ГОСТ ISO 230-1-2018. Межгосударственный стандарт. Нормы и правила испытаний станков. Часть 1. Геометрическая точность станков, работающих на холостом ходу или в квазистатических условиях

8.2 Испытания на отклонения от прямолинейности перемещения

8.2.1 Общие положения

Отклонения от прямолинейности перемещения компонентов металлорежущего станка, перемещающихся по линейной траектории, непосредственно влияют на прямолинейность и плоскостность поверхности, а равно и на форму, положение и ориентацию геометрических характеристик детали, обрабатываемой этим станком.

Методы измерения отклонений от прямолинейности перемещения базируются на измерении отклонений от эталона прямолинейности. Эталоном прямолинейности может служить физическое тело: поверочная линейка, натянутая струна или базовая линия, образуемая световым лучом оптического устройства. Эталон прямолинейности размещают приблизительно параллельно направлению перемещения движущегося компонента (подобно показаниям приборов на обоих концах рабочего хода). Измерительный инструмент обеспечивает показания отклонений расстояния между эталоном прямолинейности и траекторией перемещения (отклонения от прямолинейности) в различных равномерно распределенных по всей длине измерения точках. Следует измерять относительное отклонение между двумя поверхностями станка - несущей инструмент и несущей обрабатываемую заготовку.

Примечание - На измерение погрешности прямолинейности перемещения влияет отклонение линии измерения из-за сопутствующего углового отклонения перемещения салазок, а также из-за гипоидного смещения (смещения Брайана [10]; см. рисунок 41). Следовательно, аналогичные испытания, выполняемые для таких же перемещений в разных позициях, могут дать различные результаты. На рисунке 41 пример воздействия углового смещения дан для , где L означает длину гипоидного смещения.

 

 

1 - линейное перемещение; L - длина гипоидного смещения;

e - отклонение за счет углового и гипоидного смещения;

- угловое смещение

 

Рисунок 41 - Пример воздействия углового отклонения

перемещения салазок на измерение погрешности прямолинейности

 

8.2.2 Измерительные установки и инструменты

8.2.2.1 Поверочная линейка и датчик линейного перемещения

В такой установке эталоном прямолинейности служит поверочная линейка. Такую установку используют для измерения отклонений от прямолинейности в горизонтальном и в вертикальном направлениях. Для измерения отклонений от прямолинейности в вертикальном направлении линейка должна иметь опору в двух точках, что обеспечивает минимальное отклонение из-за воздействия гравитации (см. ISO 230-11 по вопросу выбора оптимальных опор).

Датчик линейного перемещения располагают как можно ближе к функциональной точке перемещаемого компонента. Измерения производят посредством перемещения датчика вдоль поверочной линейки или путем перемещения самой линейки и записывают полученные показания [см. рисунок 42 a)].

 

 

a) Нормальная установка

 

 

b) Реверсивная установка

 

1 - поверочная линейка; 2 - линия измерения; 3 - точки

опоры линейки с двух сторон; 4 - датчик линейного

перемещения; 5 - стол станка

 

Рисунок 42 - Пример установки для измерения

прямолинейности с использованием поверочной линейки

 

В процессе получения данных измерения учитывают известную погрешность самой поверочной линейки. Если же эта величина неизвестна, ее следует определять и вычитать из показаний отклонений от прямолинейности в горизонтальной плоскости, используя метод реверсирования, описанный в 8.2.2.1.1.

8.2.2.1.1 Реверсивный метод измерения отклонений от прямолинейности с использованием поверочной линейки

Для измерения отклонения от прямолинейности линейного перемещения в горизонтальной плоскости используют также реверсивный метод измерения.

Особенностью такого метода является то, что допускается проводить измерения с использованием обеих сторон поверочной линейки и подлежащего проверке линейного перемещения (см. рисунки 42 и 43).

 

 

1 - погрешность прямолинейности оси X в направлении оси

Y[S(X)_max]; 2 - погрешность поверочной линейки;

E₂ - координата показаний при реверсивном измерении;

X - позиции оси X; от a до h - позиции измерения;

E_YX - отклонение от прямолинейности перемещения оси X

в направлении оси Y; E₁ - координата показаний

при нормальном измерении; M - числовое значение E₁ и E₂

 

Рисунок 43 - Определение реверсивным методом отклонения

от прямолинейности перемещения и погрешности поверочной

линейки

 

После первой серии измерений записывают показания для нормальной установки [см. рисунок 42 a)] и вычерчивают кривую E₁, представленную на рисунке 43; затем поверочную линейку поворачивают на 180° вокруг своей продольной оси, а датчик линейного перемещения устанавливают таким образом, чтобы можно было снимать показания напротив той же самой поверхности поверочной линейки [см. рисунок 42 b)]. Перемещая салазки станка, повторяют те же измерения, что отражены на рисунке 42 a), записывают показания и строят кривую E₂ (см. рисунок 43).

