超精密车床加工精度在线测量技术研究

　　机械加工的目标是追求加工精度、成本和效率的最佳组合，为了实现该目标，急需研究开发的关键技术之一就是加工精度在线测量技术，特别是在多品种小批量生产条件下，研究先进的在线测量技术意义尤其重大，因为在线测量是加工测量一体化技术的重要组成部分，是保证零件质量和提高生产率的重要手段。国外很早就已经认识到在线测量技术的重要性而进行了大量的研究，并且在生产实际中得到了大量的应用。

　　零件加工精度的在线测量分为两种情况，一是在加工过程中直接测量工件加工表面，加工过程一结束，就能得到所需要的精度指标[1],这是在线测量最理想的情况；二是加工过程结束后，工件仍然安装在机床上，用合理的测量仪器对工件进行测量[2]。在超精密加工中，热变形对加工精度的影响是不可忽视的，因此在加工过程中恒温油淋浇或切削液冷却是必须的，在有冷却液和工件转速高的情况下，测量精度达到0.01μm的传感器目前还没有，因此在超精密加工中，零件加工精度的检测主要是采用传统的离线测量方法，而离线测量的费用在很多情况下等于甚至超过零件的加工费用。

　　基于上述原因，本文对第二种情况进行研究，以实现零件的在线测量，其实质是把车床作为坐标测量机使用。由于研制的亚微米超精密车床运动部件的运动精度是很高的，甚至比很多测量仪器和测量机的运动精度还高，如果把机床和合适的测量仪器有机地接合起来，即可实现零件加工精度的在线测量，这样机床即可作加工用，又可作测量用，扩大了机床的应用范围，又解决了零件的测量问题[3]。现在机械加工质量保证的发展趋势是：通过用在线测量全部代替离线测量和统计质量控制使质量保证更靠近加工过程，保证零件从加工设备卸下就是合格品，当然这需要一个前提即在线测量的效率和精度必须得到保证，这样综合决策和必要的补偿就能在最小的时间延迟内得以实现。因此研究零件加工精度的在线测量技术具有重要的现实意义。

　　影响在线测量精度的误差源分析

　　在线测量的目的是检查加工零件的精度指标是否符合要求，如果符合要求，则卸下工件，否则进行必要的补偿加工，直到工件加工精度合格，我们知道要准确测量零件的加工精度，测量设备的精度必须比被测量零件的精度高一个量级即10倍原则，在超精密加工中，加工环境和在线测量环境相差不大，要想保证在线测量的精度，只能通过误差补偿来实现，也就是说通过误差补偿来在线测量不补偿加工的零件是能保证测量精度的（误差补偿能使零件的加工精度提高一个量级），通过误差补偿来测量补偿加工的零件则不能满足10倍原则，但是应用误差补偿后车床在线测量的精度已足够高，还是有意义的。

　　当然，车床作为坐标测量机使用，在线测量精度也受到测量传感器的精度及测量策略和数据处理策略的影响。在该车床（采用T型布局）设计制造过程中采用了许多先进技术以减少或消除热变形误差对车床运动精度的影响，如该车床采用空气静压主轴且选用白色密玉作为主轴和轴承的材料；车床溜板采用空气静压导轨；车床主轴箱、溜板、床身和导轨均选用花岗岩材料；加工的间温度控制在20±0.1℃等，因此影响测量精度的误差源主要是机床的几何误差，共有21项即每个运动部件的6个误差和3轴之间的三个相互位置误差。21项误差如下表所示。准确迅速地对误差源进行辨识是实现高精度在线测量的基础，考虑到测量过程和加工过程的运动方式很相似（刀具由传感器或测量探针代替，当然二者的误差补偿模型也是相似的），非误差敏感方向上的误差源对测量精度的影响可以忽略，即不单独考虑δ（x）、γ（x）、δY（z）、γ（z）、δY（Ф）和α（Ф）对测量精度的影响，再加上βXZ不影响测量精度（被αZФ和βXФ包含），在机床鉴定过程中，对主轴回转精度进行了测量，实测结果为主轴的径向跳动误差δX（Ф）和轴向窜动误差δZ（Ф）均<0.05μm,与溜板直线度误差（δZ（x）≤0.18μm/100mm,δX（z）≤0.20μm/100mm）相比较小，主轴偏摆误差β（Ф）也很小，因此在线测量零件加工精度时，不单独考虑主轴回转误差对测量精度的影响。当然要想高精度在线测量大尺寸零件（大尺寸平面镜），则主轴的回转误差（如β（Ф））必须考虑。

　　误差源辨识及建模

　　该车床主要加工圆柱面、端面、锥面和球面等零件，在不考虑主轴回转误差的情况下，在线测量圆柱面母线的形状或圆柱度误差时只需要X向误差补偿；在线测量端面时需要Z向误差补偿；在线测量锥面和球面等曲面时需要同时进行Z向和X向误差补偿，这时误差补偿模型必须是二维的。当然用3个电容传感器也可以补偿主轴回转误差对测量精度的影响，误差补偿量的辨识通常有两种方法，一是首先离线辨识各项误差源，通过一定的合成法则（如齐次坐标变换）得到机床加工空间各点的误差补偿量；二是通过测量零件已加工表面得到误差补偿量，第一种方法费时且建模过程中的假设影响建模精度，第二种方法只能补偿测量具体零件，不能把补偿区域扩大到整个加工区，本文把两种情况结合起来辨识误差补偿量，既保证精度又节省时间。

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