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

12 Испытания на геометрическую точность функциональных поверхностей станка. Прямолинейность, плоскостность, перпендикулярность и параллельность

 

12.1 Погрешность прямолинейности функциональных поверхностей станка

12.1.1 Общие положения

Для таких измерений существуют два метода, базирующиеся на измерении расстояний или на измерении углов.

Эталоны прямолинейности могут быть либо материальными предметами (например, поверочная линейка, натянутая проволока), либо физическими факторами (например, для прецизионного уровня - сила тяжести, а для лазерного интерферометра, автоколлиматора и поверочного телескопа - световой луч).

12.1.2 Методы, базирующиеся на измерении расстояний

12.1.2.1 Общие положения

Функциональные поверхности станка контролируют с использованием специальных метрологических кареток и физических эталонов прямолинейности. Датчики линейных перемещений устанавливают на метрологической каретке, которая перемещается вдоль интересующей поверхности напротив эталона. Таким образом, обеспечено получение данных о величине отклонений измеряемой поверхности от прямолинейности. Для измерения прямолинейности функциональных поверхностей станка применимы также методы, описанные в 8.2.2.

12.1.2.2 Метод поверочной линейки (см. 8.2.2.1)

12.1.2.3 Метод натянутой проволоки и поверочного микроскопа (см. 8.2.2.2)

12.1.2.4 Метод поверочного телескопа (см. 8.2.2.3)

12.1.3 Методы, базирующиеся на измерении углов

12.1.3.1 Общие положения

В этих методах специальная метрологическая каретка соприкасается с контролируемой поверхностью в двух точках - P и Q, отстоящих друг от друга на расстоянии d (см. рисунок 87). Метрологическая каретка перемещается по тому пути, на котором позиции P₀Q₀ и P₁Q₁ считаются пригодными для измерения угла при условии, что P₁ совпадает с Q₀. Углы и в плоскости, включающей линию измерения и перпендикулярной измеряемой поверхности, измеряют подходящим инструментом, таким как уровень, автоколлиматор или угловой лазерный интерферометр.

Примечание 1 - Поверхность между опорами метрологической каретки не подлежит контролю этим методом.

 

 

1 - измерительный эталон; d - расстояние между точками

соприкосновения между метрологической кареткой

и испытуемой поверхностью

 

Рисунок 87 - Измерение прямолинейности

на базе измерения углов

 

Соответствующие разности расстояний между последовательно измеряемыми точками рассчитывают по уравнению (18)

 

. (18)

 

Примечание 2 - Эталоном для данного измерения служит горизонтальное положение прецизионного уровня, а также произвольно установленный стандартный угол автоколлиматора или углового лазерного интерферометра.

 

Расстояние между точками измерения P_i и эталоном рассчитывают уравнением (19):

 

. (19)

 

Точки P_i наносят, как показано на рисунке 88, с ними сопоставляют стандартную прямую линию, на основе которой рассчитывают отклонения от прямолинейности и, соответственно, погрешность прямолинейности.

 

 

1 - погрешность прямолинейности; 2 - конечная точка

эталона прямой линии; 3 - измерительный эталон

 

Рисунок 88 - Расчет погрешности прямолинейности

на базе измерения углов

 

Для измерения используют или эталон прямой линии для зоны минимальных значений, или эталон прямолинейности наименьших квадратов, или эталон прямой линии для конечной точки (см. рисунки 7 - 9).

Опоры P и Q метрологической каретки должны иметь площадь, достаточную для минимизации воздействия недостаточности поверхности соприкосновения. Для минимизации отклонений необходимо тщательно готовить опоры к измерению, очищая поверхности, которые могут оказывать воздействие на результаты по всей длине измерений.

Эти методы применимы также для расстояний большой длины, но в данных случаях величину d следует выбирать таким образом, чтобы можно было избежать большого числа показаний и, соответственно, увеличения интегральной погрешности.

12.1.3.2 Метод прецизионного уровня

Измерительным инструментом служит прецизионный уровень, который последовательно позиционируется вдоль контролируемой линии, как указано в 12.1.3.1. Эталоном служит горизонтальный уровень устройства для измерения малых углов в вертикальной плоскости (см. рисунок 87).

Если линия, подлежащая измерению, не является горизонталью, уровень устанавливают на опоре, изогнутой под нужным углом (см. рисунок 88). Во время проверки линии AB уровень вместе со своей опорой должен придерживаться постоянного направления [например, при помощи направляющей поверочной линейки (см. рисунок 89)].

 

 

1 - прецизионный уровень; 2 - специальный угловой суппорт;

3 - направляющая поверочная линейка; - угол наклона

поверхности к горизонтали

 

Рисунок 89 - Измерение погрешности прямолинейности

вдоль негоризонтальной линии с использованием

углового суппорта

 

Такой уровень позволяет проверять прямолинейность только в вертикальной плоскости. Для проверки линий в других плоскостях требуются иные методы (например, натянутая проволока и микроскоп).

