/8.5mm=3.32,β=49.5mm/8.5mm=5.82,ζ=14.3mm/8.5mm=1.68。实际测量中,测量力通过气压滑动夹头能够控制在0~0.005N变化,因此,在上述条件下能够确保测量误差δ<0.1μm。