精密工作台（精选9篇）
精密工作台 篇1
“超重载、宽调速、低能耗”工作台液压驱动系统是大型精密数控龙门导轨磨床关键技术，满足工作台高速运行大流量和低速运行的节能控制要求。研究解决工作台驱动液压系统发热严重、能耗大、速度刚度低等制约大型数控龙门导轨磨床关键技术问题，实现工作台无极调速2.5～30m/min的线速度，确保工作台运行过程的平稳性、可靠性，应从液压系统方案设计合理性、油泵选型研究解决。
1 国内外大型龙门导轨磨床液压调速系统现状
1.1 国外大型龙门导轨磨床液压调速系统主要采用容积调速系统
德国科堡是国外生产龙门导轨磨床著名专业厂家，其液压系统采用是闭式容积调速系统(见图1)，使用专用大流量双向变量叶片泵进行无级调速驱动工作台运动。由于油泵造价高昂、复杂，维护维修不方便，使用普通电机，系统功耗占液压系统额定功率的40%以上，能耗较高。
1.2 国内外大型龙门磨床液压调速系统主要采用节流调速系统
国内机床企业多采用节流方式调速的液压系统(见图2)。工作台速度调节由比例流量阀控制，因此系统发热高、功耗较大，同样不符合低能耗要求。
威海华东数控股份有限公司生产的龙门导轨磨床液压驱动系统(见图3)，通过改变控制油泵流量输出达到工作台调速，此项技术获得了专利，优点是造价低、调整方便且能实现远程自动控制，由于采用普通电机带动油泵，功耗相对也比较大，仅适合普通导轨磨床，用在大型精密数控机床不符合节能环保标准。
1.3 国内其他企业的相关技术研究
近期，国内有研究变频调速电动机调速技术，原理是通过调节液压油泵转速，性能类似于比例泵节能系统，达到动力机构输出流量与执行机构流量相匹配，使流量损失降低。从目前国内外研究结果和文献看，变频液压调速系统仍存在诸如动态响应慢、低速特性差、调速精度不易保证及固有的导轨阻力、管路气室等问题，也制约其在大型精密龙门导轨磨床上的应用。
2 大型精密数控龙门导轨磨床液压调速系统研发
2.1 大型精密数控龙门导轨磨床液压调速系统的技术要求
根据大型精密数控龙门导轨磨床设计要求，当工作台导轨的摩擦系数为0.07时，工作台柱塞缸工作压力要达到2.8MPa，在300mm的缓冲区内，起动加速时工作压力要达到4.4MPa。在2.5m/min特定下，工作台输入功率(即液压系统的输出功率)约为5.3kw。如果以常规工作压力3MPa计算时，工作台要达到最高速度的加速距离最少有2.08m。当工作台导轨的摩擦系数为0.04时，工作台柱塞缸工作压力要达到1.6MPa，在300mm的缓冲区内，起动加速时工作压力要达到3.2MPa。在2.5m/min特定下，工作台输入功率约为3.8kw。如果以常规工作压力3MPa计算时，工作台加速距离只有0.35m左右。所以，在保证加工精度情况下，降低摩擦系数是减少液压系统有用功损耗主要因素，也是节能的重要手段之一，在机床结构设计上应采用卸荷式静压导轨。
2.2 试验研究方案综合对比分析
表1是此次试验研究大型精密数控龙门导轨磨床的各种油泵组合实验综合数据对比结果
最终设计方案是采用交流伺服电动机控制的内啮合齿轮泵方式(见图4)。作为交流伺服电动机的性能指标要好于变频电机，特别是在电机转速的稳定和应变调整时间上更显优势。
2.3 设计方案应用的试验测试结果
方案设计是由3个交流伺服电机分别带动3个内啮合齿轮油泵，主油泵电机总功率为78kw，来满足工作台拖动油缸所需的功率。经过压力调整，通过流量检测信号和工作台编码器反馈信号来调整电机转速，实现工作台运行闭环控制。而且当工作台运行到需要换向停止状态时，通过电机降速来缓解工作台动能，达到换向平稳，降低工作台因高速带来动能冲击。在低速时，只工作一个油泵，来达到节能的效果。
表2是单个交流伺服电机与内啮合齿轮泵在机床上实验数据
3 结束语
容积式调速方式是通过改变油泵输出排量来调节工作台运动速度，无节流和溢流压力损失，减少了液压系统的损耗，降低液压系统的发热量，进而实现液压系统节能的目的。节能环保是大型精密数控龙门导轨磨床液压调速系统国家重大科技专项的考核要求，也是未来液压调速系统技术发展趋势，随着技术水平的不断提高，液压节能会有广阔的发展前景。
摘要：本文分析了当前大型精密机床液压驱动存在的问题,结合国家重大专项研究课题,研究提出了“超重载、宽调速、低能耗”的新型液压控制系统解决方案。
关键词：液压控制系统,超重载,宽调速,低能耗
参考文献
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[8]陆望龙.液压系统使用与维修手册.北京:化学工业出版社,2008
[9]精密球体研磨机压力控制系统设计.赵文宏等.机电工程,2011(1)
精密工作台 篇2
精密和超精密加工技术的发展
精密和超精密加工技术的.发展,直接影响到一个国家尖端技术和国防工业的发展,故世界各国对此都极为重视,投入很大力量进行研究开发,同时实行技术保密,控制关键加工技术及设备出口.随着航空航天、高精密仪器仪表、惯导平台、光学和激光等技术的迅速发展和多领域的广泛应用,对各种高精度复杂零件、光学零件、高精度平面、曲面和复杂形状的加工需求日益迫切.
