第5章 超精密加工的检测、误差补偿技术
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保证零件加工精度的途径：
1）“蜕化”原则，或称“误差避免”原则。
2）“进化”原则，或称“误差补偿”原则。 提高加工精度的途径： 1）隔离和消除误差； 2）误差补偿，用相应的措施去“钝化“、抵消、 均化误差，使误差减小。
概述
加工精度的检测方式
1.离线检测 工件加工完毕后，从机床上取下，在机床旁或在检 测室中进行检测。 2.在位检测 工件加工完毕后，在机床上不卸下工件的情况下进 行检测。 3.在线检测 工件在加工过程中的同时进行检测，又称主动检测、 动态检测。
超精密加工测量技术应用与实例
激光测量表面粗糙度和表面微观形貌
由光源1发出的光线经聚光镜2、滤 色片3、光阑4、及透镜5后成平行光 线，射向半透半反的分光镜7后分成 两束：一束光线透过补偿镜8、物镜 9到平面反射镜10，被10反射又回到 反光镜7，再由7经聚光镜11到反射 镜16，由16进入目镜12；另一束光 线向上通过物镜6，投射到被测零件 表面，由被测表面反射回来，通过 分光镜7、聚光镜11到反射镜16，由 16反射也进入目镜12。这样，在目 镜12的视场内可观察到这两束光线 因光程差而形成的干涉带图形。
误差补偿方法
误差补偿过程
1）反复检测出现的误差并分析，找出规律，找 出影响误差的主要因素，确定误差项目。 2）进行误差信号的处理，去除干扰信号，分离 不需要的误差信号，找出工件加工误差与在补偿 点的补偿量之间的关系，建立相应的数学模型。 3）选择或设计合适的误差补偿控制系统和执行 机构，以便在补偿点实现补偿运动。 4）验证误差补偿的效果，进行必要的调试，保 证达到预期要求。
5.2 在线检测
概述
在线检测就是在加工过 程中，在不影响其他系统正 常工作的情况下完成对所需 物理量的测量。在加工过程 中可以利用在线检测直接检 测零件的尺寸，从而提高产 品的质量，提高劳动生产率。 特别是在批量生产条件下， 研究先进的在线检测技术意 义显得尤为重要。
数控机床在线检测设备
概述
提高加工精度的方法
直线度测量
激光准直法
氦－氖激光器发出的激光的中心 连线构成激光准直测量的一条基 准直线。
当光电接收靶5中心与激光束中心 重合时，指示表指示为零，若靶 子中心偏离激光束中心，指示表 指示出数值即偏差值。测量时首 先将仪器与靶子调整好，然后将 靶子沿被测表面测量方向移动， 便能得到直线度误差的数值。
典型几何量的测量与误差评定方法
第5章
超精密加工的检测、误差补偿技术
5.1 超精密加工精度检测
精 密 测 量 技 术
精密测量技术是机械工业发展的基础和先决条件之 一。由于有了千分尺类量具，使加工精度达到了0.01mm， 有了测微比较仪，使加工精度达到了1µm左右；有了圆度 仪等精密测量一起，使加工精度达到了0.1µm；有了激光 干涉仪，使加工精度达到了0.01µm。 目前在基础工业的某些领域，精密测量已成为不可 分割的重要组成部分。在电子工业部门，精密测量技术 也被提到从未有过的高度。例如制造超大规模集成电路， 目前半导体工艺的典型线宽为0.25µm，正向0.18µm过渡， 2009年的预测线宽是0.07µm。此外，在高纯度单晶硅的 晶格参数测量中，以及对生物细胞、空气污染微粒、石 油纤维、纳米材料等基础研究中，无不需要精密测量技 术。
平面度测量
平晶法
对于精密小平面的平面度误差可 用干涉法测量。该法是以平晶表 面为基准平面，使它与被测平面 接触，在单色平行光照射下，形 成等厚干涉。调整平晶与被测表 面间的相对位置，使之产生较明 显的干涉条纹，然后根据干涉条 纹来评定平面度误差。当条纹数 不足一条时，则根据条纹弯曲程 度来评定平面度误差。
