全貽智 全國(guó)量具儀標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)委員 王曉飛 江蘇省計(jì)量測(cè)試研究院科技處長(zhǎng)
目前檢驗(yàn)數(shù)控機(jī)床的定位精度，有些單位采用激光干涉儀。然而，在大多數(shù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件下，單獨(dú)使用激光干涉儀檢驗(yàn)數(shù)控機(jī)床精度，往往不夠準(zhǔn)確，例如，在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)或用戶現(xiàn)場(chǎng)同一天檢驗(yàn)同一臺(tái)機(jī)床，上午9時(shí)和下午3時(shí)的檢測(cè)結(jié)果會(huì)相差很大。為避免此現(xiàn)象，也有單位采用步距規(guī)，特別是高精度步距規(guī)越來越多地被人們所采用。然而，有些用戶認(rèn)為步距規(guī)太“老舊”了，不如激光干涉儀現(xiàn)代而先進(jìn)，其實(shí)這是很大的誤解。舉例來說，直到今天，世界最高檔的數(shù)控裝備當(dāng)屬高檔三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，如南京齒輪廠在2011年購(gòu)買的一臺(tái)德國(guó)萊茲公司生產(chǎn)的規(guī)格為3米的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，德國(guó)人就是用規(guī)格1米的步距規(guī)分段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)和校準(zhǔn)的。
1 高精度步距規(guī)與激光干涉儀的比較
對(duì)比因素 | 高精度步距規(guī) | 激光干涉儀 |
測(cè)量準(zhǔn)確度 | 在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下，兩者具有相近的準(zhǔn)確度。但由于影響激光干涉儀的因素較多，對(duì)操作人員的技術(shù)水平要求較高，在偏離標(biāo)準(zhǔn)條件的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下，激光干涉儀測(cè)量準(zhǔn)確度會(huì)有所降低，特別使上午和下午檢測(cè)結(jié)果相差較大。 |
測(cè)量數(shù)據(jù)一致性 | 步距規(guī)熱膨脹系數(shù)與光柵尺的熱膨脹系數(shù)十分接近，只要使其與被測(cè)機(jī)床等溫一定時(shí)間，就可基本消除環(huán)境溫度變化對(duì)測(cè)量誤差的影響，測(cè)量結(jié)果一致性好；激光干涉儀熱膨脹系數(shù)幾近為零，與被測(cè)對(duì)象光柵尺的熱膨脹系數(shù)相差很大，對(duì)溫度變化非常敏感，故上午與下午測(cè)量結(jié)果往往相差較大。 |
測(cè)量重復(fù)性 | 高精度步距規(guī)優(yōu)于激光干涉儀 |
測(cè)量數(shù)據(jù)漂移 | 高精度步距規(guī)優(yōu)于激光干涉儀 |
穩(wěn)定性 | 高精度步距規(guī)優(yōu)于激光干涉儀 |
對(duì)測(cè)量環(huán)境條件要求 | 高精度步距規(guī)對(duì)環(huán)境要求寬松， 激光干涉儀對(duì)環(huán)境要求嚴(yán)格 |
對(duì)操作人員技術(shù)水平要求 | 對(duì)操作人員技術(shù)要求不高，一般技術(shù)工人一人即可勝任 | 對(duì)操作人員技術(shù)要求較高，需經(jīng)專門培訓(xùn)方可操作，并需二人同時(shí)操作。 |
運(yùn)輸攜帶方便性 | 步距規(guī)相比激光干涉儀整套裝置體積小、總量輕，便于攜帶 |
溯源送檢及校準(zhǔn)費(fèi) | 步距規(guī)比激光干涉儀便宜 |
價(jià)格成本 | 步距規(guī)售價(jià)約為激光干涉儀的十分之一到五分之一。 |
維護(hù)保養(yǎng) | 維護(hù)保養(yǎng)簡(jiǎn)單，要求不高。 | 激光干涉儀的光學(xué)和電子元器件維護(hù)保養(yǎng)相對(duì)要求較高。 |
工作壽命 | 步距規(guī)壽命更長(zhǎng) |