作 者：王大伟 崔宇 杨坤 陈喜龙 作者单位：装甲兵技术学院,吉林长春,130117 刊 名：科技资讯 英文刊名：SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION 年，卷(期)： “”(14) 分类号：V261.99 关键词：精密 超精密
精密工作台 篇3
精密数控回转工作台是多轴联动数控机床的核心部件。高精度数控回转技术也是数控螺母磨床的核心关键技术, 是数控机床的共性技术。精密数控回转工作台安装在精密数控螺母磨床内磨砂轮架上, 组成数控回转定位轴, 用于内圆磨具改变螺旋升角的回转运动[1], 所以提高数控回转部件的精度及可靠性对整个螺母磨床的可靠性与精度保持性的提高具有重大意义。
目前精密数控回转工作台常用的传动方式包括齿轮传动、精密蜗轮蜗杆传动、滚珠丝杠传动、力矩电动机直驱传动等多种传动方式, 齿轮、蜗杆蜗轮以及丝杠传动都是利用旋转伺服电动机通过皮带、齿轮和蜗轮蜗杆等传动方式达到减速, 或通过滚珠丝杠、齿轮齿条等传动方式将旋转运动转换为直线运动。无论使用什么方法消除传动间隙、提高装配精度, 都无法避免各个传动环节的误差积累, 以及由摩擦引起的功率损失。要彻底解决问题, 就必须去掉所有的传动环节, 实现“零传动”, 即利用力矩电动机直驱传动[2]。直驱技术具有精度高、速度快、无磨损、无间隙、受力状态优良, 没有点接触和线接触受力环节等优势, 采用直驱技术设计的回转功能部件, 机械结构简单, 是数控机床产业升级的关键功能部件, 目前已经成为国际机床产业的发展趋势。
在直驱技术日益成熟的条件下, 国际主流机床厂商迅速推出采用直驱技术的机床产品, 而且其应用水平的提升呈加速趋势[3]。目前, 处于世界机床产销量前几位的DMG、MAZAK、森精机等公司均开始大量改用直驱功能部件[4]。我国直驱技术的发展与国际水平有很大差距。国际上20世纪90年代初开始应用, 现在进入普及阶段。国内20世纪90年代中期才开始研究, 而成功的应用还比较少。自2005年起国内就开展了以力矩电动机为核心驱动元件的转台的技术研究和产品开发, 烟台环球机床附件集团公司的TK62800/1000数控直驱回转工作台中的首台d1 000直径的直驱转台于2011年试制成功[5], 但目前大多尚停留在产品样机阶段。而且现在国内小型直驱转台的研究还较少, 多数为d500及以上的中大型转台。
本文结合目前国内外直驱技术的研究成果, 设计实现了小型高精度直驱数控回转工作台系统, 能够进行高精度回转进给加工及分度定位加工。该回转工作台系统采用高精度力矩电动机进行直接驱动, 取消了中间的传动环节, 结构简单紧凑, 有效的提高了测量精度, 由于体积较小, 适用于螺母磨床内螺纹的加工, 对改进螺母磨床加工品质增大加工范围以及实现精确的自动分度具有一定的参考价值。
1 回转工作台整体结构设计
1.1 回转工作台技术规格及精度指标
最终设计完成的试验台要求满足表1的技术规格要求。
1.2 回转工作台机械部分整体设计[6]
回转工作台机械结构主要包括工作台转台面、转台轴承、电动机、夹紧装置、底座四大部分[7]。工作台结构如图1、图2所示。
1) 工作台转台面
工作台转台面位于力矩电动机正上方, 由工作台台面和定位孔盖组成, 台面通过转台轴承支撑, 并通过转台轴承保证其径向定位精度, 台面下端与力矩电动机转子固联, 连接部分设计为台阶面以保证电动机转子的径向定位精度, 转台面通过力矩电动机直接带动。中心定位孔盖与台面固连, 经过精加工保证加工工件的中心定位。
2) 转台轴承
根据要求, 选择德国INA轴承公司的产品YRTM260系列带集成电子测量系统的推力/向心轴承, 其中轴承的旋转部分与工作台台面固联, 固定部分与工作台的底座固联, 通过轴承来保证转台面的径向定位精度。
3) 电动机
力矩电动机位于工作台中部的下方, 选用外转子力矩电动机, 电动机部分分为电动机转子、电动机定子、电动机冷却套三部分, 其中电动机转子与转台面固联, 其径向定位精度由转台面上的台阶面确定。电动机定子与底板固联, 电动机冷却套紧套在定子内侧。冷却套内侧通过底板的台阶面保证径向定位精度, 从而保证电动机定子的定位精度, 冷却套相隔180°方向的上下部各有一个孔作为冷却液出入孔, 冷却套设计为水平沟槽式, 相邻沟槽相隔180°方向留有一个缺口, 使得冷却液可以从上方孔流入, 从下方孔流出, 进行循环散热。
4) 锁紧夹紧装置
锁紧装置选用液压锁紧, 锁紧部分上端与基座固定, 通过基座保证其同轴度, 锁紧装置位于电动机转子外圈, 与电动机转子同轴并留有细小间隙, 松开时, 电动机转子可以自由转动, 当需要锁紧时, 锁紧部发生弹性形变卡住电动机转子, 达到锁紧的目的。
5) 底座
底座由基座与底板两部分组成, 基座上部开有阶梯孔, 使轴承自带的角度测量头可以伸入内部进行测量, 同时通过基座的加工保证角度测量头的定位安装精度, 基座与轴承固定部分接触面进行精加工保证轴承的定位精度, 基座下方开液压油孔, 向锁紧部提供液压油, 底部与底板固联, 通过定位销保证底板同轴度与径向定位精度, 底板底部开有方形孔, 方便电动机定子电缆输出, 中间留有中心孔方便冷却液输入冷却套, 中部设计为台阶面, 保证冷却套的径向定位精度。整个工作台以底座为基准设计, 所以底座加工精度要求高, 热变形小, 从而达到提高转台加工精度的目的。
转台整体结构采用中空无主轴设计, 选用带集成电子测量系统的转台轴承进行数据采集与反馈, 取代了以往常用的转台面带动主轴, 主轴连接编码器的方式, 使得整体结构更加紧凑, 满足了外形尺寸的要求。
2 力矩电动机选型
2.1 计算所需的转矩
1) 摩擦力产生的转矩
经过分析可得当工作台正常作回转运动时, 主要的摩擦力均由工作台回转支承产生, 此轴承的摩擦系数为0.001。
由于整个转台的高度只有225 mm, 则转台总重力为:
则由摩擦力产生的力矩为
2) 加速度产生的转矩
转台的总惯量为:
将工件等效为直径400 mm的圆柱体, 则工件的转动惯量为:
按照电动机从0加速到20 r/min需要花0.15 s来进行估计计算, 则由加速度产生的力矩为:
3) 驱动工作台所需的总力矩为:
2.2 计算电动机的功率
取η=1.3, 假设电动机的额定转速为200 r/min, 则根据上面的转矩计算得出电动机所需的功率为:
2.3 确定电动机的型号
经过与各电动机厂商的咨询讨论, 最终决定选用德国舍弗勒公司的RE11-3P-250-25型外转子力矩电动机。该型号电动机参数如表2所示。
3 液压锁紧装置设计
回转工作台要求在进行点位加工时必须处于锁紧状态, 静止及联动加工时处于松开状态。由于转台整体体积较小, 则要求内部结构紧凑, 对锁紧装置还要求有较大的锁紧力矩和较快的锁紧动作灵敏度, 传统的锁紧方式如鼓刹、抱刹、端面刹等存在锁紧力矩不足, 锁紧动作不够灵敏及锁紧可靠性差等缺陷, 无法实现上述要求, 所以此次参考专利《机床旋转C轴液压刹车装置》[8]设计一种胀紧套如图5中A部分所示。
整个锁紧装置由 (图6) 基座和胀紧套共同组成, 胀紧套呈圆形套筒状, 采用弹簧钢制造, 由固定部和工作部两部分组成, 固定部外径大于工作部的外径, 使整个胀紧套外壁呈台阶状, 固定部与工作部连接处形成台阶端面, 固定面通过台阶孔用紧固螺钉与基座相连, 使胀紧套与基座轴向和圆周方向固定。凹槽设置在工作部外壁上, 凹槽的底部形成弹性刹车部, 基座与凹槽形成密闭油腔。工作部外壁上设有密封槽, 密封槽内设置有O型密封圈, 用于对密封油腔起加强密封作用。
1—台阶孔;2—密封槽;3—凹槽;4—弹性刹车部;5—输油孔;6—基座;7—电动机转子
胀紧套内径大于电动机转子外径, 胀紧套与电动机转子可以相对转动。工作时, 液压油泵将液压油通过基座上的输油孔压入密封油腔, 增大密封油腔内的液压, 压迫胀紧套工作部的弹性刹车部变形内突, 使胀紧套与电动机转子形成过盈配合, 从而卡主电动机转子, 使电动机无法再转动, 实现对转台的刹车与夹紧作用。当密封油腔内的液压油减少, 压力取消后, 胀紧套工作部的弹性锁紧部恢复原形, 与电动机转子又可以相对转动, 使电动机又可以正常工作。
密闭油腔内的液压越大, 胀紧套的弹性刹车部的变形越大, 对电动机转子的卡紧力也就越大, 对转台的刹车力矩也就越大。所以只要合理的增加密闭油腔内的液压, 就可以实现大扭矩刹车的功能。
4 结语
介绍的高精度直驱数控回转工作台, 既可以作任意角度的回转和分度, 也可以作连续回转进给运动, 能够满足尽可能多的加工形态要求, 采取中空无主轴结构, 通过选用带集成电子测量系统的转台轴承进行数据采集与反馈, 取代了以往常用的转台面带动主轴, 主轴连接编码器的方式, 减少了零部件的数量, 使得结构更加精简, 同时减少了累计误差的存在, 有效提高了精度, 是一种全新的回转加工设备。该转台可以提高工件的加工精度, 保证工件的品质和性能, 具有很好的工程应用价值。
参考文献
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[7]徐官南, 牛连革.自动交换工作台[J].机械制造与自动化, 2003 (1) .
