精密机床液体静压导轨直线度误差检测与分析.pdf

第 1 期 总第 1 9 4期 2 0 1 6年 2月 机 械 工 程 与自 动 化 MECHANI CAL ENGI NEERI NG AUT MATI ON NO．1 Fe b ． 文 章 编 号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 6 0 1 01 5 0 0 3 精密机床液体静压导轨直线度误差检测与分析鼍 朱 涛，喻里程 ，刘 浩，潘 卓，李明泽 ，王 哲 广东工业大学 机 电_T - 程学院，广 东 广 州 5 1 0 0 0 6 摘要 采用 R e n i s h a wX L - 8 0激光干涉仪检测液体静压 导轨运 动 的直 线度 误差 ，对直 线度误 差和 干涉测量 的 原理进行 了探讨。并在 不同环境 下进行直 线度误差测量 ，根据测量结果做 出了直线运动偏差特性 曲线。对测 得 的多组数据进行分析 ，消除 了系统误差，进 行 了正态性检验 ，剔 除了粗大误差 ，得 出 了基于 t 分布 的表达 方式并进行 了￡ 检验 。检验结果表明 ，导轨直线度误差约为 2 ． 7 9 1 m／ 3 6 0 mm，且在振 动小 、噪声小 、光 照 弱、安静 的环境下直线度误差较小，测得 的数据较准确 。 关键 词 干涉测量 ；静压导轨；直线度 ；正态性检验 ；t 分布 中图分类号 T H1 6 1 ． 5 文献标识码 A 0 弓 I 言 精密加 工技 术在 现代 国防工 业和 民用工 业 中 占有 重要地位 ， 世界各强国都高度重视超精密领域的研究 并取得 了大量成果。实现精密加工的首要基础条件是 精密机床， 而决定精密机床性能的关键是导轨部件l 】 ] ， 它直接影响着机床各运动部件之间的相对运动精度和 相对 位置 精度 L 2 ] 。液体 静 压 导 轨 由 于具 有 高精 度 、 高 刚度 、 减震 、 吸振效果好 、 低磨损 、 承载能力强、 长寿命 等诸多技术优势 ， 被广泛用于精密机床领域口 ] 。液体 静 压导 轨运动 的直线 度误 差是 机床 的一项 基础 几何 误 差 ， 直线 度 误差 会直 接 反映 到工 件 上， 影 响加 工 精 度【 4 ] 。因此， 导轨直线度误差是精密机床严格控制的 基本 几何 误差 量 J 。 直 线度误 差 的测量 方法有 光学 测量 法和 接触式 扫 描法等 ] ， 后者 由于对基准面要求较高， 且安装、 测量 复杂， 应用较少。在 I S O标准中激光干涉仪是唯一公 认 的 ， 也是 目前最 常用 的进 行 数控 机 床 精 度检 定 的仪 器 ] 。直线度 误差 评 定 方 法 主要 有 两 端 点 连线 法 、 最 小二乘法和最小包容区域法_ 8 ] 。本文针对精密机床 液体静压导轨， 探讨直线度误差评定 的算法和激光干 涉仪 检测 原理 ， 采用 Re n i s h a w XL - 8 0激 光 干涉 仪 对 导 轨直 线度误 差进 行检 测 ， 并 对检 测数 据进行 了分 析 ， 得 出 了导轨 的直 线度误 差 ， 并 针 对 不 同 环境 对 测 量 结果 的影响做出了总结。 1 直线 度误 差 的评定 与相关原 理 直 线度误 差是 被测 实 际直线对 其理想 直线 的变 动 量 ， 理想 直 线 的 位 置应 符 合 最 小 条 件[ 1 o 3 。 目前 ， 平 面 内直线 度误 差评 定 的常 用方 法 有 两 端 点 连线 法 、 最 小 二乘法和最小包容区域法。两端点 连线 法评 定误差 大， 在精密测量中不能采用 。本文主要介绍最小二乘 法和 最小包 容 区域法 。 1 ． 1 最 小二 乘法 如 图 1 所 示 ， 最 小二 乘 中线 L 是 一条穿 过实 际被 测直线 S的理想直线， 它所处的位置使实际被测直线 上 的各点 至它 的距 离 的平 方 和 最 小 。 以理 想 直 线 L 作 为评定 基准 ， 取 各 点 中相 对 于 它 偏 离 的 最 大值 h ⋯ 与最小值 h i 之差 九 作为直线度误差值 。在理想直 线 L 上面的测点的值取正值 ， 下面的值取负值 ， 即直 线 度误差 一 --h i 。 图 l最 小 二 乘 法 原 理 圈 1 ． 