На обе кривые отклонений - E₁ и E₂ - оказывают влияние как погрешность прямолинейности эталонной стороны поверочной линейки, так и погрешность прямолинейности перемещения линейной оси. Однако благодаря особой конфигурации обеих установок вероятность пренебречь этим воздействием вычисляют алгебраическими уравнениями (9) и (10). На рисунке 43 средняя кривая M представляет отклонения эталонной поверхности поверочной линейки от прямолинейности. Применяют следующие уравнения:

 

; (9)

 

, (10)

 

где M(X) - отклонение эталонной поверхности поверочной линейки от заданной позиции измерения оси X;

S(X) - отклонение от прямолинейности оси перемещения в заданной позиции измерения оси X;

E₁(X) и E₂(X) - данные, полученные в результате нормального и реверсивного измерения.

8.2.2.2 Микроскоп и натянутая проволока

Стальную проволоку диаметром около 0,1 мм натягивают приблизительно параллельно направлению перемещения, подлежащему контролю (см. рисунок 44). Траекторию перемещения в горизонтальной плоскости относительно натянутой проволоки измеряют установленным на шпинделе станка микроскопом [или иными средствами, такими как бесконтактный датчик линейного перемещения или фотоэлектрическое устройство, например полупроводниковая камера для преобразования светового изображения в цифровое посредством прибора с зарядовой связью (CCD)] (см. ISO/ТР 230-11).

 

 

1 - шпиндель; 2 - микроскоп; 3 - натянутая проволока;

4 - груз (нагрузка); 5 - стол станка

 

Рисунок 44 - Измерение отклонений от прямолинейности

перемещения с использованием натянутой проволоки

и микроскопа

 

Натянутую проволоку часто используют как предпочтительное воплощение эталона прямолинейности для измерения отклонений от прямолинейности в горизонтальной плоскости на крупных станках.

Установленным горизонтально микроскопом можно измерять отклонения от прямолинейности перемещения и в вертикальной плоскости, если известна стрела прогиба используемой проволоки в каждой точке, но крайне затруднительно определять стрелу прогиба в каждой точке с адекватной точностью. Следовательно, вообще не рекомендуется использовать устройство с натянутой проволокой для измерения отклонений от прямолинейности перемещения в вертикальной плоскости.

8.2.2.3 Поверочный телескоп (оптическая труба)

При использовании поверочного телескопа (см. рисунок 45) оптическую ось телескопа принимают за эталон прямолинейности.

 

 

1 - боковая поверхность заготовки; 2 - боковая поверхность

инструмента (позиция 1); 3 - боковая поверхность инструмента

(позиция 2); 4 - поверочный телескоп; 5 - микрометр

со шкалой отсчета показаний; 6 - перекрестье микроскопа;

7 - испытуемый объект; 8 - источник света; 9 - измеренное

отклонение

 

Рисунок 45 - Измерение погрешностей прямолинейности

с использованием поверочного микроскопа

 

Для проведения измерения необходимо уточнить положение инструмента относительно обрабатываемой заготовки. Телескоп устанавливают на том компоненте станка, который перемещает заготовку, а объект испытания - на том компоненте, который перемещает инструмент. Объект испытания должен быть перпендикулярным относительно проверяемой оси перемещения. Центр объекта испытания располагают максимально близко к функциональной точке (см. ISO/TR 230-11). Расстояние между оптической осью телескопа и центром объекта испытания считывают либо непосредственно по перекрестью микроскопа, либо при помощи оптического микрометра (см. ISO/TR 230-11). Оптическая ось телескопа должна быть достоверно юстирована параллельно траектории линейного перемещения проверяемой оси.

Любая причина изменения местоположения поверочного телескопа заставит его оптическую линию изменить положение. Полученные в этом случае результаты не отражают истинную прямолинейность, которая должна быть на обрабатываемой заготовке при ее закреплении в разных точках стола станка. Такую ситуацию можно частично исправить установкой телескопа на боковой поверхности стола, кинематика которой поддерживается через стол.

Повышенное внимание следует уделять установке телескопа, особенно если есть подозрения по поводу искривления поверхности стола. Наилучший результат может быть получен при надежной фиксации телескопа, используемой как опора жесткой заготовки, связанной со столом.

Примечание 1 - В случаях большой длины хода на погрешность измерения влияют изменения коэффициента преломления (рефракции) воздуха, которые резко способствуют отклонению светового луча, который отклоняется от прямой линии примерно на 0,46 при вертикальном градиенте температуры 1 °C/м [11].

Примечание 2 - Поворачивая весь телескоп и испытуемый объект, можно обеспечить возможность измерять прямолинейность линии в любой другой плоскости.