精密模锻作业(华科) 篇4
组员： 曹琰 ：根据零件图设计锻件图，根据锻件图设计锻造工艺流程，选择锻造压力机。
周廷 ：设计模具结构图
李琨 ：对所设计的工艺过程进行成形模拟分析
针对图中所给零件，以2-3人一组设计其精密锻造工艺（请注明组员的任务分工）。零件材料4120。
（1）（2）（3）（4）（5）根据零件图设计锻件图；
根据锻件图设计锻造工艺流程；
请选择合适的锻造压力机，并说明选择的理由； 设计模具结构图，并说明模具动作及工作原理；
对所设计的工艺过程进行成形模拟分析，验证所设计的工艺。
根据零件图设计锻件图； 1）确定机械加工余量 机械加工余量主要有锻件质量、零件机加工精度和锻件复杂程度查表确定。
①锻件质量
②形状复杂系数
m330652.637.8510-6kg2.596kg
S330652.630.65
510508.81S在0.63和1之间，形状复杂程度为较低的Ⅰ级。
③加工余量 根据《锻压手册》查得厚度方向和水平方向的加工余量均为1.7-2.2mm，这里取为2.0mm；内孔直径加工余量为2.6mm。2）确定模锻斜度 根据《锻压手册》查得与凸模对应的模锻斜度为3°，与凹模对应的模锻斜度为6°。
3）确定圆角半径 外圆角半径r=余量+零件相应处半径=2.0mm，内圆角半径R=（2~3）r=4mm。
4）确定冲孔连皮
综上可得冷锻件图如下： 连皮厚度0.45500.255750.6577.1mm，这里取为7.0mm。
R140.157211.7mm，这里取为12mm。
热锻件图依据冷锻件图设计，热锻件图上的尺寸应比冷锻件图上的相应尺寸有所放大。理论上加放收缩率后的尺寸L按下列公式计算：
Ll(1)
其中，l为冷锻件尺寸，为终锻温度下金属的收缩率，钢为0.8%~1.5%，这里取1.4%代入上式，计算出热锻件图上相应的尺寸，并绘制热锻件图如下：
根据锻件图设计锻造工艺流程；
1）确定工步 闭式模锻时，法兰凸缘类锻件一般只需一个终锻工步，因此这里只设计一个终锻工步。
2）确定坯料尺寸及下料方法
这里取为73mm。选用卧式自动带锯机或高速圆盘锯床下料。根据冷锻件图得到锻件的体积为458456.06mm3，坯料直径取为90mm，则坯料高度为
458456.06472.06mm
9023）确定加热方法和加热规范 根据《锻压手册》查得加热温度为1150℃-1200℃，设备类型为中频感应加热炉，加热节拍为4件/分钟。
4）确定清除坯料表面氧化皮或脱碳层的方法 常用喷砂,酸洗的方法，由于工件较小故采用酸洗的方法。
5）确定坯料和模具润滑 采用水剂石墨润滑剂。
6）确定锻件冷却方法和冷却规范 锻件采用保护冷却，如坑冷，介质中冷却减少氧化，可置与油中冷却。
7）分流腔的设计 经分析可知，锻件上远离冲孔连皮的凸缘最后被金属填充，由分流腔的设置原则，则应在此处设置分流腔。本设计采用环形侧向分流腔，有桥部而无仓部，具体位置见模具图。综上可得，锻件的整个加工工艺流程如下： ①下料。原材料为热轧棒料，须去掉表面氧化和脱碳层。采用锯机或锯床下料，坯料尺寸为Φ92mm×72mm。
②加热。在充有氩气的中频感应加热炉加热坯料，炉温约为1200℃。③精锻成形。温度范围为1160℃-850℃。
④热处理。锻件加热到870℃后在油中淬冷，然后500℃回火。⑤机械加工。
请选择合适的锻造压力机，并说明选择的理由；
本设计采用可分凹模闭式模锻，而且锻件较简单，设备公称吨位FkqA16505225521.66kN,因此这里选用双动曲柄压力机。
（6）设计模具结构图，并说明模具动作及工作原理； 1）凸模和凹模结构
3）简易模具结构 2 8 3 6 4 7 5
1—上冲头
2—斜楔
3—右侧凹模
4—锻件
5—下冲头
6—左侧凹模
7—模座
8—分流腔 工作时，斜楔在双动曲柄压力机的外滑块的带动下向下运动，由于斜楔的运动，左右凹模向中间合拢，与固定在模座上的下冲头形成完整的空腔。将加热后的坯料放入空腔中，双动曲柄压力机的内滑块向下运动，与坯料接触后，使坯料发生镦粗挤压，充满空腔形成所需锻件。而后，内滑块上行，与锻件分离后，外滑块随之上行，此时左右凹模也分离，取出锻件。重复以上步骤，进行下一个循环。
（7）对所设计的工艺过程进行成形模拟分析，验证所设计的工艺。模拟结果如下：
等效应变
等效应变速率
等效应力
最大应力
温度分布
速度分布
载荷变化
精密工作台 篇5
磁吸式精密排种是针对蔬菜或花卉类小颗粒种子精密播种需要而提出的一种新型排种原理[1], 它具有对种子尺寸要求不高、不伤种子、通用性好和适应性强等特点。排种器充种、携种及落种过程完全依靠对磁吸力的控制来实现, 因此在保证种子被吸附于滚筒壁上且相对无滑动的前提下, 分析所需的磁吸力与其所处位置的关系, 是对排种器运行参数优化的一个重要方面。本文以磁吸滚筒式精密排种器为研究对象, 通过分析种子在滚筒壁上的受力, 找出滚筒允许转速与磁吸力的关系, 并通过油菜种子穴盘播种试验, 研究筒体转速对排种器工作精度的影响。
1 排种器结构及工作原理
排种器的结构如图1所示。由图1可知, 磁吸滚筒式精密排种器的磁吸头安装在滚筒轴上, 筒壁采用非磁性材料制造;4排磁吸头沿周向均匀分布;右侧种箱一边为敞开式, 以便让磁粉包衣种子紧贴在滚筒壁上。当滚筒轴在步进电机的带动下逆时针旋转时, 磁吸头将随滚筒旋转, 并依次经过取种区吸取种子;被吸种子在磁吸力作用下随滚筒做圆周运动经过携种区;当磁吸头运行至落种区时, 依靠行程开关等控制装置断开磁吸头上线圈电流, 磁吸力消失, 种子在自身重力作用下落入下方穴盘孔中, 完成一次排种;当磁吸头离开落种区, 再次接通线圈电流, 进入下一个排种过程。
