现代超精密测量技术专题1.ppt

1 第六章精密与超精密测量技术第七章基于SPM的纳米加工技术 2 第六章现代超精密测量技术 6 1超精密测量技术概念 内容 发展与现状6 2超精密加工尺寸的检测技术6 3加工表面质量参数的超精密测量技术6 4纳米测量技术 三次课六学时 3 本章学习目的 了解现代超精密测量技术与仪器的发展动态 掌握典型超精密测量方法 了解超精密测量仪器原理及其使用 了解几何量的计量评价规范和国家标准 树立超精密测量的观念 4 1超精密测量的概念 定义2研究超精密测量的目的3超精密测量技术与仪器的发展动态4超精密测量的内容 范围 对象5超精密测量的方法 原理 原则6超精密测量的仪器手段7超精密测量的国际标准问题 第六章现代超精密测量技术6 1超精密测量技术概述 6 2超精密加工尺寸的检测技术6 3加工表面质量参数的超精密测量技术6 4纳米测量技术 5 第六章现代超精密测量技术6 1超精密测量技术概述 精度为5 0 5 m 粗糙度为0 5 0 05 m的叫精密加工 精度为0 5 0 05 m 粗糙度为0 05 0 005 m的叫超精密加工 或亚微米加工 精度为0 05 m 50纳米 粗糙度优于0 005 m以上的则称为纳米 nm 加工 分类 目前应用最为广泛的超精密加工工艺有超精密车削 超精密磨削 超精密研抛等 精密 超精密加工技术是提高机械产品 电子产品 光学产品性能 提高工作寿命和可靠性的重要途径 6 第六章现代超精密测量技术6 1超精密测量技术概述 7 图1 2美ABL 机载反导弹激光武器 波音747 400F2m直径主镜 大型光学非球镜 鹦鹉螺 号战术激光武器0 7m主镜系统 图1 1美国为天基准备4m轻质拼接反射镜 第六章现代超精密测量技术6 1超精密测量技术概述 8 1 激光陀螺的反射镜及武器瞄准窗激光陀螺的反射镜航空608所 国防科大 航天13 33所等 激光陀螺超光滑平面镜 美军武器瞄准窗组件 TORNADO旋风式战斗轰炸机COBRA眼镜蛇武装直升机BRADLEY装甲车 第六章现代超精密测量技术6 1超精密测量技术概述 图1 3各种超精密加工零件 9 SLAM ER巡航导弹 超光滑平面加工及检测 B 52轰炸机 第六章现代超精密测量技术6 1超精密测量技术概述 图1 4各种超精密加工零件 10 精密工程研究所超精密零件的加工及检测 第六章现代超精密测量技术6 1超精密测量技术概述 图1 5各种超精密加工零件 AlSiGeCu玻璃 11 超精密测量的主要研究内容包括 1 各种加工尺寸参数的超精密测量 2 加工表面质量 表面形状 表面粗糙度 表面机械物理参数 的超精密测量 3 加工中的在线测量 4 精密测量方法研究及其相应测量仪器研制 5 测量结果的评价及国际标准的建立 6 超精密测量环境研究 第六章现代超精密测量技术6 1超精密测量技术概述 12 第六章现代超精密测量技术6 1超精密测量技术概述 13 特点之一 超精密测量的精度高于零件精度特点之二 贯穿于整个精密 超精密加工之中涉及概念包括 测量范围 测量对象 测量仪器 测量方法 测量原则 国际标准与计量组织 不确定度等 第六章现代超精密测量技术6 1超精密测量技术概述 14 超精密测量技术的发展主要体现在以下几个方面 1 新型测量方法与测量仪器的发展 2 在线测量及测量与加工的集成 3 超高精度纳米测量与计量溯源 并规划和建立新的国际标准 4 复杂形状 大尺寸 纳米尺寸 新的被测参数研究等测量功能的扩展 5 软件功能的不断完善 反求工程的应用等 6 评定与不确定度的合理性 第六章现代超精密测量技术6 1超精密测量技术概述 15 新型测量方法与测量仪器的发展 激光测量在线在位SPM测量 第六章现代超精密测量技术6 1超精密测量技术概述 16 第六章现代超精密测量技术6 1超精密测量技术概述 