2 最 小 包容 区域 法 最小 包容 区域法 是用二 平行 直线 紧 紧地 包容 实 际 直线 ， 达到 最小 的宽度 ， 如 图 2所 示 。两条 最小包 容直 线必须满足最小包容原则 二平行直线 与实际线呈高 低相间接触状态， 即“ 高一低一高” 或“ 低一高一低” 的 { I} 广东省微纳加工技术与装备重点实验 室项 目 2 0 1 1 A0 6 0 9 0 1 0 2 1 ；广东省 引进创新科研团队计划资助项 目 2 0 I o 0 1 GO 1 0 4 7 8 1 2 0 2 收稿 日期 2 0 1 5 0 4 0 2 ；修订 日期 2 0 1 5 1 2 0 7 作者简介 朱涛 1 9 8 8 ，男 ，湖北宜昌人，在读硕士研究生 ，研究方向 超精 密机床设计与检测。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 6年第 1 期 朱涛， 等 精 密机床 液体静压 导轨 直线度误 差检 测与分析 1 5 l 形式 ⋯] 。构 成最 小 区域 的两 平 行 直 线 L 、 L 间 的距 离作为直线度误差 的评定值 ， 即 f ⋯ 。 图 2最 小 包 容 区域 法 原 理 图 2激 光 干涉 仪测 量相 关 原理 激光干涉仪是通过激光波长溯源的原理来实现数 控 机 床几 何精 度 的检 测 ， 目前 已成 为 生 产 实 际 中直 线 度 精 度检 测 的一 项重 要工 具 。 图 3为导 轨 直 线 度误 差 检 测 仪 。如 图 3所 示 ， 从 激光头射出的光束穿过干涉镜 ， 被分成两束光 ， 以小角 度发散后直接射 向反射镜 。光束从反射镜 中反射， 沿 着新光路返回直线度干涉镜 ， 两束光在直线度干涉镜 中会合成一束光返回激光头的入射端 口。干涉镜固定 在 被 测导 轨上 ， 随导轨 运 动 ， 反射镜 静 止不 动 。通过 检 测 光 路 中干 涉镜 和 反射 镜 之 间相 对 纵 1 句位 移 的变 化 ， 间接 检测 导 轨运 动 时 的上 下 波 动 量 ， 从 而 进 行 直 线 度 误 差 测量 。 图 3导 轨 互 线 度 误 差 检 测 仪 3实验 数据 采 集 按 图 3 所 示 进行 光 路 的安 装 ， 对 本 文 涉 及 的行 程 为 3 6 0 ml T l 的液 体静 压 导轨 分别 在不 同环 境 下进 行 测 量并 采 集数 据 ， 每 种 环境 测 量 1 O组 数 据 ， 统 计 结 果 如 表 1 所 示 。 选 取 安静 环境 、 一 般 环境 、 噪声 较 大 、 振 动较 大不 z 蚕 磊 图 4导轨直线运 动偏 差特性 曲线 蕾 l 卜 略 蛊 捌 踩 同环 境下具 有 代表 性 的数 据 ， 做 出导 轨 直 线 运 动偏 差 的特性曲线 图， 如图 4所示。 表 1 数 据 采 集统 计 表 测量环境 直线度误差 m 2 ． 5 2 ， 2 ． 4 3 ， 1 ． 9 1 ， 1 ． 5 1 ， 2 ． 1 5 ， 安静 、光线 暗环境 2 ．4 9， 2 ．1 5， 2 ． 0 4， 2 ． 3 7， 2 ． 3 5 一 般环境 2 ． 7 8 ， 2 ． 7 7 ， 2 ． 5 6 ， 2 ． 5 2 ， 2 ． 5 9 ， 2 ． 6 5， 2 ． 7 6， 2 ． 5 7， 2 ． 5 6， 2 ． 48 2 ． 9 7 ， 3 ． 0 8 ， 3 ． 0 0 ， 3 ． 1 1 ， 2 ． 7 8 ， 噪声较大环境 3 ． 0 6， 2 ． 9 0， 3 ． 0 6， 2 ． 8 8， 2 ． 7 9 3 ． 0 2 ， 3 ． 0 6 ， 3 ． 1 6 ， 3 ． 1 8 ， 4 ． 1 0 ， 振动较大环境 4 ．1 4， 3 ． 9 2， 2 ． 9 4， 3 ． 1 8， 3 ． 1 3 4实验数 据分 析 4 ． 1测 量 数 据 处 理 由误差 相关 理 论 可知 ， 每 次测 量 都 存 在 一个 误 差 值 。只有 经过 多次 重 复测 量 ， 然 后 对 这 些 数 据进 行 处 理和概率统计分析之后 ， 才能得 到测量结果 比较合理 的表 达方式 。 本实验测量数据分布情况复杂 ， 首先经过消除系 统误 差 、 正 态性 检验 和剔 除粗 大误 差三 项处 理 ， 具 体 步 骤如 下 1 消 除系统 误 差 R e n i s h a w 激 光 干涉 仪 测 量精 度 很 高 ， 短距 离 直 线 度误 差 的测 量 可达 到 0 ． 