1. 磁吸头 2. 滚筒 3. 种子 4. 振动种箱 5. 穴盘
2 种子受力分析
种子被吸附在滚筒壁上, 所受的力如图2所示。
图中 Fm (N) —指向滚筒中心的磁吸力;
Fi—垂直滚筒壁指向外的离心力 (N) , 取Fi=mv2/r;
m—种子质量 (kg) ;
v—筒壁旋转线速度 (m/s) ;
r—滚筒半径 (mm) 。
垂直滚筒壁的重力分力为mgsinα (N) , 与筒面相切的重力分力为mgcosα (N) ;其中, α为种子在圆周上的位置;g为重力加速度 (m/s2) ;
把种子吸附在滚筒壁上, 且随滚筒一起旋转, 应满足下列条件[3]
Ff≥mgcosα (1)
undefined
式中 N—筒壁对种子的支持力 (N) ;
Ff—筒壁对种子的摩擦力 (N) 。
φ—种子和筒壁的摩擦角。
把式 (2) 代入式 (1) 得
undefined (3)
由式 (3) 可以看出:当m, v, r和φ已知时, 所需的磁吸力Fm决定于α, 即种子在滚筒圆周不同位置, 所需的磁吸力不同。现分析α多大时 (即种子在何位置) 吸住它所需的磁吸力最大。
令undefined, 得undefined, 即sin (α+φ) =0, 得
α=2π-φ (4)
将式 (4) 代入式 (3) , 为保证种子从滚筒壁不滑落, 磁吸力需满足下述关系, 即
undefined (5)
排种器正常工作情况下, 磁吸头吸取种子所需的磁吸力与种子质量、滚筒转速、滚筒半径及种子与筒壁摩擦角有关。由式 (5) 可以看出:滚筒转速越高, 吸附种子所需的磁吸力越大, 种子与筒壁摩擦角越大, 所需的磁吸力越小。因此, 在设计确定磁吸头磁场时, 要以式 (5) 为依据。
3 滚筒转速的确定
种子在磁场中所受的磁吸力可由下式近似计算[4], 即
Fm=μ0χ0m′HcgradHc (6)
式中 μ0—真空磁导率, μ0=4π×10-7N/A2;
χ0—种子比磁化系数 (m3/kg) ;
m′—种子包衣粉剂铁粉含量 (kg) ;
Hc—种子质心处磁场强度 (A/m) ;
gradHc—种子质心处磁场梯度 (A/m2) ;
HcgradHc—磁场力 (A2/m3) 。
把式 (6) 代入式 (5) 得
(Hcgradundefined (7)
由此得筒壁线速度需满足的关系式为
undefined (8)
又undefined, 得滚筒转速需满足的关系式为
undefined (9)
由式 (9) 可知:当种子质量、比磁化系数、滚筒半径及种子与筒壁摩擦角已知时, 滚筒允许转速取决于种子质心处的最大磁场力, 磁场力越大, 滚筒允许转速越大。对于磁吸头来说, 其产生的磁场力与线圈电流强度、线圈匝数、铁芯材料及结构形式有关[2]。当线圈电流强度、匝数、铁芯材料及结构等给定时, 其产生的磁场力是有限的;当滚筒转速超过该限度时, 种子将被抛离滚筒壁, 从而影响排种器的正常工作。
4 试验研究
试验在排种器试验台上进行。试验对象为油菜种子, 取铁粉含量为18%的包衣粉剂对种子进行包衣丸粒化处理。包衣前后种子平均直径分别为1.870mm和3.375mm, 种子千粒质量分别为3.691g和34.352g。磁吸头结构采用文献[2]中的锥头形式, 铁芯材料为DT4, 线圈通电电流为0.2 A, 匝数为2 000, 排种器滚筒转速选定为5～35r/min, 每间隔5r/min共取7个值进行试验。考察穴盘播种的主要性能指标是单粒入穴率、重播率和空穴率[5], 按照GB/T 6973-2005《单粒 (精密) 播种机试验方法》取样要求, 每次采样250粒, 重复3次, 统计每个穴盘孔内种子个数, 计算各指标, 结果如表1所示。
从表1可以看出, 滚筒转速较慢时 (即n≤15r/min时) , 排种器有较好的单粒率。这是因为滚筒转速慢时, 由 (5) 式可知, 吸取种子所需的磁吸力相对小些, 且种子磁化充分, 因此磁吸头取种精度相对高些;但当磁场力过大时, 磁吸头将吸起两粒或多粒种子, 易造成排种器重播, 如转速为5r/min时, 重播率达14.118%。当滚筒转速加快时, 吸取种子所需的磁吸力要大些, 且种子磁化时间较短, 这样导致磁吸头来不及吸起种子, 易造成排种器漏播, 如转速为35r/min时, 空穴率高达36.078%。因此, 必须综合考虑磁吸头结构、线圈电流强度、匝数和滚筒转速等因素, 选择合适的参数组合, 以提高排种器工作精度。
5 结语
本文基于磁力式精密排种原理, 分析了在保证种子吸附于滚筒壁上且不滑动的前提下, 所需磁吸力与种子位置的关系, 以及滚筒允许转速与磁场力的关系, 最后进行了油菜种子穴盘播种试验。分析结果表明:在排种器磁系结构、磁吸头线圈通电电流强度和线圈匝数等给定的条件下, 滚筒转速对排种器工作精度的影响较大。转速慢时, 易造成排种器重播;转速快时, 排种器重播率大。因此, 在保证排种器工作效率的前提下, 选择合适的滚筒转速对提高排种器工作精度十分重要。
参考文献
[1]胡建平, 毛罕平.磁吸式精密排种原理及试验研究[J].农业机械学报, 2004, 35 (4) :55.58.
[2]胡建平, 李宣秋, 毛罕平.磁吸式精密播种器磁力排种空间的磁场特性分析[J].农业工程学报, 2005, 21 (12) :39.42.
[3]孙仲元.磁选理论[M].长沙:中南工业大学出版社, 1987:103.105.
[4]胡建平.磁吸式蔬菜穴盘精密播种器的基础理论及试验研究[D].镇江:江苏大学, 2005.