在线测量 图1 7各种在线测量系统 17 大型镜面的子孔径拼接测量技术 子孔径拼接干涉仪 QED 包含一个6轴精密运动平台 Fizeau干涉仪以及测量规划 数据采集和拼接算法软件 适用于平面 球面和适度非球面 无补偿器 的波面检测 不同子孔径存在不同的平移 倾斜和离焦 拼接过程示意图 补偿常数项和倾斜误差 测量技术 大型器件干涉测量 第六章现代超精密测量技术6 1超精密测量技术概述 图1 8大型光学零件的光学拼接测量 18 图1 9超大尺寸测量 定位与装配形状 尺寸体积 容积 第六章现代超精密测量技术6 1超精密测量技术概述 19 全口径测量时由于像差太大 不能获得全口径内可分辨的干涉条纹 通过移动透镜组合6产生不同半径的球面波前 它们与被测波面的不同半径环带的斜率偏差较小 相应产生清晰的干涉条纹 从而得到各环带的相差信息 再进行拼接得到全口径相差信息 环带子孔径拼接干涉 条纹太密无法分辨 被测环带处条纹变稀疏 测量技术 第六章现代超精密测量技术6 1超精密测量技术概述 图1 10光学拼接测量 20 纳米测量 SPM的发明主要用于测量表面纳米级的形貌 例如通过探针操纵试件表面的单个原子后 进行纳米尺度测量 图a量子围栏 图c世界上最小的汉字 图bXe原子搬迁 第六章现代超精密测量技术6 1超精密测量技术概述 图1 11纳米测量 21 第六章现代超精密测量技术6 1超精密测量技术概述 图1 12数字化测量技术 22 传感器统一多系统体系动态校准维护数据信息管理与集成辅助工艺诊断 图1 13在线产品质量控制生产线实时监控 多尺寸视觉在线测量技术 第六章现代超精密测量技术6 1超精密测量技术概述 23 静态单站动态双站全视场多站 数码柔性坐标测量技术 图1 14跟踪干涉仪无导轨干涉仪 第六章现代超精密测量技术6 1超精密测量技术概述 24 机器人视觉测量视觉辅助装配机器人焊接跟踪 图1 15机器人测量机技术 运动学误差模型误差参数分离与校准系统实时校准基于测量的动态控制 第六章现代超精密测量技术6 1超精密测量技术概述 25 第六章现代超精密测量技术6 1超精密测量技术概述 6 3加工表面质量参数的超精密测量技术6 4纳米测量技术 6 2超精密加工尺寸的检测技术典型几何量加工尺寸参数的超精密测量方法与仪器 1 精密 超精密直线度测量方法与相关的测量仪器 2 精密 超精密平面度测量方法与相关的测量仪器 3 精密 超精密垂直度测量方法与相关的测量仪器 4 精密 超精密角度测量方法与相关的测量仪器 5 精密 超精密圆度 圆柱度 球度测量方法与相关的测量仪器 6 主轴回转精度超精密测量方法与相关的测量仪器设备 7 尺寸绝对长度的测量方法与相关的测量仪器 测长仪器 量快 塞规 8 精密三坐标测量机举例 26 测量特点 几何量测量中的长度测量 需要来自外界规定的某种长度基准 标准 被测长度与基准进行比较而获得被测长度值 直线度测量则不同 直线本身有确切的几何意义 原理上可以不依赖于外界基准 可以实现在 无直线基准 条件下获得高精度的直线度测量结果 例如可以利用多个直尺的互检的手段进行测量 主要测量方法包括 无直线基准测量法和有直线基准测量法两种无直线基准测量法 多面互检法 误差分离法 有直线基准测量法 实体直线基准测量法 重力基准测量法 光线基准测量法 光线基准干涉法 物理光学法 第六章现代超精密测量技术6 2超精密加工尺寸的检测技术 1精密 超精密直线度测量 27 测量基准 实体直线基准测量法 以平晶 长直尺 样板尺 刀口尺 三棱样板直尺 四棱样板直尺 研磨平尺 平板 精密测量机的精密导轨 张紧的钢丝等作为基准进行测量 测量仪器与器具 测量方法包括 多面互检法 三面 四面 误差分离法等 测量方法 重力基准测量法 受重力作用的液面 悬吊重物的铅垂直线作为基准 光线基准测量法 