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1、球桿儀測量誤差方法研究1100209028楊漪隨著科學技術(shù)的發(fā)展，測量技術(shù)和測量工具取得了長足的進步。從原始的目測、步測法到后來的米尺、游標卡尺、千分尺等直接測量法，再到應(yīng)變片、電流電壓感應(yīng)等間接測量法，電磁相干和相位測量，光柵測量到現(xiàn)在的激光測量。隨著現(xiàn)代測量技術(shù)的發(fā)展，機床的檢測技術(shù)也得到了很大的提高，比如激光測量儀和測量回轉(zhuǎn)運動誤差的高精度標準分度轉(zhuǎn)臺和多面體等，近年來又出現(xiàn)了高精度球桿儀和平面光柵，其優(yōu)點是既可測回轉(zhuǎn)運動誤差、短距離的直線運動誤差，更可測具有復雜軌跡的平面運動誤差。雙球軌
2、法（DBB-Doubleballbar）是ISO230-4中所推薦的一種方法。1982年，J.B.Bryan在美國LawrenceLivermore國家實驗室，首先開發(fā)出了用于快速檢測數(shù)控數(shù)控機床運動誤差的球桿儀。如圖1所示，球桿儀是由一根軸向可伸縮的桿和兩個安裝在磁性球座上的高精度的金屬球（球度誤差小于0.05μm）組成。兩個高精度球通過內(nèi)裝強力磁鐵的磁性球座分別與工作臺和主軸端部相聯(lián)。高精度球與磁性球座之間是三點接觸，保證靈活轉(zhuǎn)動?？缮炜s桿上安裝著可記錄伸長量的位移測量裝置用于精確測量沿連桿
3、方向的長度變化。當與主軸相聯(lián)的球以與工作臺相聯(lián)的高精度球為回轉(zhuǎn)中心，跟著數(shù)控機床做作插補運動時，連桿方向的長度變化量就被精確地記錄下來。圖1 球桿儀結(jié)構(gòu)示意圖Figure1Structureoftheballbar球桿儀從它的連桿長度變化范圍可分為：微位移球桿儀和伸縮式球桿儀。微位移球桿儀一般是利用線性位移傳感器（LVDT）檢測位移變化量的，連桿長度變化范圍比較小，一般應(yīng)用于測量數(shù)控機床作圓弧插補運動時的半徑變化量。而伸縮式球桿儀一般采用激光干涉儀來記錄沿連桿方向的長度變化，因而其連桿長度變化范
4、圍要比微位移球桿儀大得多。比較典型的微位移球桿儀有：雷尼紹公司生產(chǎn)的串行球桿儀系統(tǒng)，其測量范圍為±1μm；PC卡球桿儀系統(tǒng)，其測量范圍為±2.5μm。激光球桿儀是一種典型的伸縮式球桿儀，其最初是由美國佛羅里達大學的Zigert和Mize發(fā)明的，其連桿長度可在275mm到660mm范圍內(nèi)變化。球桿儀既可檢測機床的幾何誤差，也可通過從冷態(tài)到熱態(tài)多次檢測進行熱誤差的檢測。本文主要討論機床熱誤差的微位移球桿儀檢測法。球桿儀檢測數(shù)據(jù)處理的過程如圖2所示。為了保證測量軌跡半徑的絕對長度，在利用球桿儀進行測量
5、前要利用校準器進行球桿儀長度（包括安裝的加長棒）的校準。在兩個金屬球之間距離的變化由線性位移傳感器LVDT讀出，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸入計算機進行處理，然后將相對于基圓的偏移量作為誤差進行誤差圖的繪制。在一般的情況下，旋轉(zhuǎn)角是通過計算機的采樣時間和機床作圓周插補運動時的圓周方向進給速度來進行計算得到的，而不是通過角度測量儀直接進行檢測。因為角度測量儀會使球桿儀的結(jié)構(gòu)變得復雜，并有可能造成在三維的鉸球座里金屬球的旋轉(zhuǎn)不便。連接到主軸上的球座一般是用卡盤和刀具夾持器進行固定的，在利用球桿儀進行檢測的過程中
6、，雖然并不要求主軸的中心和金屬球的中心完全一致，但必須保證在檢測時主軸不轉(zhuǎn)動，因為主軸的轉(zhuǎn)動將直接造成徑向的誤差。圖2 球桿儀的數(shù)據(jù)處理Figure2Dataprocessofballbar球桿儀作為一種高精密的測量儀器。影響其檢測精度的系統(tǒng)因素如下：1.金屬球的球度和球座的圓度。球桿儀兩端的金屬球一般是由軸承鋼制成的，直徑一般為25.4mm。這兩個金屬球的精度非常高，球度誤差小于0.05μm。球座的圓度誤差要求小于0.1μm。2.線性位移傳感器的測量精度。雷尼紹（Renishaw）公司生產(chǎn)的球
7、桿儀，有串行球桿儀和PC卡球桿儀兩種規(guī)格，其位移傳感器的分辨率皆為0.1μm。連桿是用受熱時線膨脹系數(shù)很小的鋼制成的，因此在環(huán)境溫度變化時，沿連桿方向的長度變化幾乎可以不計。對于激光球桿儀，位移傳感器采用光柵，從而提高了檢測精度。3.金屬球在球座中的旋轉(zhuǎn)精度。4.球座和金屬球之間的磁性引力。5.由于儀器部件重量而引起的檢測誤差。當球桿儀在豎直平面內(nèi)進行檢測時，儀器部件本身的重力對檢測精度造成一定的影響。當主軸一端的金屬球在與工作臺相連的金屬球的上方時，儀器部件的重力產(chǎn)生壓應(yīng)力，使連桿方向長度縮短
8、；反之儀器部件產(chǎn)生的拉應(yīng)力使連桿方向長度伸長，從而影響檢測的精度。下面我們討論如何利用球桿儀進行數(shù)控機床的熱誤差檢測。球桿儀的安裝位置如圖3（a）所示，它的一端固連在工作臺面上，另一端與主軸端部相聯(lián)。當數(shù)控機床做插補運動時，與主軸相聯(lián)的一端相對于與工作臺相聯(lián)的一端作圓運動。Tocounter主軸R工作臺LVDTXYZLVDT(b)利用球桿儀進行檢測原理圖(b)Sketchmapofballbar(a)利用球桿儀進行檢測的安裝圖(a)Fixingoftheballbar圖3 利用球桿儀進行數(shù)控機床