Примечание 3 - Некоторые поверочные телескопы позволяют обнаруживать смещение одновременно в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

 

8.2.2.4 Поверочный лазер

При использовании поверочного лазера за эталон прямолинейности принимают его луч. Измерения проводят с целью конкретизации положения инструмента относительно обрабатываемой заготовки. Головку лазера устанавливают на компоненте станка, несущем заготовку, а служащий мишенью четырехквадрантный фотодиод - на компоненте, несущем инструмент. Центр детектора следует размещать максимально близко к функциональной точке (см. ISO/TR). Горизонтальные и вертикальные отклонения детектора относительно луча лазера следует записывать. Любое изменение местоположения детектора заставит оптическую ось поверочного лазера изменить ее положение. Полученные в этом случае результаты не отражают истинную прямолинейность, которая должна быть на обрабатываемой заготовке при ее закреплении в разных точках стола станка. Такую ситуацию можно частично исправить установкой поверочного лазера на той боковой поверхности стола, кинематика которой поддерживается через стол (см. ISO/TR 230-11). Особое внимание следует сосредоточить на фиксации поверочного лазера, в частности на ситуации, когда предполагается искривление поверхности стола. Наилучшие результаты могут быть получены при надежном закреплении поверочного лазера на моделирующей жесткую заготовку опоре, жестко связанной со столом. Следует придерживаться инструкции производителя измерительного инструмента (см. ISO/TR 230-11).

Примечание - В случае большой длины рабочего хода на погрешность измерения оказывают влияние пространственные изменения коэффициента преломления воздуха, который в значительной мере способствует отклонению светового луча, достигающего примерно на 10 м длины хода при вертикальном градиенте температуры 1 °C/м [11]. Для достижения лучшего результата следует предусматривать фен для перемешивания воздуха, окружающего лазерный луч, в дополнение к усреднению показаний за счет увеличения числа повторения измерений.

 

8.2.2.5 Лазерный интерферометр прямолинейности

Наиболее общепринятый лазерный интерферометр для измерения прямолинейности состоит из призмы Уолстона и двухзеркального отражателя. Осевая линия этого отражателя устанавливает эталон для измерения прямолинейности. Изменение положения призмы Уолстона по отношению к оси симметрии двухзеркального отражателя выполнено интерферометром.

Измерения следует проводить с целью конкретизации данных положения инструмента относительно обрабатываемой заготовки. Двухзеркальный отражатель следует устанавливать на компоненте станка, несущем обрабатываемую заготовку, а призму Уолстона - на компоненте, несущем инструмент.

Менять оптические компоненты и методы измерения следует с учетом инструкций производителя (см. ISO/TR 230-11 и ISO/IEC, руководство 99).

Любая связанная с местоположением причина может заставить оптическую ось рефлектора изменить ее положение. Полученные в этом случае результаты не отражают истинную прямолинейность, которая должна быть на обрабатываемой заготовке при ее закреплении в разных точках стола станка. Такую ситуацию можно частично исправить установкой рефлектора на боковой поверхности, кинематика которой поддерживается через стол (см. ISO/TR 230-11). Особое внимание следует сосредоточить на фиксации двухзеркального отражателя, в частности на ситуации, когда предполагается искривление поверхности стола. Наилучшие результаты могут быть получены при надежном закреплении рефлектора на моделирующей жесткую заготовку опоре, связанной со столом кинематически.

Все оптические инструменты, например лазерные интерферометры прямолинейности, поверочные телескопы, чувствительны к изменениям характеристик воздуха. Рекомендуется перед измерениями проверять воздушные потоки (см. ISO/TR 230-11 и ISO/IEC, руководство 99).

8.2.3 Процедура измерения и анализ данных

Все компоненты станка, перемещение которых является объектом испытаний, должны перемещаться по ряду позиций всего интересующего диапазона хода. Интервалы измерений не должны превышать 25 мм для осей длиной 250 мм. Для более длинных осей этот интервал не должен превышать 1/10 длины оси. На каждой позиции мишени станок не должен оставаться дольше, чем на ранее зарегистрированной позиции.

Измерения можно проводить в непрерывном режиме ("на лету") в зависимости от применяемого измерительного оборудования и при использовании металлорежущего станка по назначению.

Снижение скорости перемещения при нормальной скорости подачи должно соответствовать измерительному оборудованию и оснастке, применяемым или предназначенным для использования на данном металлорежущем станке.

Подлежащие анализу данные базируются на определениях, приведенных в 3.4.9 и 3.4.10. Предпочтительно графическое представление результатов.

В число данных, которые следует записывать, входят: дата испытания, характеристики станка и используемого инструмента, положение линии измерения, расстояние до обрабатываемой заготовки (координаты начальной и конечной точек), метод анализа (определение эталона прямолинейности, число ходов, средние значения), режим обработки (непрерывный или прерывистый), время остановки, скорость подачи, положение осей не в период проведения испытаний, используемые компенсации, принятые условные обозначения и направление подачи.