准直的光束及激光束等 1精密 超精密直线度测量 第六章现代超精密测量技术6 2超精密加工尺寸的检测技术 28 第六章现代超精密测量技术6 2超精密加工尺寸的检测技术 1精密 超精密直线度测量 无直线基准测量法 多面互检法 三面互检 四面互检误差分离法 单尺反转误差分离 双尺双面互检 29 有直线基准测量法 实体直线基准测量法 标准平尺 平晶或平板重力基准测量法 光线基准测量法 第六章现代超精密测量技术6 2超精密加工尺寸的检测技术 1精密 超精密直线度测量 30 第六章现代超精密测量技术6 2超精密加工尺寸的检测技术 1精密 超精密直线度测量 测量燃气透平隔板中心的直线度 在测量燃气透平隔板中心的直线度时 将激光发射器发出的激光调整到前后两个参考轴承座的中心线上 激光发射器通常固定在其中一个轴承座上 测量单元在每一个隔板位置进行测量并记录测量值 31 第六章现代超精密测量技术6 2超精密加工尺寸的检测技术 1精密 超精密直线度测量 图1 17导轨直线度测量及数据处理 32 主要分为 小平面平面度测量大平面平面度测量小平面平面度测量 平面平晶法等厚干涉仪方法光学基准平面 第六章现代超精密测量技术6 2超精密加工尺寸的检测技术 2平面度测量 图1 18小平面的平晶测量 33 测量仪器 移相式数字干涉仪相位跃变斐索干涉仪ZYGO干涉仪 第六章现代超精密测量技术6 2超精密加工尺寸的检测技术 2平面度测量 34 测量仪器 第六章现代超精密测量技术6 2超精密加工尺寸的检测技术 2平面度测量 图1 19光学干涉测量 35 第六章现代超精密测量技术6 2超精密加工尺寸的检测技术 2平面度测量 图1 20光学干涉测量 36 第六章现代超精密测量技术6 2超精密加工尺寸的检测技术 2平面度测量 图1 21加工平面的光学干涉测量 37 第六章现代超精密测量技术6 2超精密加工尺寸的检测技术 2平面度测量 图1 22磁流变抛光前后干涉测量效果对比 美国 38 第六章现代超精密测量技术6 2超精密加工尺寸的检测技术 2平面度测量 图1 23平面度测量 39 2平面度测量 选择3个参考点确定一个参考平面调整激光束使激光通过被测物体表面3个参考点并保证激光束距参考点的高度相同 将在参考点上的测量值置为0 在其它各点的测量值就是相对于激光参考面的偏差 将激光参考面调成与水平面平行将激光束按水平仪调平 将第一个测量点的测量值置0 其它各点的测量值就是相对于水平面的偏差 注意 用此方法时需要事先校准水平仪器的精度 被测物体上的测量点测量平面度时 非常重要的一点是确定被测物体上的测量点的位置 按X和Y方向坐标标记测量点 最多可以测量上百个测量点 所有平面度测量值是相对于3个参考点所决定的激光平面 测量完成后 可以任意选择3个点作为参考点 仪器自动计算其它各点相对于新的参考面的偏差 第六章现代超精密测量技术6 2超精密加工尺寸的检测技术 40 第六章现代超精密测量技术6 2超精密加工尺寸的检测技术 2平面度测量 图1 24平面度测量数据处理 41 第六章现代超精密测量技术6 2超精密加工尺寸的检测技术 2平面度测量 平面度测量方法 水平仪 自准仪法标准平板打表法平晶方法光线扫描法液面法干涉测量法测量仪器与器具 水平仪 自准仪 干涉仪标准平板评定技术 对角线评定最小条件评定 42 参考书 张善锺主编直线度平面度测量技术中国计量出版社1997年9月 第六章现代超精密测量技术6 2超精密加工尺寸的检测技术 2平面度测量 43 实际上是角度的测量90度角尺 L型 T型 圆柱型光学方法 第六章现代超精密测量技术6 2超精密加工尺寸的检测技术 3垂直度测量 44 第六章现代超精密测量技术6 2超精密加工尺寸的检测技术 3垂直度测量 图1 25垂直度测量 45 机床垂直度的调整车 铣车 铣 磨 