精密测量应考虑 的若干因素
被测对象和 被测量的特性
测量力的 影响
测量环境 条件
精密测量技术
精密测量技术的最新发展
1.极高精度测量方法和测量仪器的发展 2.精密在线自动测量技术的发展 3.测量数据的自动采集处理技术的发展
原 子 力 / 扫 描 隧 道 显 微 镜
三 坐 标 测 量 机
典型几何量的测量与误差评定方法
2）综合型补偿
对工件尺寸、形状和位置误差同时进行综合补 偿，其中包括对尺寸、形状和位置一种误差中的 多项误差进行综合补偿。
5.4 检测设备与仪器
单频激光干涉仪 双频激光干涉仪
光栅尺
精密测量技术
测量的基本概念
为了确定被测量的值而进行实验的过程，其实质是将被测量 与一个公认的标准量进行比较，从而获得两者的比值。
测量过程四要素
测量对象和 被测量
测量 精度 测量单位和 标准量 测量 方法
精密测量技术
精密测量原理
测量原则
比较测量 原则
阿贝比长 原则
圆周封闭 原则
正弦、正切 原则
精密测量技术
误差补偿方法
误差补偿类型
（1）实时与非实时误差补偿 实时误差补偿—加工过程中，实时进行误差检测，并紧接着进行误差补偿，不仅可以 补偿系统误差，且可以补偿随机误差。非实时误差补偿—只能补偿系统误差。 （2）软件与硬件误差补偿 软件补偿—通过计算机对所建立的数学模型进行运算后，发出运动指令，由数控随动 系统完成误差补偿动作。软件与硬件补偿的区分是看补偿信息是由软件还是硬件产生的。 （3）单项与综合误差补偿 综合误差补偿是同时补偿几项误差，比单项误差补偿要复杂，但效率高、效果好。 （4）单维与多维误差补偿 多维误差补偿是在多坐标上进行误差补偿，难度和工作量都比较大，是近几年来发展 起来的误差补偿技术。
误差补偿方法
误差补偿系统的组成
1）误差信号的检测 2）误差信号的处理
1 2
计算机控制系统
3
4
5
3）误差信号的建模
4）补偿控制 5）补偿执行机构
误差补偿系统组成示意图 1－误差信号检测 2－误差信号处理 3－误差信号建模 4－补偿控制 5－补偿执行机构
误差补偿方法
误差补偿技术的发展
1）预报型补偿 Fore－casting Compensatory Control－FCC 技术，利用在线随机建模理论、先进的传感技术、 计算机技术、微位移技术等，对误差进行建模和 预报，对动态误差进行实时补偿。
概述
在线检测的特点与分类
在线检测特点
1）能够连续检测加工过程中的变化，了解在加工过程中误差分布和发展；
2）检测结果能反映实际加工情况； 3）在线检测的难度较大；
4）在线检测大都用非接触传感器，对传感器的性能要求较高；
5）一般是自动运行，形成在线检测系统。
在线检测类型 1）直接检测系统：直接检测工件的加工误差，并补偿
2）间接检测系统：检测产生加工念
在机械加工中出现的误差采用修正、抵消、 均化、“钝化”等措施使误差减小或消除—— 误差补偿。 从狭义的角度分析： 误差修正（校正）是指对测量、计算、预测所得 的误差进行修正（校正)； 误差分离是指从综合测量所得的误差中分离出所 需的单项误差； 误差抵消是指两个或更多个误差的相互抵消； 误差补偿是对一尺寸、形状、位置差值的补足。
直线度测量
激光干涉法
当反射镜7的顶点在光轴上时，频率为f1的偏振光在R1点反射，频率为f2 的偏振光在R2点反射，则汇合光束的两个频率的光程差为零。当反射镜7 的位置偏离光轴时，则频率为f1的偏振光和频率为f2的偏振光的汇合光 束的光程差不为零－测出E值，最后获得被测表面相对激光光轴的偏差。
典型几何量的测量与误差评定方法
典型几何量的测量与误差评定方法
平面度测量
水平面法
用水平面法测量平面度误差时， 基准平面建立在通过被测表面 上某角点，并与水平面平行的 平面上，然后用水平仪按节距 法测出跨距前后两点的高度差， 将水平仪在各段上的读数值累 加，可得各点对起始点得高度 差，通过基面旋转可求出被测 平面得平面度误差