精密与超精密磨削关键技术探讨 篇6
现代新产品新工艺的出现对工件表面质量提出了越来越高的要求,磨削是一种广泛应用于精加工的技术,随着科学技术的不断发展,精密与超精密磨削的技术指标也在不断发生变化。精密磨削是指加工精度介于0.1 um～1 um、表面粗糙度为Ra0.1 um～Ra0.16 um范围的磨削;超精密磨削是指加工精度小于0.01 um、表面粗糙度小于Ra0.01 um范围的磨削技术[1]。目前超精密磨削已经达到纳米级工艺阶段。本文就精密与超精密磨削所涉及的关键技术进行探讨。
1精密与超精密磨削机理研究
精密磨削是将金刚石或立方氮化硼等具有高硬度的磨料砂轮进行精细修整,使磨粒在具有微刃的状态下进行加工而得到低的表面粗糙度参数值。微刃的数量很多且具有很好的等高性,因此被加工表面留下的磨削痕迹极细,残留高度极小。与普通磨削相比,超精密磨削具有如下特点:
(1)极小量切除。超精密磨削是一种切削量非常小的磨削,磨削深度可能比晶粒的尺寸还小,因此磨削在晶粒内进行,要使磨削顺利进行,必须使磨削力大大超过晶粒的结合力,甚至可以达到材料的剪切强度[2]。同时,磨粒在磨削时产生高温和高压,因此磨粒材料要选取高温性能好、硬度大的材料,如金刚石、立方氮化硼等。
(2)连续磨削。在磨削初始阶段,砂轮与工件相接触,慢慢切入,此时砂轮的切深少于工件的减少量,即砂轮与工件形成一个弹性变形的阶段;砂轮逐渐切入时,砂轮切深与工件减少量的差值逐渐减少,最后砂轮的切深等于工件的减少量,即砂轮达到稳定磨削阶段;接下来,随着砂轮切深的加大,最后达到加工值,加工完成。该加工的整个过程为一个连续磨削的持续过程,这种磨削要求机床刚性高、磨削量小、砂轮修锐量好。
随着磨削建模和计算机仿真技术的发展,对磨削机理的研究更加深入,人们可以对加工过程在计算机上进行仿真与数值计算,进而对磨削加工做出有效的预测与评估。目前,通过建立砂轮模型,在已知磨削运动和磨具参数、磨削振动及磨削力等初始条件下,对磨削形成过程、磨削力与磨削区温度变化、磨削精度和表面质量进行仿真,进而可以模拟再现整个磨削过程,并最终分析和预测在特定加工条件下的加工精度及效果。
针对不同工程材料,国内外也开展了有关精密及超精密磨削的磨削机理与工艺的研究,但研究面较窄,没有建立起独立完整的理论体系,所以今后的研究重心主要集中在:①各种常用材料的磨削机理研究;②磨削加工工艺参数优化研究;③磨削全过程、磨削力、磨削温度的研究;④磨削加工的计算机仿真与模拟研究。
2精密与超精密磨削磨具技术
随着航空航天、汽车及高精密模具制造所涉及的新型材料的加工需求及其应用,使CBN和人造金刚石砂轮等精密磨具有了更多的用武之地。精密磨削的加工方式根据要求及加工条件的不同,主要有超精密砂轮磨削和超精密砂带磨削、ELID磨削、超硬材料微粉砂轮磨削、超声振动磨削、电泳磨削及双断面精密磨削等[3]
实际生产中应用最为广泛的是精密砂轮磨削,其加工的主要对象包括陶瓷、玻璃、黑色金属等硬脆材料。精密磨削中砂轮的材料有立方氮化硼(CBN砂轮)、人造金刚石、蓝宝石等硬度极高的磨料[4],此外还有新型陶瓷磨料及微晶刚玉砂轮等。
在精密磨削加工中,砂轮修整技术是保证零件加工质量的关键。砂轮的修整会直接影响被磨工件的表面质量、生产成本及生产效率,是目前普遍的一个技术难题。修整主要包括修形与修锐两部分。修形是使砂轮达到特定的几何形状;修锐是将磨粒间的结合剂去除,以保证有足够的容屑空间和切削刃。目前,超硬材料砂轮的修整方法主要包括电解加工整形、电火花整形、杯形砂轮整形、气体喷砂修锐、超声振动修锐和弹性修锐。也可以将这两种技术及其以上修整复合在一起,如电火花—超声修整、电火花—化学修整等。
对新型高精密砂轮进行设计与制造,需要考虑砂轮的截面形状及其优化、粘结剂的种类和应用场合、砂轮的制造工艺及选取的基体材料等,其中需重点攻克的技术难题有:①砂轮新型粘结剂的试验研究与开发;②选择合适的基体材料进行制造工艺的开发与优化;③研究新型砂轮的制造技术,在满足砂轮充分容屑空间的同时保证其良好的凸出性;④新型磨料制备工艺研究,如可使磨料容易产生新切削刃的加工方法;⑤适合于超精密磨削的超微粉砂轮制备技术等。
3精密磨削加工设备及基础零部件技术
进行精密及超精密磨削加工的主要设备有超精密磨削机床、各种研磨机等,对于这些加工设备要求其具有高精度、高刚度、高稳定性和高度自动化等特点。基础零部件技术包括高精度主轴单元制造技术及精密进给单元制造技术。
3.1 主轴单元
适应于高精度、高速度磨床的主轴单元是磨床的关键部件。主轴单元包括主轴动力源、主轴、轴承和机架等部分,其性能的好坏对系统的加工精度、应用范围及加工稳定性有着较大的影响,尤其其动力学特性在加工过程中起着至关重要的作用。
提高效率,保证主轴能快速升降,从而可以快速定位到加工准确位置,因此要求主轴具有较高的角加速度。目前,在高速高精度主轴结构上主要采用交流伺服电机进行直接驱动的集成方式。其有两种方案:①将转子与主轴连成一体;②采用电机与主轴通过联轴器直接相联。现在,大多数高精度高速机床采用了内装式电主轴的结构形式,即将变频电机和机床主轴合为一体,而主轴的变速完全通过控制交流电的频率来完成。
国内外用于高精度高速加工的机床主轴轴系的轴承主要有陶瓷球轴承、动静压轴承、静压轴承、气浮轴承及磁悬浮轴承。其中陶瓷球轴承的寿命最多也只有数千小时,且无法承受较重负载。磁悬浮轴承支承的电主轴寿命长,但由于对主轴的支撑刚度较低,难以用于磨削加工。静压轴承抗过载能力低,难以推广应用。液体动静压轴承则集中了动压轴承及静压轴承的优点,刚性好,精度高,在理论上具有无限寿命,应用前景很好,但目前的理论模型多是针对层流、不可压缩物体的粘度假设,范围较窄,有待于进一步研究。
对于超精密磨削加工而言,由于要求主轴单元系统具有刚性好、精度高、加工稳定性好、散热好、故障少等特点,因此在成本适中的条件下,对主轴的制造精度、主轴轴承结构方式、主轴的润滑和冷却系统、底座及主轴刚度等提出了更高的要求,主轴单元的静刚度和工作精度对磨床精密加工性能有很大的影响。磨床主轴单元的动态性能在很大程度上决定了机床的加工质量和切削能力。
3.2 进给单元
进给单元是评价精密及超精密磨床性能的重要指标之一,也是使砂轮保持正常工作的必要条件。在精密和超精密磨削加工中,进给单元是影响精度的重要部件,由于其分辨率高,运转灵活,同时又具有较高的定位精度,加工时需要小进给或者微进给,而在空行程时又能够快速进给,有较大的加速度和推力,并且主轴单元系统刚性好,反应速度快,回转精度高。
由交直流伺服电机与滚珠丝杠组合的轴向进给方案是目前国内数控机床普遍采用的方式。基于高精密加工的要求,越来越多的国内外机床厂家采用直线伺服电机直接驱动技术,通过高性能的直线伺服电机结合数字控制技术,可以获得较高的尺寸精度与表面质量,从而满足加工要求。