成功應(yīng)用案例 | 上海特略精密數(shù)控機(jī)床有限公司和廣東中山銳鋒數(shù)控裝備有限公司用步距規(guī)，使數(shù)控機(jī)床定位精度達(dá)到±3μm（400mm） | 目前尚無單獨(dú)采用激光干涉儀進(jìn)行檢測(cè)，能使數(shù)控機(jī)床定位精度提高到±3微米（400mm）之內(nèi)的事例。 |
由以上十幾項(xiàng)對(duì)比可知，在檢測(cè)及修正數(shù)控機(jī)床定位精度方面，高精度步距規(guī)優(yōu)于激光干涉儀！
2 影響激光干涉儀測(cè)量準(zhǔn)確性的一些因素
（1）當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境條件偏離標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件，如氣流擾動(dòng)、氣溫波動(dòng)偏離標(biāo)準(zhǔn)要求，或是上午和下午氣溫變化較大，會(huì)使前后兩次檢測(cè)結(jié)果明顯不一致；（2）激光干涉儀檢定周期兩年可能偏長(zhǎng)，這期間溫度、濕度等傳感器很可能與上次校準(zhǔn)結(jié)果出現(xiàn)明顯偏差；（3）有的激光干涉儀用戶，在送檢時(shí)只送檢了激光器，而沒有送檢溫度傳感器。或校準(zhǔn)激光器時(shí)，沒有同時(shí)校準(zhǔn)溫度傳感器；（4）理論上講，激光干涉儀的帖附式溫度傳感器應(yīng)貼在機(jī)床光柵尺上，但由于光柵尺密封裝在鋁罩殼內(nèi)，光柵尺的溫度變化總是滯后于實(shí)際帖附點(diǎn)（在光柵尺附近的床體上）處的溫度變化。兩處實(shí)際溫度之差，將引起測(cè)量誤差；（5）現(xiàn)場(chǎng)使用，激光干涉儀一般安裝在三角架上，反射鏡安裝在機(jī)床工作臺(tái)上。由于工作臺(tái)較重，移動(dòng)中會(huì)引起地腳支撐點(diǎn)的微小彈性變形，從而引起床身連同工作臺(tái)一起相對(duì)于三腳架產(chǎn)生傾斜量變化，此變化量將引起測(cè)量誤差,而使用步距規(guī)測(cè)量，床身連同工作臺(tái)及步距規(guī)一起傾斜，不會(huì)引起額外測(cè)量誤差。
3國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)
《坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的驗(yàn)收檢驗(yàn)和復(fù)檢檢驗(yàn)》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 16857.2-2006）和最新國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO 10360-2:2009）都強(qiáng)烈推薦用步距規(guī)作為實(shí)物長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)器，用于檢測(cè)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的幾何精度。當(dāng)然，步距規(guī)也可以單獨(dú)用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)控機(jī)床定位精度，或先與激光干涉儀進(jìn)行比對(duì)，然后再用經(jīng)校對(duì)過的激光干涉儀測(cè)量數(shù)控機(jī)床定位精度，其測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確度會(huì)明顯提高。
4專家建議
（1）在測(cè)量機(jī)床的定位精度時(shí)，應(yīng)先用實(shí)物長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)器步距規(guī)對(duì)激光干涉儀進(jìn)行校對(duì)，然后再用校對(duì)過的激光干涉儀進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)的準(zhǔn)確度會(huì)得到顯著提高。對(duì)于在用戶現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試數(shù)控機(jī)床，最好直接使用步距規(guī)，配合杠桿千分表和磁力表座逐段進(jìn)行檢測(cè)，然后對(duì)機(jī)床的定位誤差進(jìn)行修正，如此，在多數(shù)情況下會(huì)高于出廠前的檢測(cè)精度，原因是用步距規(guī)的熱膨脹系數(shù)與被測(cè)對(duì)象十分接近，因溫度變動(dòng)而引起的測(cè)量誤差很小，故檢測(cè)準(zhǔn)確度更高；
