机床工具线性测量的误差分析

戈 娟，井溢涛

（1.齐鲁工业大学 机械与汽车工程学院，山东 济南 250353；2.济南铸造锻压机械研究所有限公司，山东 济南 250306）

机械加工工业的快速发展，对机床精度、稳定性都提出了更为严格的要求，同时对机床附带的工具、夹具、刀具也提出了更高要求，同时对与之配套的测量设备也提出了更为苛刻的要求。本论文仅从机床配件-刀具安装、位置检测过程中分析可能存在的误差，对提高整台机床的精度提供了技术支持。针对目前国内市场上出现的检测设备基本上是基于计算机、CCD、光学影像于一体的测量设备，这种设备无论是在软件上还是硬件上都存在相应的误差[1、2]。

为此，基于机床上的圆柱刀具精确对刀，借助某公司开发的机床工具测量仪[3]进行误差分析，根据在实际使用的过程中存在着软件及硬件相应的误差,主要是针对线性尺寸测量时产生的误差进行分析。以下是从十字光标线、工件轴线的平行度、、及镜头放大倍数三个方面进行误差分析。

1 十字光标线的误差

该检测设备的工作原理是基于光学成像系统，借助光学镜头、CCD在电脑上捕捉到被测刀具的影像，通过移动十字光标线的位置获得测量结果。十字光标线在电脑屏幕上也是有宽度的，依据光学镜头不同的放大不倍数测得的线宽也是不一样的。在测量过程中，选取标准线宽为128。不同的放大倍数下，十字光标线的线宽也是不同的。本次实验选取了三种放大倍数：40×、120×、200×。如表 1 所示。

表1 不同放大倍数下的线宽值

被测工件在制造过程中，测量精度要求在20um以内，测量精度和选取的线宽有直接关系，故理论上线宽越窄误差越小，然而线宽窄到一定程度，肉眼不易分辨，同样会带来较大的误差。在尽量减小测量人员误差的前提下，经多次试验，选取标准线宽为128时，放大倍数为120倍时，进行测量误差是最小的。

2 被测工件轴线对测量精度的误差

检测过程中，选取一把普通圆柱刀具作为标样，工件圆柱表面V型块、托架及锁紧螺钉定位夹紧。如图1所示，装夹时因夹紧力位置、方向不同，导致工件轴线与水平线发生倾斜，倾斜角度为0.7°时，实际值为79.985mm，测量值为79.980mm，测量值比实际值小6μm。被测工件越长，误差值就越大。所以，测量中应尽可能保证被测工件的轴线水平。

图1 工件具受力夹紧变形图

3 放大倍数对测量精度的误差

在实际测量中，光学镜头的放大倍数对测量精度也有影响。实验过程中，我们选择3种放大倍数进行6次测量（如表2所示），标准棒阶梯长为79.985mm。对数据进行分析，如图2所示。

表2 不同放大倍数下的测量值

图2 不同放大倍数下的测量值

放大倍数为40×——图2中线1所示（表3）

平均误差为：Δ=79.9863-79.985=-0.0013

标准差为:Sn=0.00415

表3 放大倍数为40×的测量值

放大倍数为120×——图中线2所示（表4）

依据上述公式，可计算出

平均误差为Δ=79.9852-79.985=0.0002

表4 放大倍数为120X的测量值

标准差：Sn=0.002

放大倍数为200×——图中线3所示（表5）

依据上述公式，可计算出

平均误差为Δ=79.9815-79.985=-0.0035

标准差：Sn=0.0027

表5 放大倍数为200X的测量值

三种放大倍数下,实测值与标准值的偏差与方差如表6所示。

我们用平均值来反映的这三组数据的平均水准，用标准差则是来反应反映这三组数据的离散程度，方差越小这组数据越稳定，围绕平均值波动的程度就越小。由上表可知，当放大倍数为120倍时，平均值越接近实际值，偏差越小，结果也越稳定。

4 结论

从三个方面分析了检测装置的误差来源，简单定量分析了三种误差的大小，最终选出了最优组合，为测量人员在今后的测量过程中提供了一个测量依据，对实际生产有着指导性的意义。

[1]陶志健.刃口钝化参数检测系统设计中关键问题的研究[D].大连：大连工业大学，2011.

[2]武汉大学测绘学院测量平差学科组.误差理论与测量平差基础[M].第二版.武汉：武汉大学出版社，2003：12-50.

[3]陈应州.基于图像处理的几何参数测量系统[J].大连轻工业学院学报，2003，22（4）：293-295.