0 0 1 p ． m／ r n ， 而本次实验对象液体静压导轨的直线度误差技术 指标 为 2 m／ 3 6 0 mm～3 m／ 3 6 0 mm， 二者 相差 3个 数量 级 ， 故 系统 误差 可忽 略不 计 。 2 正态 性 检验 误 差 分 析 中 的 大 多数 公 式 是 建 立在 正态 分布 的基 础 上 的。首 先 消 除 系 统误 差 ， 然 后 检 验数 据是 否 服从正 态分 布 。 本实验利用 S P S S分析软件 ， 采用 P P图法 ， 包 括 两 种 P ～P图 正态 P P图 和正态趋 势 P P图 累 计 概 率残差 图 。检 验实 验数 据是 否服从 正 态分 布 ， 分 析 结 果如 图 5所示 ， 累 积 概 率表 示 不 确 定 分 析 中某 一 区间内所有可能取值 的概率之和 ， 正态 的偏差表示每 一 个所 测得 直 线度误 差值 与均 值 的差 。 如 果实 验数 据服从 正 态分 布 ， 则 正 态 PP图 中 ， 样本点应呈一条围绕第一象限对角线的直线 。正态趋 势 PP中 ， 残差 散 点基本 在 y一0上下 均 匀分 布 。 由 图 5可 知 ， 实验数 据服 从 正态分 布 。 目 0． 1 0 j ll li 0 ． O 5 堡 蔫 。 一 O． O5 一 O． 1 O o o oo o o o o o o O o a 。 。o 口 o 。 o o ． 。。 。 o o 。。。 观测 的累积 概率 观测 的累积概率 a 正态P _ P 图 b 正态趋势 p - p 图 图 5 直线度误差 的正 态检 验图 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 5 2 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 1 6年 第 1 期 3 剔 除粗 大 误 差 粗 大 误 差是 由于 测 量 人 员 的 疏忽或测量环境条件的突然变化引起 的， 其数值远远 超出随机误差或系统误差 。根据测量条件及数据综合 分 析 ， 测 量结 果大 于 4 b t m／ 3 6 0 mi l l 的数 据 误 差 较 大 ， 应 该剔 除 。 4 ． 2测量 结果 的表 达 方式 本实 验采 用基 于 t 分布 的表 达方 式 。 由于测量 值 服从正态分 布 N u ，2 ， 则 测量样本 X i 一1 ， 2 ， 3 ， ⋯ ， 的基于 t 分 布 的测量结 果 的表达式 为 XO t B ． 其 中 3 2 。 为 直 线度 误 差 表 达结 果 ； 为所 测 直 线 度误 差均值； 为均值 的标准差的无偏估计值 ； t 为置 信度概率为 、 自由度为 口 一 一1 的 t 分布值 ， 通常 取 值 0 ． 9 5 。 对 本实 验 的有 效数 据利用 S P S S软件 进行 t 检验 。 检 验结 果如 表 2 所 示 。 表 2 t 检验结果 均值的 9 5 置信区间 m 数据组数 均值 “ m 标准差 标准差 下 限 上限 4 0 2 ． 7 91 0 ． 5 2 6 0 ． 08 3 2 ． 6 2 2 2 ． 9 5 9 5 结论 通 过采 用 Re n i s h a wX L 一 8 O激 光 干 涉 仪 对 本 文 涉 及的精密机床液体静压导轨直线度误差进行检测及对 数 据 进 行 分 析 ， 得 出该 静 压 导 轨 直 线 度 误 差 均 值 为 2 ． 7 9 1／ m／ 3 6 0 mm， 在所测 的大量 数据 中， 当置信度 概率为 0 ． 9 5时， 液体静压导轨竖直方 向直 线度误差 为 2 ． 6 2 2 u r n ／ 3 6 0 mm～2 ． 9 5 9 u rn／ 3 6 0 mm。 通过 比较不 同环 境 下 的 测量 数 据 ， 可 以得 出在 进 行直 线度误 差测 量时 ， 为减 小导 轨运 动的直 线度 误差 ， 或是为使测得数据更接近实际值 ， 应采取以下措施 ① 应使 实验 台远 离振 动源 ， 同时实 验 台应有 隔振措 施 ； ② 应尽量保证实验环境的安静， 使实验台远离噪声源， 同 时实验人员不宜大声喧哗 ； ③应尽量减少实验人员 ， 且 实验 人员 不宜在 数 据采 集 点 附 近走 动 ； ④ 应 尽 量 在 光 线较弱环境下采集数据。 