4磨床支承技术及辅助单元技术
数控机床支承技术在精密机床的设计中占有非常重要的地位,它主要涉及磨床支承构件的研究开发与加工技术。相应的辅助单元技术则有夹具技术、加工主轴及砂轮的动平衡技术、机床冷却润滑液系统、机床安全装置、加工切屑处理及工件清洁技术等。
在磨床部件中,磨床支承构件主要包括砂轮架、头架、尾架、工作台等起支撑作用的基础件,要进行高精度加工,要求它具有良好的动刚度、静刚度及热刚度。在一些精密及超精密磨床设计中,为了提高部件的刚度,国内外多数采用聚合物混凝土制造床身和立柱;还有采用钢板焊接件,并将阻尼材料填充其内腔以提高抗震性;也有的将立柱和底座采用铸铁整体铸造而成,这些都收到了很好的效果。
在精密磨削领域,应在以下几个方面进行重点研究:①新型材料及结构的支承件优化设计及其制造技术研究;②磨削液过滤系统的研究;③砂轮动平衡技术研究;④精密自动跟刀架及支承件的研究;⑤安全防护装置设计制造技术的研究。
5精密磨削测量技术及误差补偿技术
精密检测是精密和超精密磨削的必要条件,实现加工过程的自动监控和误差补偿,以使制造系统长期保持高效率、高可靠性和低成本的运行状态。精密磨削监控检测技术多采用传感器进行信号的分析处理,对加工的整个过程实现实时监控,例如实时监控砂轮的磨损及破损情况以便及时更换砂轮,检测及监控工件的加工精度与表面质量等。目前,在超精密磨削加工领域,尺寸测量主要有两种技术:激光干涉技术和光栅技术[5]。
激光干涉仪分辨率高,最高可达0.3 nm,一般为1.25 nm;其测量范围大,可达几十米。由于激光波长受温度、湿度、压力的影响比较大,因此该测量方法对环境要求很高。
光栅在近年来被越来越多地选作为测量工具。从分辨率来看,北京光电量仪研究中心的光栅系统分辨率可达0.1 nm;精度上,Heidenhain的LIP401的准确度为±0.1 μm,LG100光栅系统分辨率可达0.1 nm,测量范围100 mm,精度±0.01 μm。单从分辨率和精度上看,光栅技术可以和激光干涉技术相媲美,同时对环境要求相对较低,可以满足精密磨削加工的使用要求,是一种非常有前途的精密测量工具。
当加工精度高于一定程度后,如果仍然从采用提高机床的制造精度、保证加工环境的稳定性等误差预防措施来提高加工精度,将会使成本极大地增加,得不偿失。而取而代之的是误差补偿措施,即通过消除或抵消误差本身的影响来达到提高加工精度的目的。国内外的一些著名精密磨床,采用了误差补偿的方法,取得了很好的效果。
6结束语
实现超精密磨削,不仅需要超精密的磨床和砂轮,也需要超稳定的环境条件,还需要运用计算机技术进行实时检测,反馈补偿,只有将各领域的技术集成起来,才有可能实现。随着磨削在切削加工中的比重日益增大,精密与超精密磨削的应用将越来越广泛,这将在极大程度上提高我国机械制造业的发展水平。
参考文献
[1]冯薇.精密与超精密磨削的发展现状[J].精密制造与自动化,2009(2):8-9.
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[4]高兴军,赵恒华.精密和超精密磨削机理及磨削砂轮选择的研究[J].机械制造,2004,(12):43-45.
精密盲孔加工技术研究 篇7
该零件为某发动机高压涡轮喷嘴内后支撑, 材料为AMS5707, 为薄壁零件, 零件壁厚较薄m, 零件的整体结构刚性较差, 存在38个精密盲孔, 加工合格率非常低。本文通过对加工方法、刀具的选用、加工参数等进行调整, 解决了相关问题。
二、零件简介
高压涡轮喷嘴内后支撑为某型航空发动机中与叶片连接的一个单件。壁厚最薄1.1mm, 有2组高精密盲孔, 每组19个共38个, 孔径公差分别为0.00381mm, 其中一组孔的位置度只有0.05, 另有1基准孔孔径公差为0.005mm, 保证孔径及位置合格难度非常大。
该零件材料材料为AMS5707, 为难加工镍基高温合金。切削特性表现在以下方面:塑性变形很大;切削力较大;切削温度高;刀具易磨损;加工硬化现象严重。
所以由于材料的原因, 零件难于切削, 并且零件比较薄, 刚性较差, 需要借助辅助支撑来保证加工变形量, 同时加工盲孔需要涂层非标刀具, 由于公差限制, 需使用钻、扩、镗、铰等工艺依次加工, 以保证孔径及位置尺寸的一次合格率。
三、孔加工试验
1零件端面孔的工艺方法、余量分布及加工参数。
(1) 零件状态。由于零件端面盲孔的位置要求非常高, 只有0.05mm, 这个对于零件前工序加工提出了很高的要求, 基准直径公差为0.03mm, 圆度为0.03mm, 基准平面度要求0.05mm。
(2) 刀具的选用。对于材料为高温合金的零件, 为保证加工尺寸的精度, 采用带涂层的非标刀具。关键是铰刀工序, 铰孔为加工最后一道工步, 该工步的质量、稳定性、准确性直接影响零件最终尺寸状态。刀具选用非标定制的合金铰刀, 其铰刀的公差略大于盲孔的孔径, 并且刀具的圆周跳动不能大于0.005mm。
2工艺路线及余量参数
采用钻→扩→镗→铰的顺序进行孔加工, 以φ5±0.00381mm为例。
(1) 打点。刀具:φ3中心钻;切削深度:1-1.5mm;
(2) 钻底孔。刀具:φ4合金钻头, 切削深度:13.90mm;其它问题:由于后续扩孔原因, 底孔深度在图纸要求尺寸的公差上限, 参数根据选用刀具的不同一般在S=700-750r/min, F=30mm/min。
(3) 扩孔。刀具:φ4.5带涂层合金端铣刀 (铣刀侧刃不太过长并且尽可能深的装夹刀杆, 防止刀具摆动, 上刀加工前, 要测量刀具刃跳动) ;
切削深度:13.87mm; (要求略高于底孔深度)
其它问题:参数S=500-550r/min, F=30mm/min;
(4) 镗孔。刀具:镗刀 (选用刚性较强的镗刀, 因为孔径过小, 所以选择的是镗杆和刀尖一体的镗刀, 及满足了加工刚性要求, 又能保证较高的定位精度, 镗头的精度选用0.01-0.02mm之间) ;其它问题:注意盲孔底R0.381±0.127mm, 虽然铰刀R为0.381, 但铰刀无法加工到孔底, 为不让孔内有接刀棱, 所以镗刀的R要选用0.3mm左右;切削深度:13.87 mm, 参数S=600-650r/min, F=25mm/min, 注意镗刀要给铰刀留余量0.05mm左右, 以此保证铰刀切屑量和刀具使用寿命, 所以加工孔径为φ4.70;
(5) 铰孔。刀具:铰刀 (铰刀的规格尺寸加工前要试验加工检验, 操作者备刀具尺寸, 试验加工试件并检验合格后用于加工批产零件, 一般试件孔为3-5个, 检测数据稳定, 不要出现或大或小的情况出现。)
切削深度:在13.6mm左右;