12.1.3.3 Метод автоколлимации

В этом методе автоколлиматор устанавливают коаксиально (соосно) с эталоном прямолинейности (см. рисунок 90). Подвижное зеркало устанавливают на метрологической каретке перпендикулярно оптической оси прибора. Любые повороты этого зеркала вокруг горизонтальной оси вызывают вертикальные смещения изображения на сетчатке глаза в фокальной плоскости (см. 8.4.2.2 и ISO/TR 230-11).

 

 

1 - автоколлиматор; 2 - эталон прямолинейности;

M - подвижное зеркало на метрологической каретке;

d - расстояние между ножками метрологической каретки

 

Рисунок 90 - Измерение прямолинейности

с применением автоколлиматора

 

12.1.3.4 Метод с использованием углового лазерного интерферометра

Используемый в этом методе интерферометр устанавливают жестко на том компоненте станка, на котором находится линия, подлежащая проверке на прямолинейность (см. рисунок 91).

 

 

1 - источник лазерного излучения; 2 - угловой лазерный

интерферометр; 3 - двойной зеркальный отражатель

на метрологической каретке; d - расстояние

между ножками метрологической каретки

 

Рисунок 91 - Измерение прямолинейности

с использованием углового лазерного интерферометра

 

12.1.3.5 Метод трех последовательных точек

В этом методе датчик линейных перемещений, установленный на метрологической каретке (см. рисунок 92), используют для обнаружения локальных изменений угла наклона. Расстояние между датчиком и одной из ножек метрологической каретки должно быть равно расстоянию d между ножками каретки.

 

 

1 - метрологическая каретка; 2 - датчик линейных

перемещений; d - расстояния между тремя точками контакта

 

Рисунок 92 - Измерение прямолинейности

методом трех последовательных точек

 

Датчик линейных перемещений измеряет высоту подъема его наконечника, контактирующего с контролируемой поверхностью, относительно линии, проходящей между двумя другими ножками каретки, также соприкасающимися с поверхностью, подлежащей проверке. После снятия показаний измерительный инструмент перемещается на расстояние d, равное шагу каретки, и процедура измерения повторяется.

В каждой позиции измеряют действительную разность углов наклона линий, соединяющих точки на измеряемой поверхности, находящиеся под ножками каретки. Относительные высоты точек, по которым прошла каретка, вычисляют с помощью двойной интеграции результатов измерения. Датчик линейных перемещений тщательно настраивают таким образом, чтобы показания равнялись нулю, если ножки инструмента перемещаются по прямой поверхности.

Неверная настройка используемого измерительного инструмента дает в результате постоянный радиус искривления на прямой поверхности.

Для определения прямолинейности рассчитывают высоту подъема точек измерения над этой поверхностью при помощи следующего уравнения (20):

 

, (20)

 

где h_j - высота подъема контролируемой поверхности в точке j;

s_j - показания датчика линейных перемещений в точке j.

12.1.4 Погрешность прямолинейности базовых пазов или базовых поверхностей столов

В случае прямого измерения погрешности измерительный инструмент считывает показания отклонений в плоскости, перпендикулярной к линии PQ, с высотой подъема, стремящейся к минимуму (см. рисунок 93). Метрологическая каретка лежит плашмя на столе (предпочтительно на ограниченных поверхностях S₁ - S₃) и охватывает две функциональные несущие поверхности P и Q, на которых лежит линия, подлежащая проверке (см. рисунок 93). Датчик линейных перемещений, считывающий показания поверочной линейки, показывает отклонения от прямолинейности в плоскости, перпендикулярной контролируемой поверхности с высотой подъема h, стремящейся к минимуму (см. также рисунок 93).

 

 

1 - поверочная линейка; 2 - датчик линейных перемещений;

3 - метрологическая каретка; 4 - контролируемая

поверхность; d - шаг между точками измерения

 

Рисунок 93 - Измерение погрешности

прямолинейности стандартного паза стола

 

В случае измерения прямолинейности методом, базирующимся на угловых отклонениях, расстояние d (см. рисунок 94) определяет шаг между точками измерения.

 

 

P, Q - точки контакта; S₁, S₂, S₃ - коаксиальные

(соосные) опорные точки; d - шаг точек измерения

 

Рисунок 94 - Метрологическая каретка, используемая

для измерения погрешности прямолинейности стандартного паза

 

Погрешности прямолинейности более сложной, например составной, стандартной поверхности (см. рисунок 95) измеряют в функциональных плоскостях (линии HH и VV), не перпендикулярных испытуемой плоскости.