参考文献 [ 1 ] 刘一磊． 超精 密机床液 体静 压导轨 静动 态特性 分析及模 态参数识别 E D 3 ． 哈尔滨 哈尔滨工业大学 ， 2 0 1 0 1 - 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z e，W ANG Zh e S c ho o l o f El e c t r o me c h a n i c a l En g i n e e r i n g，Gu a n g d o n g Univ e r s i t y o f Te c h n o l o g y，Gu a n g z h o u 51 0 0 0 6，Ch i n a Ab s t r a c t Th i s pa p er us e s t he l as e r i nt e r f e r o me t e r Re ni s h awXI 一 8 O t o d e t e c t t h e s t r a i g ht ne s s e r r or whe n t h e hy dr o s t a t i c gu i de wa y mo v e s l i n e a r l y ，a n d d i s c u s s e s t h e p r i n c i p l e o f s t r a i g h t n e s s e r r o r a n d i n t e r f e r o me t r y ． Th e s t r a i g h t n e s s e r r o r s i n d i f f e r e n t wo r k i n g e nv i r o nme n t a r e me a s u r e d． Ba s e d on t h e c o l l e c t e d d a t a，t he de vi a t i on c ha r a c t e r i s t i c c ur v e of l i n e a r mo t ion i s ma de ． The s ys t e ma t i c e r r o r i s e l i mi n a t e d a f t e r a n a l y z i n g t h e mu l t i p l e s e t s o f d a t a ．Th e n t h e n o r ma l i t y t e s t i s c a r r i e d o u t t O r e j e c t t h e g r o s s e r r o r ，a n d t h e e x p r e s s i o n b a s e d o n t d i s t r i b u t i o n i s o b t a i n e d ．Th e t e s t r e s u l t s s h o w t h e s t r a i g h t n e s s e r r o r o f t h e g u i d e wa y i s a b o u t 2 ．7 9 1／ , m／ 3 6 0 I n m ．An d t h e d a t a wi l l b e mo r e a c c u r a t e wh e n t h e y a r e me a s u r e d i n t h e s ma l l v i b r a t i o n， l i t t l e n o i s e ， we a k l i g h t a n d q u i e t e nv i r o nme nt ． Ke y wo r d s i n t e r f e r o me t r i c m e a s u r e me n t ；h y d r o s t a t i c g u i d e wa y；s t r a i g h t n e s s ；n o r ma l i t y t e s t ；t d i s t r i b u t i o n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m