其它问题:由于是盲孔, 如果铰刀加工到孔底, 非常容易导致刀柄摆动, 孔口偏大超差。参数S=200-220r/min, F=12-15mm/min。
(6) 刀具的磨耗。刀具磨损影响孔径的一般是镗刀和铰刀, 镗刀的消耗定额一般为0.3/件;铰刀的消耗定额一般为0.3/件, 但铰刀使用时需使用内径千分表测量, 以防刀具未知的磨损导致盲孔超差。
(7) 其它注意事项。由于是盲孔加工, 造成排屑不畅, 存在积屑刮伤孔壁的危险, 而且由于零件材料的原因, 碎屑会很容易粘结在铰刀刃上, 影响最终孔径值。镗刀加工时, 不要使用局部加工后, 测量的方法, 因为材料严重的加工硬化问题, 会在零件孔内径形成喇叭口, 造成孔开口大, 内部小的情况, 同样因为材料的问题, 镗刀的每刀切深不可以过小, 如果切深过小的话, 刀尖就会一直在孔壁打滑导致的让刀, 切削掉很少的材料, 而如果继续上刀加工, 就可能出现上很少的量, 却因为让刀消除, 一下去除很厚的材料, 所以镗加工建议每刀的切深直径不小于0.06mm, 这样通过反复上刀、测量就能很容易达到立项的尺寸。
四、结果讨论与分析
用过以上试验, 成功的摸索出一套加工高精度孔类零件的方式方法, 积累了大量孔类加工数据信息及加工经验, 同时了解到加工数量较多时, 保持稳定性的加工参数、刀具消耗等多项宝贵信息。
由于零件高精度孔非常多, 约40个, 其质量稳定性, 非常关键, 该零件的成功研制的同时, 稳定了加工一次合格率, 目前为止盲孔加工合格率为100%, 为后续批量生产奠定了坚实的质量基础。
结语
高压涡轮喷嘴内后支撑零件的成功研制交付, 标志着我公司已具备加工高精度孔类零件的加工技术, 填补了我公司该类技术的空白, 为后续开发研制类似精度加工技术奠定了坚实的基础, 积累了丰富的宝贵经验。
摘要：本文研究方向为高温合金高精度盲孔加工技术, 主要针对某发动机高压涡轮喷嘴内后支撑, 解决薄壁加工刚性差, 精密盲孔的加工及检测问题。
关键词：高温合金,盲孔,公差,位置度,薄壁
参考文献
[1]许韶洲.孔的切削加工[J].机电工程技术, 2013 (06)
《精密成形工程》杂志征订启事 篇8
国际刊号:ISSN 1674-6457,国内统一刊号:CN 50-1199/TB。邮发代号:78-235。
《精密成形工程》目前已组建了由才鸿年(院士)、阮雪榆(院士)、曾苏民(院士)、宋玉泉(院士)、苑世剑、杨合、张士宏等80多位全国知名的院士、学者、专家组成的编委会。
本刊宗旨:展示国内精密成形工程专业前沿学术成果,报道国内外成形制造技术新工艺、新趋势的学术研究论文,推进我国精密成形工程专业科学发展,增进国内外材料精密成形加工领域的学术交流,为我国制造业跨越发展提供服务。
报道内容:金属材料成形(锻压、铸造、焊接成形等),非金属材料(高分子材料、陶瓷材料)成形,复合材料成形等制造技术学科领域。
栏目设置:材料及成形性能、工艺优化设计、理论与试验研究、应用技术、专家论坛、综述和综合信息等。
作者和读者群体:国内外精密成形工程及相关行业,从事科研、生产、设计、教育、信息和经营管理等工作的人员。
《精密成形工程》杂志为双月刊,大16开本,单价为30元,全国各地邮局(所)均可订阅,逾期可随时与编辑部联系补订。
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同步相移干涉表面精密测量 篇9
表面加工质量的保证, 通常由精密制造设备和合适的制造工艺来实现, 其前提是制造系统必须具有良好的稳定性和可靠性。然而, 高精密加工时, 表面加工质量极易受到制造系统及其单元在静力学、动力学和热力学方面运行状态的影响[1,2]。为保证表面质量, 现有的高精密表面加工 (如表面精密磨削、金刚石单点加工等) 不得不采取经常性的加工表面离线检测, 以便于可能需要的工艺调整或补偿。如此质量控制方式将因为加工表面离线检测和重新置位的过程, 工艺连续性、加工环境和状态的一致性受到破坏而降低工艺调整和补偿的可靠性, 同时也降低效率。表面在线测量能保持工艺连续性, 保持测量前后加工环境和状态的一致性, 从而保证由表面检测所获得的工艺调整和质量控制的依据可靠, 实现更为可靠的质量保证, 并提高加工效率, 因而受到高度重视。然而, 一般精密表面测量方法 (如激光波面干涉测量方法) 由于对外界环境极度敏感, 易受到在线环境下振动干扰的限制, 难以用于在线测量。因此, 表面在线精密测量是高精密制造领域的一个难题。
微电子、微机电系统 (MEMS) 、光电子信息技术和航空航天技术等的快速发展, 对表面质量要求正稳步提高[3], 表面在线精密测量及质量控制问题因而变得更为突出, 需开发适用于在线条件下表面精密测量和有效质量控制的方法[3,4]。
为此, 本文基于激光波面干涉表面测量原理[5,6,7], 提出以偏振相移[5]为基础的同步相移技术, 研究在线在机表面精密测量的解决方案——同步相移干涉精密表面在线测量系统。该系统在传统泰兰-格林激光波面干涉仪[7]基础上, 利用偏振干涉[8], 采用偏振的同步相移技术, 有效地抑制在线环境对波面干涉测量精度和可靠性的影响, 从而实现精密加工平面和球面的表面形状在线测量。
1 测量原理
1.1系统原理
提出的同步相移激光干涉表面精密在线测量系统原理如图1所示。图中, L1为准直透镜;L2、L3为扩束透镜;BS为消偏振分光棱镜;P1、P2、P3为检偏器;M1、M2为反射镜;Q1、Q2、Q3为1/4波片。He-Ne激光器发出的光经空间滤波器、偏振片和准直镜L1后, 成为准直平面波进入偏振分光棱镜, 偏振方向垂直纸面的分量经分光面反射, 经过1/4波片Q1到达参考表面, 并被反射回来穿过分光棱镜成为参考光波, 该光波由于两次通过Q1使偏振方向变为平行于纸面, 从而穿过偏振分光棱镜分光面进入干涉光路;偏振方向平行于纸面的偏振分量穿过分光面, 经过1/4波片Q2后入射到被测表面, 反射回来的光波为带有被测表面偏离信息的准平面波。该准平面波再经过Q2, 偏振方向变为垂直纸面并由偏振分光棱镜分光面反射进入干涉光路。这两束偏振方向正交的光波在干涉光路中共路经过1/4波片Q3后变成旋转方向相反的圆偏振光, 它们一同经过L2和L3组成的扩束镜扩束或收束至合适于后面CCD的孔径后, 进入同步相移干涉单元。在同步相移单元, 多步相移同时发生并被同步采集送入计算机进行分析和干涉相位恢复[9,10], 得到从被测表面返回的波面波前形状, 从而得到被测表面面形。用于球面测量时, 则在偏振分光棱镜后置放一适当聚焦镜, 产生标准球面波入射到被测表面, 返回的波带有被测表面偏离信息, 随后进入测量系统, 得到测量结果。
1.2同步相移原理