水平仪
1）“蜕化”原则，或称“误差避免”原则。
2）“进化”原则，或称“误差补偿”原则。 提高加工精度的途径： 1）隔离和消除误差； 2）误差补偿，用相应的措施去“钝化“、抵消、 均化误差，使误差减小。
概述
加工精度的检测方式
1.离线检测 工件加工完毕后，从机床上取下，在机床旁或在检 测室中进行检测。 2.在位检测 工件加工完毕后，在机床上不卸下工件的情况下进 行检测。 3.在线检测 工件在加工过程中的同时进行检测，又称主动检测、 动态检测。
超精密加工测量技术应用与实例
激光测量表面粗糙度和表面微观形貌
由光源1发出的光线经聚光镜2、滤 色片3、光阑4、及透镜5后成平行光 线，射向半透半反的分光镜7后分成 两束：一束光线透过补偿镜8、物镜 9到平面反射镜10，被10反射又回到 反光镜7，再由7经聚光镜11到反射 镜16，由16进入目镜12；另一束光 线向上通过物镜6，投射到被测零件 表面，由被测表面反射回来，通过 分光镜7、聚光镜11到反射镜16，由 16反射也进入目镜12。这样，在目 镜12的视场内可观察到这两束光线 因光程差而形成的干涉带图形。
误差补偿方法
误差补偿过程
1）反复检测出现的误差并分析，找出规律，找 出影响误差的主要因素，确定误差项目。 2）进行误差信号的处理，去除干扰信号，分离 不需要的误差信号，找出工件加工误差与在补偿 点的补偿量之间的关系，建立相应的数学模型。 3）选择或设计合适的误差补偿控制系统和执行 机构，以便在补偿点实现补偿运动。 4）验证误差补偿的效果，进行必要的调试，保 证达到预期要求。
5.2 在线检测
概述
在线检测就是在加工过 程中，在不影响其他系统正 常工作的情况下完成对所需 物理量的测量。在加工过程 中可以利用在线检测直接检 测零件的尺寸，从而提高产 品的质量，提高劳动生产率。 特别是在批量生产条件下， 研究先进的在线检测技术意 义显得尤为重要。
数控机床在线检测设备
概述
提高加工精度的方法
直线度测量
激光准直法
氦－氖激光器发出的激光的中心 连线构成激光准直测量的一条基 准直线。
当光电接收靶5中心与激光束中心 重合时，指示表指示为零，若靶 子中心偏离激光束中心，指示表 指示出数值即偏差值。测量时首 先将仪器与靶子调整好，然后将 靶子沿被测表面测量方向移动， 便能得到直线度误差的数值。
典型几何量的测量与误差评定方法
第5章
超精密加工的检测、误差补偿技术
5.1 超精密加工精度检测
精 密 测 量 技 术
精密测量技术是机械工业发展的基础和先决条件之 一。由于有了千分尺类量具，使加工精度达到了0.01mm， 有了测微比较仪，使加工精度达到了1µm左右；有了圆度 仪等精密测量一起，使加工精度达到了0.1µm；有了激光 干涉仪，使加工精度达到了0.01µm。 目前在基础工业的某些领域，精密测量已成为不可 分割的重要组成部分。在电子工业部门，精密测量技术 也被提到从未有过的高度。例如制造超大规模集成电路， 目前半导体工艺的典型线宽为0.25µm，正向0.18µm过渡， 2009年的预测线宽是0.07µm。此外，在高纯度单晶硅的 晶格参数测量中，以及对生物细胞、空气污染微粒、石 油纤维、纳米材料等基础研究中，无不需要精密测量技 术。
平面度测量
平晶法
对于精密小平面的平面度误差可 用干涉法测量。该法是以平晶表 面为基准平面，使它与被测平面 接触，在单色平行光照射下，形 成等厚干涉。调整平晶与被测表 面间的相对位置，使之产生较明 显的干涉条纹，然后根据干涉条 纹来评定平面度误差。当条纹数 不足一条时，则根据条纹弯曲程 度来评定平面度误差。
精密测量应考虑 的若干因素
被测对象和 被测量的特性
测量力的 影响
测量环境 条件
精密测量技术