（2）建議用步距規(guī)校對(duì)激光干涉儀以提高數(shù)控機(jī)床精度（詳見中國(guó)工業(yè)報(bào)2012年1月9日B1版頭條）；
（3）中國(guó)計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院專業(yè)從事步距規(guī)和量塊校準(zhǔn)的專家黃曉蓉說過：激光干涉儀不宜單獨(dú)使用，應(yīng)與步距規(guī)配合校對(duì)后使用；
（4）華東國(guó)家測(cè)試中心、上海計(jì)量測(cè)試研究院備有世界最高檔次的激光干涉儀和三坐標(biāo)測(cè)量機(jī),計(jì)量專家姜志華總工在進(jìn)行長(zhǎng)度精測(cè)時(shí)還用步距規(guī)進(jìn)行校對(duì),每年為許多外資企業(yè)做精測(cè)服務(wù),無一例爭(zhēng)議事件發(fā)生。
5 現(xiàn)場(chǎng)用步距規(guī)校對(duì)激光干涉儀的主要步驟
（1）將步距規(guī)提前（至少4小時(shí)以上）置于機(jī)床工作臺(tái)上，使與選定導(dǎo)軌平行（平行度300:0.03即可）；（2）將裝有杠杠千分表（分辨力1μm，重復(fù)性0.2μm，以下簡(jiǎn)稱“表”）的磁力表座吸附在主軸頭架上；（3）調(diào)整好激光干涉儀；（4）使表測(cè)頭與步距規(guī)零位測(cè)量面中心接觸并壓縮約15μm，轉(zhuǎn)動(dòng)表盤使指針與表零位線重合，同時(shí)使激光干涉儀顯示值清零；（5）從步距規(guī)零位測(cè)量面開始檢測(cè)：移出表測(cè)頭，按選定的長(zhǎng)度值（為步距的整數(shù)倍）移動(dòng)工作臺(tái)。移進(jìn)表測(cè)頭回到初始位置，微調(diào)工作臺(tái)使表針再次與表零位線重合。記錄激光干涉儀的顯示值。反復(fù)操作，直至校對(duì)完畢；（6）激光干涉儀的顯示值與步距規(guī)實(shí)際工作尺寸（經(jīng)法定計(jì)量部門校準(zhǔn)的長(zhǎng)度值）之差，是激光干涉儀的應(yīng)予修正的誤差。調(diào)整激光干涉儀的有關(guān)參數(shù)值（如溫度）以修正該誤差；修正時(shí)應(yīng)考慮步距規(guī)的熱膨脹系數(shù),全鋼質(zhì)量塊的步距規(guī)熱膨脹系數(shù)為11.5*10-6K-1,陶瓷工作量塊和鋼質(zhì)墊塊且節(jié)距為20mm的步距規(guī)熱膨脹系數(shù)為10.5*10-6K-1。（7）用修正后的激光干涉儀再次進(jìn)行檢測(cè)，以驗(yàn)證誤差修正效果。激光干涉儀的顯示值與步距規(guī)的工作尺寸，均為還原至標(biāo)準(zhǔn)溫度20℃時(shí)應(yīng)有的數(shù)值。
6結(jié)語(yǔ)
我國(guó)高精度步距規(guī)已達(dá)世界級(jí)水平，桂林安一量具有限公司已能生產(chǎn)具有世界級(jí)水平的高精度步距規(guī)。先后有4臺(tái)規(guī)格1000mm的高精度步距規(guī)，經(jīng)中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院校準(zhǔn)，3臺(tái)步距規(guī)全程最大誤差分別為0.8μm 、0.6μm和0.8μm；2011年報(bào)11月，經(jīng)德國(guó)檢測(cè)中心DKD-K-44301校準(zhǔn)， 全程最大誤差僅為0.46μm。著名的量具量?jī)x供應(yīng)商日本三豐公司的2010年產(chǎn)品樣本中，規(guī)格1000mm的高精度步距規(guī)，允許的極限偏差為±2.5μm。安一公司高精度步距規(guī)優(yōu)于上述指標(biāo)。
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作者簡(jiǎn)介：全貽智，男，全國(guó)量具儀標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)委員,前廣西計(jì)量測(cè)試研究院總工程師;王曉飛,女,全國(guó)量具量?jī)x標(biāo)委會(huì)委員,江蘇省計(jì)量測(cè)試研究院科技處長(zhǎng)