HarbinInstituteofTechnologyPrecisionEngineeringResearchInstitute 第六章现代超精密测量技术6 2超精密加工尺寸的检测技术 图1 26装配中的垂直度测量 46 角度是机械 仪器仪表制造中的重要几何参数长度测量与角度测量同属于几何量测量例 燕尾槽 滚刀分度 锥度 齿轮分度 圆周转角测量仪器 标准测角仪 整度与非整度多面棱体 经纬仪 圆分度仪 多齿分度台 光学角规 小角度测量仪 水平仪 自准直仪 第六章现代超精密测量技术6 2超精密加工尺寸的检测技术 4角度测量 47 早期 电位器式 光栅与磁栅式 电阻应变式新型角度传感器 圆光栅感应同步器码盘旋转变压器 第六章现代超精密测量技术6 2超精密加工尺寸的检测技术 4角度测量 48 第六章现代超精密测量技术6 2超精密加工尺寸的检测技术 4角度测量 图1 27回转角测量 49 第六章现代超精密测量技术6 2超精密加工尺寸的检测技术 4角度测量 SZT三轴精密转台 2003年 图1 28回转角测量 50 第六章现代超精密测量技术6 2超精密加工尺寸的检测技术 5圆度测量 零件的圆度误差影响 圆度误差的评定方法 圆度测量方法与测量仪器 51 第六章现代超精密测量技术6 2超精密加工尺寸的检测技术 5圆度测量 图1 29圆度与圆柱度测量 52 第六章现代超精密测量技术6 2超精密加工尺寸的检测技术 5圆度测量 图1 30圆度测量仪器 53 第六章现代超精密测量技术6 2超精密加工尺寸的检测技术 5圆度测量 图1 3173圆度仪 54 第六章现代超精密测量技术6 2超精密加工尺寸的检测技术 5圆度测量 图1 32圆度测量曲线 55 第六章现代超精密测量技术6 2超精密加工尺寸的检测技术 5圆度测量 图1 33圆度测量曲线 56 第六章现代超精密测量技术6 2超精密加工尺寸的检测技术 5圆度测量 图1 34圆度误差数据处理 57 第六章现代超精密测量技术6 2超精密加工尺寸的检测技术 5圆度测量 参考书 曹麟祥王丙甲主编圆度检测技术国防工业出版社1998年8月 58 坐标测量法 通过三坐标测量机进行测量 并利用高精度测头和高精度转台 经纬法和扫描法相对测量法 利用圆度仪光学法 球面样板 干涉 第六章现代超精密测量技术6 2超精密加工尺寸的检测技术 6球度测量 59 第六章现代超精密测量技术6 2超精密加工尺寸的检测技术 6球度测量 测头 精密气浮轴系 电机组编码器 被测球 图4直径0 2mm空心铜管表面测量曲线 截面圆度测量曲线 图1 35球度测量 移动工作台 60 第六章现代超精密测量技术6 2超精密加工尺寸的检测技术 6球度测量 图1 36球度测量曲线 61 与圆度测量类似动态测量 第六章现代超精密测量技术6 2超精密加工尺寸的检测技术 7主轴回转精度测量 62 第六章现代超精密测量技术6 2超精密加工尺寸的检测技术 8长度测量及其仪器 量快 塞规测长仪器 63 主要包含精密的机械结构 测头部件 电气硬件系统和软件功能其结构有悬臂式 龙门式 第六章现代超精密测量技术6 2超精密加工尺寸的检测技术 坐标测量机 64 三坐标测量机 仪器 测量软件包括所有基本功能 1 几何元素测量 使用图形接口来显示用户的测量元素和结构 此接口提供给用户一个完备的工具来显示和分析检测数据 具备国际CMMA所规定的一系列测量元素的功能 如 点 线 圆 圆弧 椭圆 圆柱 圆锥 平面 球 键槽 曲线 曲面等 2 几何形状特征 按照ISO标准以文本形式或者图形形式显示和打印几何形状特征 3 几何尺寸公差 按照ISO标准计算并给出所测零件的几何尺寸公差 具备全系列公差的计算功能 例如 直线度 平面度 角度 圆度 圆柱度 球度 锥度 平行度 垂直度 倾斜度 对称度 位置度 2D和3D 同心度 同轴度等 第六章现代超