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大理石平台检测技术以及设计

2021-03-09 15:26:34

其一、位置检测技术
位置检测是超加工的手段,误差补偿是提高加工精度的措施。超位移检测是整个工作台定位精度的决定因素。按照位移的特征,可分为线位移和角位移。线位移是指机构沿着某一条直线移动的距离,角位移指机构沿着某固定点转动的角度。
目前,大理石平台能够进行纳米计量的方法重要有:非光学和光学2大类。前者包括:电容测微法、电感测微法;后者包括X射线干涉法、各种形式的激光干涉法和光学光栅等方法。前者虽然能够达到纳米甚至亚纳米的测量分辨率,但其测量范围有限,而且需要激光干涉仪等光学方法对其进行标定和校准。后者的光学系统一般比较复杂,生产成本高,所以产品较少,价格昂贵。
目前的定位系统中,常用的可达到纳米级分辨率的传感器主要有:激光干涉仪、光栅尺和电容位移传感器。激光干涉仪基于光的干涉原理,光栅尺则基于光栅对光线干涉的原理,2者都是通过条纹明暗变化间接推导出位移的微细变化;电容传感器利用电容的物理特性,通过探测细微的电压变化来推导出电容板的相对位移。
从量程上来看,激光干涉仪和光栅尺可以进行大行程纳米级测量,而电容传感器只能在微米级的量程内才能保持纳米级的测量精度。从测量方式来看,激光干涉仪和电容传感器可以实现非接触式测量而光栅尺只能测量接触物的相对位移,并以其中某接触物为测量的直线基础。因此,前者可以测量位移变化的直线值,光栅尺的测量值则是相对直线位移值。但由于光栅尺属于接触式位移检测装置,在使用时一根光栅尺仅仅能测量一个导轨方向的位移,无法测量其他方向导轨由于直线度和垂直度引起的交叉误差,即无法补偿多维运动中的空间误差。因此如果在多维运动系统中采用这种反馈方式,要采用离线误差补偿技术提高系统精度,对系统误差进行建模,减小空间误差的影响。
从使用角度看,一台激光干涉仪系统可以同时测量多组数据,但是系统结构复杂庞大,安装使用条件也很苛刻,加上几十万甚至上百万的价格,一般只用于实验设备或者昂贵的位置反馈装置,很常用于对仪器的校验等测试调试场合。一个光栅尺只能测量一个方向的的直线运动,但安装简单,价格适中,是超加工机床常用位置反馈装置。电容传感器有不同形式配置,多通道的电容传感器配备多个电容探头,同时进行多路反馈,使用方便,价格便宜,常用于微动仪器的位置反馈。
综上所述,激光干涉仪的测量功能较强实用性较低;光栅尺适合测量一维大行程运动,配合空间误差补偿技术可以进行多维运动反馈,电容传感器适合测量小范围内的位移,实用性好。
其二、微细切削机床的床身设计
机床的床身采用天然大理石整体加工而成,由于天然大理石硬度高、密度高,可以增加机床床身整体的阻尼系数,提高机床整体隔震性能,大理石平板避免加工过程中由外力引起机床振动的现象。同时,天然大理石材质致密、硬度高,使用磨削加工可至镜面级精度,加之经过长期的天然时效处理,其组织结构均匀,线性膨胀率极低,表面无内应力,因此特别适合加工成气体静压支承结构的长直型导轨,有利于提高导轨的精度、刚度、直线度。
机床导轨采用封闭式气体静压支承形式,其工作原理是将具有一定压力的气体,经调压阀和节流器(小孔截流原理的气孔)输送到导轨表面,再通过出气孔流出,气体流动在滑块与导轨之间形成了稳定的空气薄膜,即为承载气膜,可使导轨与滑块之间处于气体摩擦状态。气浮滑块由4块铝合金板组成形如“口”形的结构,滑块上部与载物台相连接,气浮导轨穿过口字型中部,滑块内部有可连通的气路,当外部通入高压气体,经过滑块内部气路,从滑块表面若干的微小气孔流出,可以在滑块和导轨之间形成具有一定压力和刚度的气膜,并在滑块的4个角落设置有出气口,以导轨运动时,气膜具有一定的流动性。在气膜作用下,滑块连接的载物台就可以在导轨上平稳移动。其特点是:滑块与空气膜的摩擦系数,几乎可以忽略不计,摩擦力小,滑块移动时仅需要克服其自身质量所引起的惯性力,有利于提高运动控制系统的控制精度;其承载的重量由气膜刚度决定,而气膜刚度取决于气膜的压力和气膜的面积。从图中可知,该滑块的面积较大,其承载能力远大于微细切削的载荷,可将气膜视为刚体;导轨的运动速度对气膜厚度影响很小,导轨移动直线度较高。因此,该种导轨形式适用于机床的进给运动系统上。
但是气体静压承载式导轨也存在其缺陷,如带有粘性粉尘的空气进入气孔会导致气孔堵塞的现象。因此其对环境和压缩气体的洁净度有较高要求,一般采用三级过滤的压缩空气,并减少或不使用油雾型切削液,以降低空气中粘性颗粒的数量,保持气路的通畅。滑块出气孔很小的导轨甚至需要使用无油型的空气压缩机;气浮滑块需要加工复杂通气小孔,因此只能使用加工性能较好的金属材料(如铝合金),但由于与导轨并不是一种材料,其热膨胀率不相同,加上气膜厚度较小(一般为5~15μm,气膜过大会导致气膜刚度急剧下降,承载能力降低;太小则会引起气路中产生涡流现象,引起气浮滑块的急剧振动),在气温变化时会导致滑块与导轨之间间隙发生变化,从而影响气膜的厚度。例如导轨装配时为20℃,大理石与铝合金的线膨胀系数差值约为0.8μm/℃,当室温与装配时温度差大于15℃的情况下,气膜刚度就会减少12μm,气膜刚度急剧下降。温差继续增加,甚至会发生大理石导轨与气浮滑块干涉的现象,因此,该设备的运行需要严格的环境温度控制。

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