機(jī)床工具線性測(cè)量的誤差分析

戈 娟，井溢濤

（1.齊魯工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250353；2.濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所有限公司，山東 濟(jì)南 250306）

機(jī)械加工工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)機(jī)床精度、穩(wěn)定性都提出了更為嚴(yán)格的要求，同時(shí)對(duì)機(jī)床附帶的工具、夾具、刀具也提出了更高要求，同時(shí)對(duì)與之配套的測(cè)量設(shè)備也提出了更為苛刻的要求。本論文僅從機(jī)床配件-刀具安裝、位置檢測(cè)過(guò)程中分析可能存在的誤差，對(duì)提高整臺(tái)機(jī)床的精度提供了技術(shù)支持。針對(duì)目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上出現(xiàn)的檢測(cè)設(shè)備基本上是基于計(jì)算機(jī)、CCD、光學(xué)影像于一體的測(cè)量設(shè)備，這種設(shè)備無(wú)論是在軟件上還是硬件上都存在相應(yīng)的誤差[1、2]。

為此，基于機(jī)床上的圓柱刀具精確對(duì)刀，借助某公司開發(fā)的機(jī)床工具測(cè)量?jī)x[3]進(jìn)行誤差分析，根據(jù)在實(shí)際使用的過(guò)程中存在著軟件及硬件相應(yīng)的誤差,主要是針對(duì)線性尺寸測(cè)量時(shí)產(chǎn)生的誤差進(jìn)行分析。以下是從十字光標(biāo)線、工件軸線的平行度、、及鏡頭放大倍數(shù)三個(gè)方面進(jìn)行誤差分析。

1 十字光標(biāo)線的誤差

該檢測(cè)設(shè)備的工作原理是基于光學(xué)成像系統(tǒng)，借助光學(xué)鏡頭、CCD在電腦上捕捉到被測(cè)刀具的影像，通過(guò)移動(dòng)十字光標(biāo)線的位置獲得測(cè)量結(jié)果。十字光標(biāo)線在電腦屏幕上也是有寬度的，依據(jù)光學(xué)鏡頭不同的放大不倍數(shù)測(cè)得的線寬也是不一樣的。在測(cè)量過(guò)程中，選取標(biāo)準(zhǔn)線寬為128。不同的放大倍數(shù)下，十字光標(biāo)線的線寬也是不同的。本次實(shí)驗(yàn)選取了三種放大倍數(shù)：40×、120×、200×。如表 1 所示。

表1 不同放大倍數(shù)下的線寬值

被測(cè)工件在制造過(guò)程中，測(cè)量精度要求在20um以內(nèi)，測(cè)量精度和選取的線寬有直接關(guān)系，故理論上線寬越窄誤差越小，然而線寬窄到一定程度，肉眼不易分辨，同樣會(huì)帶來(lái)較大的誤差。在盡量減小測(cè)量人員誤差的前提下，經(jīng)多次試驗(yàn)，選取標(biāo)準(zhǔn)線寬為128時(shí)，放大倍數(shù)為120倍時(shí)，進(jìn)行測(cè)量誤差是最小的。

2 被測(cè)工件軸線對(duì)測(cè)量精度的誤差

檢測(cè)過(guò)程中，選取一把普通圓柱刀具作為標(biāo)樣，工件圓柱表面V型塊、托架及鎖緊螺釘定位夾緊。如圖1所示，裝夾時(shí)因夾緊力位置、方向不同，導(dǎo)致工件軸線與水平線發(fā)生傾斜，傾斜角度為0.7°時(shí)，實(shí)際值為79.985mm，測(cè)量值為79.980mm，測(cè)量值比實(shí)際值小6μm。被測(cè)工件越長(zhǎng)，誤差值就越大。所以，測(cè)量中應(yīng)盡可能保證被測(cè)工件的軸線水平。

圖1 工件具受力夾緊變形圖

3 放大倍數(shù)對(duì)測(cè)量精度的誤差

在實(shí)際測(cè)量中，光學(xué)鏡頭的放大倍數(shù)對(duì)測(cè)量精度也有影響。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我們選擇3種放大倍數(shù)進(jìn)行6次測(cè)量（如表2所示），標(biāo)準(zhǔn)棒階梯長(zhǎng)為79.985mm。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖2所示。

表2 不同放大倍數(shù)下的測(cè)量值

圖2 不同放大倍數(shù)下的測(cè)量值

放大倍數(shù)為40×——圖2中線1所示（表3）

平均誤差為：Δ=79.9863-79.985=-0.0013

標(biāo)準(zhǔn)差為:Sn=0.00415

表3 放大倍數(shù)為40×的測(cè)量值

放大倍數(shù)為120×——圖中線2所示（表4）

依據(jù)上述公式，可計(jì)算出

平均誤差為Δ=79.9852-79.985=0.0002

表4 放大倍數(shù)為120X的測(cè)量值

標(biāo)準(zhǔn)差：Sn=0.002

放大倍數(shù)為200×——圖中線3所示（表5）

依據(jù)上述公式，可計(jì)算出

平均誤差為Δ=79.9815-79.985=-0.0035

標(biāo)準(zhǔn)差：Sn=0.0027

表5 放大倍數(shù)為200X的測(cè)量值

三種放大倍數(shù)下,實(shí)測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)值的偏差與方差如表6所示。

我們用平均值來(lái)反映的這三組數(shù)據(jù)的平均水準(zhǔn)，用標(biāo)準(zhǔn)差則是來(lái)反應(yīng)反映這三組數(shù)據(jù)的離散程度，方差越小這組數(shù)據(jù)越穩(wěn)定，圍繞平均值波動(dòng)的程度就越小。由上表可知，當(dāng)放大倍數(shù)為120倍時(shí)，平均值越接近實(shí)際值，偏差越小，結(jié)果也越穩(wěn)定。

4 結(jié)論

從三個(gè)方面分析了檢測(cè)裝置的誤差來(lái)源，簡(jiǎn)單定量分析了三種誤差的大小，最終選出了最優(yōu)組合，為測(cè)量人員在今后的測(cè)量過(guò)程中提供了一個(gè)測(cè)量依據(jù)，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)有著指導(dǎo)性的意義。

[1]陶志健.刃口鈍化參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中關(guān)鍵問(wèn)題的研究[D].大連：大連工業(yè)大學(xué)，2011.

[2]武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院測(cè)量平差學(xué)科組.誤差理論與測(cè)量平差基礎(chǔ)[M].第二版.武漢：武漢大學(xué)出版社，2003：12-50.

[3]陳應(yīng)州.基于圖像處理的幾何參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)[J].大連輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，22（4）：293-295.