相移干涉技术是激光波面干涉实现表面高分辨率高精度测量的重要技术, 其测量不确定度达到λ/100[5,6,9,10] (λ为激光波长) 。
常见的相移干涉技术大多采用参考镜的步进驱动来实现相移, 是分时相移, 以获得多步相移干涉图, 进而基于相移算法进行干涉相位的分析和恢复。分时相移中, 诸如振动等时域变化的环境因素影响将在相移过程中引入额外的相移, 成为相移误差, 从而引入干涉相位的恢复误差, 进而造成测量误差。
为此, 本系统基于偏振干涉原理[5], 提出同步相移技术, 建立同步相移单元, 同时获得产生不同相移的多幅相移干涉特征, 以避免环境振动等时域因素引入相移误差进而引起测量结果误差。
采用的同步相移原理如图2所示。进入的旋转方向相反的两共路相干光波被消偏振分光棱镜BS1、BS2和BS3分为光强相等的三组相干光束 (其中光路中使用的消偏振分光棱镜可以将入射光分为能量相等的两束出射光, 而且对偏振态不影响) , 分别通过检偏器P1、P2、P3后发生三路偏振干涉[8], 偏振干涉相位对应被测表面形状误差及检偏器的检偏角度。
以穿过BS1的一组相干光波为例。在图1中, 假设由参考表面和被测表面反射回来的出射到1/4波片Q3、偏振态分别沿平行于纸面的x向和垂直于纸面的y向正交的两光波电场分量表示为琼斯向量:
式中, E1、E2分别为两光波的电场分量幅值;wck (x, y) 、wbc (x, y) 分别为两光波的波前相位。
1/4波片的琼斯矩阵为
检偏器的琼斯矩阵为
Jp=[cos θ sin θ] (3)
式中, θ为检偏器的检偏角。
这两相干光波穿过Q3、BS2、BS1和检偏器P1后, 幅度减少为原来的1/4, 出射的光波总的电场分量可表示为
那么, 在CCD上接受到的干涉光强分布为
可以看出, 两束相干光的相位差不仅与被测相位有关, 而且还与检偏器的检偏角成线性关系。因此, 三路偏振干涉相位分别受到2倍于P1、P2、P3检偏角度的相位调制。于是, 通过设置检偏器P1、P2、P3合适的检偏角, 使得三路相干光波偏振干涉分别产生相位值为0、2π/3、4π/3的相移, 三步相移干涉特征得以同时获得。
三步相移干涉特征由同步控制采集卡控制的同步CCD1、CCD2、CCD3同时获取, 实现同步相移干涉测量。
1.3抗振特性分析
采用偏振相移的方法获得的三步相移干涉特征分布为
Ii (x, y) =Ia+Ibsin[Δw (x, y) +αi]} i=0, 1, 2 (6)
式中, αi为第i步相移量;wbc (x, y) 、wck (x, y) 为对应被测表面和参考表面的相干波面相位分布;Δw (x, y) 为被测表面和参考表面对应点的相位差。
采用同步偏振相移, 获取α0=0、α1=2π/3、α2=4π/3三步相移干涉特征I0、I1、I2:
由于环境振动干扰, 被测表面在测量过程中存在振动, 每时刻除偏振相移产生的相移外, 还会由于振动引入相位变化, 从而产生一定的相移误差。设被测表面存在振动, V (t) =Vmsin ω t (Vm为最大振幅, ω为振动频率) , 图3为振动引起相移误差示意图。
若采用一般的分时相移, 设相移在时间上间隔为td, 开始相移时间ts是随机的, 每步相移采样时振动引起的相移误差φi等于该时刻振动量Vmsin (ω t) , 即
以三步相移为例, 三步获得的相移分别为
由于时间ts的随机性, 采样间隔td的不一致, 每步的相移误差φi都是不确定的, 可导致大的测量误差。
而采用同步相移技术, α′0=Vmsin ω ts, α′1=2π/3+Vmsin ω ts, α′2=4π/3+Vmsin ω ts。同步采集获得干涉特征为
即由于相移时间上的同步, 使振动引入的相移误差都是Vmsin ω ts。采用相移算法得到干涉相位为[10]
得到表面被测点高度为
由于每个被测点高度都包含相同的误差项λ (Vmsin ω ts) / (4π) , 即由于振动引入的相移误差只是将被测表面的每个点提升了同样的高度, 而对最后被测表面面形误差测量结果没有影响, 故同步相移技术消除了振动引入的测量误差。
2 实验装置与实验结果
为了验证理论分析结果, 模拟了在现场振动情况下的同步相移测量和普通分时相移测量实验, 实验装置如图4所示。其中, 图4a所示为模拟被测样品振动的装置。样品固定于压电陶瓷的一端, 压电陶瓷的另一端固定。压电陶瓷电压输入端接入PZT驱动器, 由PZT驱动器产生一定频率、幅值和波形的电压信号, 驱动压电陶瓷产生动态位移, 带动被测样品做振动, 以模拟现场振动。图4b为同步相移测量系统装置图, 其光源采用5mW He-Ne激光源, CCD为敏通公司的MTV-1881EX黑白CCD, 能实现同步控制, 同步采集卡为西安微视公司生产。
将一个边长为20.0mm的被测Wafer样品固定于压电陶瓷上, 压电陶瓷电压输入端由PZT驱动器输入频率为50Hz、电压值30～110V变化的锯齿波信号, 驱动压电陶瓷产生频率为50Hz、峰值为4.1μm、呈锯齿波变化的动态位移, 带动样品振动。在振动的情况下, 由测量系统分别进行同步和分时相移测量, 同步相移按上述同步相移原理实现, 分时相移由另一PZT在被测表面振动的同时步进驱动参考表面实现。得到的相移干涉图见图5。
将图5中的相移干涉图分别取截面灰度显示, 如图6所示, 图中, 3条曲线之间的错位量对应实际相对相移量。可以看出, 图6a中错位量不均等, 实际相移量远离名义相移量;而在图6b中, 错位量均等, 实际相移量近似等于名义相移量。因此, 在确定的名义相移量情况下, 由于分时采样时刻相对被测表面振动引起相移周期的随机性, 三幅相移干涉图间的实际相移量存在不确定的误差;而同步相移中, 三幅相移干涉图在被测表面振动周期中的同一时刻获取, 实际相移量只与偏振相移产生的准确性有关, 不受振动影响。
将分时和同步采集的干涉图分别送入计算机进行处理, 完成相位信息提取, 计算表面形貌, 得到表面形貌结果分别如图7a和图7b所示。
结果显示, 在振动干扰情况下, 相对于分时相移, 同步相移测量方法较好抑制了振动影响, 取得了理想的测量结果, 而分时相移则由于振动引起相移混乱, 得到不可信的测量结果。
3 结论
针对精密表面加工中的在线在机质量监测问题, 基于波面干涉表面形貌精密测量原理, 结合提出的以偏振相移为基础的同步相移技术, 研究了具有抗振特性的精密表面激光波面干涉测量方案。介绍了偏振干涉同步相移表面测量原理, 分析了其抗振特性, 建构了测量系统实验装置, 并完成了测试实验。分析和测试结果验证了研究的同步相移激光波面干涉测量系统用于在线表面精密测量的适应性。
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