 

 

1 - контролируемая поверхность; P, Q - контактные точки

метрологической каретки; S₁, S₂, S₃ - контактные точки

контролируемой поверхности

 

Рисунок 95 - Функциональные плоскости HH и VV для измерения

погрешности прямолинейности составных поверхностей

 

12.1.5 Погрешность прямолинейности направляющих станка

Проверка направляющих станка включает измерение погрешности прямолинейности и может быть выполнена только при условии доступности функциональных поверхностей. Если функциональные поверхности направляющих не доступны, следует проверять погрешность прямолинейности перемещения (см. 8.2). Такую погрешность всегда проверяют в функциональной плоскости. Как правило, ими можно считать либо горизонтальную плоскость (линия HH на рисунках 95, 96), либо вертикальную (линия VV на рисунках 95, 96), однако определенные конструкции станков могут составлять исключение (см. рисунок 97).

Примечание 1 - Направляющие продолговатой формы не должны быть прямыми в функциональной плоскости, поскольку производителем могут быть определены особые формы.

 

 

Рисунок 96 - Функциональные плоскости HH и VV для измерения

погрешности прямолинейности направляющих станка

 

 

 

 

1 - функциональная плоскость

 

Рисунок 97 - Функциональные плоскости

направляющих на наклонной станине станка

 

Направляющие поверхности могут компоноваться по следующим видам:

a) одна плоскость или несколько маленьких секций, соединенных между собой;

b) несколько узких плоских секций, цилиндрические направляющие или то и другое в комплекте.

Примечание 2 - Направление обработки может быть обеспечено либо направляющими станка, либо более сложными устройствами, комплектность которых нельзя нарушать без воздействия на геометрию станка.

 

12.1.6 Погрешность прямолинейности V-образных поверхностей

Метрологическая каретка должна опираться на измеряемую поверхность в четырех точках. Для устойчивости она должна также в дополнительной точке опираться поверхностью, отличной по форме от измеряемой поверхности.

Дополнительная точка опоры не должна оказывать силовое воздействие на позиционирование перемещающегося компонента.

 

 

1 - незакрепленный шарик; 2 - цилиндр, свободно

размещенный в выемке (см. рисунок 99)

 

Рисунок 98 - Измерение погрешности прямолинейности

V-образной поверхности при помощи метрологической каретки

и шарика или цилиндра, свободно размещенного в выемке

 

 

 

 

1 - дополнительная точка опоры; d - расстояние

между точками опоры; P и Q - точки опоры на цилиндре

 

Рисунок 99 - Измерение погрешности прямолинейности

с использованием цилиндрической опоры, свободно

размещенной в обратном V-образном пазу

 

12.1.7 Погрешность прямолинейности цилиндрических поверхностей

Метрологическая каретка перевернутой V-образной опорой закреплена на цилиндре на четырех мягких прокладках (см. рисунки 100, 101).

 

 

1 - дополнительная точка опоры

 

Рисунок 100 - Метрологическая каретка для измерения

погрешности прямолинейности цилиндрической поверхности

с применением обратной V-образной опоры

 

 

 

 

1 - дополнительная точка опоры; d - расстояние

между точками опоры; P и Q - точки опоры на цилиндре

 

Рисунок 101 - Перевернутая V-образная опора метрологической

каретки для измерения погрешности прямолинейности

цилиндрических поверхностей

 

Дополнительная точка опоры не должна оказывать силовое воздействие на позиционирование перемещающегося компонента.

12.1.8 Погрешность прямолинейности отдельных вертикальных поверхностей

Метрологическая каретка контактирует в двух точках, P и Q, с поверхностью, подлежащей измерению. Для управления кареткой требуются три дополнительные точки, которые следует выбирать таким образом, чтобы исключить их воздействие на позиционирование двух функциональных контактных точек (см. рисунки 102, 103).

 

 

1 - стандартная прямая плоскость

 

Рисунок 102 - Измерение погрешности прямолинейности

вертикальной поверхности с использованием

метрологической каретки

 

 

 

 

1 - дополнительные точки опоры; d - расстояние

между основными точками опоры

 

Рисунок 103 - Метрологическая каретка, применяемая

для контроля вертикальных поверхностей

 

Если погрешность прямолинейности определена прямым измерением отклонений, этот процесс следует производить на плоскости, перпендикулярной к контролируемой поверхности, через одну из контактных точек, а если измерения производят посредством метода угловых отклонений, шаг измерения определен расстоянием d.

12.1.9 Погрешность прямолинейности поверхностей в конструкциях с наклонной станиной

В таких случаях функциональная поверхность перемещающегося компонента находится под некоторым углом к горизонтальной плоскости (см. рисунок 97). Погрешность прямолинейности измеряют в функциональной плоскости (линия AB) и в плоскости, перпендикулярной к ней.