精密测量技术的最新发展
1.极高精度测量方法和测量仪器的发展 2.精密在线自动测量技术的发展 3.测量数据的自动采集处理技术的发展
原 子 力 / 扫 描 隧 道 显 微 镜
三 坐 标 测 量 机
典型几何量的测量与误差评定方法
2）综合型补偿
对工件尺寸、形状和位置误差同时进行综合补 偿，其中包括对尺寸、形状和位置一种误差中的 多项误差进行综合补偿。
5.4 检测设备与仪器
单频激光干涉仪 双频激光干涉仪
光栅尺
精密测量技术
测量的基本概念
为了确定被测量的值而进行实验的过程，其实质是将被测量 与一个公认的标准量进行比较，从而获得两者的比值。
测量过程四要素
测量对象和 被测量
测量 精度 测量单位和 标准量 测量 方法
精密测量技术
精密测量原理
测量原则
比较测量 原则
阿贝比长 原则
圆周封闭 原则
正弦、正切 原则
精密测量技术
误差补偿方法
误差补偿类型
（1）实时与非实时误差补偿 实时误差补偿—加工过程中，实时进行误差检测，并紧接着进行误差补偿，不仅可以 补偿系统误差，且可以补偿随机误差。非实时误差补偿—只能补偿系统误差。 （2）软件与硬件误差补偿 软件补偿—通过计算机对所建立的数学模型进行运算后，发出运动指令，由数控随动 系统完成误差补偿动作。软件与硬件补偿的区分是看补偿信息是由软件还是硬件产生的。 （3）单项与综合误差补偿 综合误差补偿是同时补偿几项误差，比单项误差补偿要复杂，但效率高、效果好。 （4）单维与多维误差补偿 多维误差补偿是在多坐标上进行误差补偿，难度和工作量都比较大，是近几年来发展 起来的误差补偿技术。
误差补偿方法
误差补偿系统的组成
1）误差信号的检测 2）误差信号的处理
1 2
计算机控制系统
3
4
5
3）误差信号的建模
4）补偿控制 5）补偿执行机构
误差补偿系统组成示意图 1－误差信号检测 2－误差信号处理 3－误差信号建模 4－补偿控制 5－补偿执行机构
误差补偿方法
误差补偿技术的发展
1）预报型补偿 Fore－casting Compensatory Control－FCC 技术，利用在线随机建模理论、先进的传感技术、 计算机技术、微位移技术等，对误差进行建模和 预报，对动态误差进行实时补偿。
概述
在线检测的特点与分类
在线检测特点
1）能够连续检测加工过程中的变化，了解在加工过程中误差分布和发展；
2）检测结果能反映实际加工情况； 3）在线检测的难度较大；
4）在线检测大都用非接触传感器，对传感器的性能要求较高；
5）一般是自动运行，形成在线检测系统。
在线检测类型 1）直接检测系统：直接检测工件的加工误差，并补偿
2）间接检测系统：检测产生加工念
在机械加工中出现的误差采用修正、抵消、 均化、“钝化”等措施使误差减小或消除—— 误差补偿。 从狭义的角度分析： 误差修正（校正）是指对测量、计算、预测所得 的误差进行修正（校正)； 误差分离是指从综合测量所得的误差中分离出所 需的单项误差； 误差抵消是指两个或更多个误差的相互抵消； 误差补偿是对一尺寸、形状、位置差值的补足。
直线度测量
激光干涉法
当反射镜7的顶点在光轴上时，频率为f1的偏振光在R1点反射，频率为f2 的偏振光在R2点反射，则汇合光束的两个频率的光程差为零。当反射镜7 的位置偏离光轴时，则频率为f1的偏振光和频率为f2的偏振光的汇合光 束的光程差不为零－测出E值，最后获得被测表面相对激光光轴的偏差。
典型几何量的测量与误差评定方法
典型几何量的测量与误差评定方法
平面度测量
水平面法
用水平面法测量平面度误差时， 基准平面建立在通过被测表面 上某角点，并与水平面平行的 平面上，然后用水平仪按节距 法测出跨距前后两点的高度差， 将水平仪在各段上的读数值累 加，可得各点对起始点得高度 差，通过基面旋转可求出被测 平面得平面度误差
水平仪