一种基于圆度仪的平行度、平面度测量方法

　　平行度、平面度一般采用坐标测量机进行测量,但即使高精度测量机,其单轴测量不确定度U95一般也只能达到0.6μm左右,加上导轨直线度误差,最后,平行度、平面度的测量不确定度也只能达到1μm左右。对于高精度的平面度,我们可采用等厚干涉仪来测量,但平行度却缺少更高精度的测量方法,并且当须针对零件端面上的特定点位进行测量时,等厚干涉仪也无能为力。而在高精度圆度仪上,不需改动任何硬件和软件却可以解决以上问题。

　　1 基于圆度仪的平行度、平面度测量方法

　　以英国泰勒公司TR300圆度仪为例,其横臂导轨的直线度为0.5μm/100mm,测头最高分辨率为0.01μm。图1为TR300圆度仪对一圆形零件的端面进行平行度和平面度测量的示意图。TR300圆度仪对圆端面的测量是通过工作台主轴的旋转运动和测头的径向运动来实现。测量数据点位呈若干个同心圆分布(如图1中虚线所示)。

　　为了实现在圆度仪上的多圈采点测量,必须在工件端面径向移动测头,这就将圆度仪横臂导轨的直线度误差和相对于主轴的垂直度误差带入了平面度和平行度的测量中,因此这两项误差的大小直接影响到最终的测量结果。如图1所示,假设坐标Z轴与圆度仪主轴重合,MN为圆度仪横臂导轨,它与X轴之间存在一个很小的夹角,使得圆度仪在平行度和平面度测量中最外圈存在最大误差。因此,在数值上将导轨修正为与主轴垂直是测量前必不可少的一个步骤。

　　2 导轨直线度及进行倾斜修正的可能性实验

　　为验证圆度仪横臂轨的直线度及其相对于圆度仪主轴的垂直度,进行了以下实验。实验采用一块Φ100mm的1级平晶,其中间部分平度为0103Lm,在圆度仪上将其相对于主轴找平后(相对于主轴的垂直度小于0.1μm,相当于小于0.25''),从平晶边缘(位置为0mm)到其中心(位置为50mm)每隔5mm测量一点(直接从传感器上读数),共测量3次,每次测量11点。

　　测量结果如表1。计算得到全程50mm的直线度为0.15μm,其中包括横臂导轨的直线度以及平晶工作面的平面度。在25~50mm区间,直线度为0.06μm,而且3次测量的相邻位置间差值的重复性小于0.07μm。该实验验证了圆度仪横臂直线度情况以及进行倾斜修正的可能性,特别是在25~50mm这段行程中测量精度将达到最高。

　　3 测量方法

　　测量分为导轨修正和测量采点两个步骤。导轨修正也就是采用上节的实验方法,以上节数据为例,测量一个Φ50mm零件两端面的平行度和平面度。利用25~50mm这段导轨,其直线度为0.07μm已经很好,不需补偿。将25~50mm的区间的6个数据点采用最小二乘法计算,可得到导轨相对于转台上平晶的倾角(α=11.040)。根据这个角度可对导轨的倾斜误差进行修正,最大修正量约为1.34μm(25mmxtan11.04'')。可见如果不进行修正,是无法完成小于1μm的平行度、平面度测量的。