關(guān)于光纖接頭V型微槽超精密機床的誤差預(yù)估的研究
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作者：張毅
光纖接頭V型微槽超精密機床是一個復(fù)雜的機械系統(tǒng)，誤差預(yù)估的設(shè)計變量數(shù)目眾多，誤差模型復(fù)雜，實踐證明傳統(tǒng)的基于參數(shù)方程和數(shù)理統(tǒng)計理論的誤差預(yù)估方法遠遠不能滿足實際要求。目前，用于超精密機床的誤差預(yù)估研究方法有Wills-Moren法、Thompson法、均方根法和蒙特卡洛法等。考慮到機床的精度水平是由各零件的誤差最終體現(xiàn)，想要提前知道零件的加工質(zhì)量就必須進行機床的誤差預(yù)估。本文將針對光纖接頭V型微槽超精密機床使用均方根法進行誤差預(yù)估，進而預(yù)測該機床的加工精度。
1 光纖接頭V型微槽超精密機床簡介
光纖接頭V型微槽超精密機床是廣東工業(yè)大學(xué)微電子精密制造技術(shù)與裝備教育部重點實驗室設(shè)計與制造的一臺加工最大工件尺寸為150 mm×150 mm×10 mm的超精密加工機床，主要用于微V溝槽、微柱面槽、導(dǎo)光槽、背光模組及劃片等的超精密加工。它有三個直線運動軸和一個超精密主軸，直線運動軸采用直線電機驅(qū)動，主軸采用全閉環(huán)反饋控制，海德漢超精密光柵尺，能達到很高的分辨率。機床實際調(diào)試圖如圖1所示。圖1中標(biāo)出了三個直線運動軸的正方向。
2均方根( RMS)原則在機床誤差預(yù)估中的應(yīng)用
均方根(Root Mean Square，RMS)原則是由Robert R Donaldson首次提出并應(yīng)用于超精密機床的誤差預(yù)估中。他利用超精密測量儀器得到N個變化的誤差源的振幅，然后經(jīng)過一系列的計算得出工件的加工誤差，而且他假設(shè)所有單個誤差項都是可以線性疊加并且是不相關(guān)的。實際操作過程如下：①尋找各個誤差源，并確定它們的波峰一波谷(Peak to Valleyamplitude，P-V)振幅；②使用均方根(RMS)原則進行超精密機床的誤差預(yù)估。
2.1 尋找誤差源
用光纖接頭V型微槽超精密機床加工光纖接頭V型微槽的形狀誤差是由刀具和工件的相對空間位置誤差造成的，它不會是一個空間或時間上的理想輪廓。按照誤差源的特點可將誤差源分成4個部分：穩(wěn)定性誤差、基于長度的誤差、基于時間的誤差和其他誤差。
光纖接頭V型微槽超精密機床的穩(wěn)定性誤差源及其波峰一波谷振幅如表1所示�？紤]到機床在X向誤差對加工精度影響不大，可忽略不計。
超精密機床對溫度具有很強的敏感性，當(dāng)溫度大于或小于20℃時，機器運轉(zhuǎn)，光柵尺就會發(fā)生細微的形狀變化，故機床需要放置在恒溫隔震的環(huán)境中，否則在加工過程中不可避免地會造成機床導(dǎo)軌的熱變形，因此在設(shè)計過程中必須考慮溫度變化對加工過程的影響。
光纖接頭V型微槽超精密機床基于長度的誤差源及其P-V振幅如表2所示。表2中，使用線位移誤差近似表示角位移誤差來簡化計算過程。
阿貝誤差是溜板在光柵尺上運動時偏離導(dǎo)軌運動方向造成的誤差，其值可以用溜板的傾斜和偏航運動進行計算，以此來表示光柵尺反饋裝置與刀具或者工件之間的距離，偏離的平均值用激光干涉儀進行測量。當(dāng)機床溫度改變的時候，金屬部件之間由于熱膨脹系數(shù)不同所產(chǎn)生的影響就不可忽略。例如，由于溜板是金屬的而底座是花崗巖的，這會引起X軸和Z軸方向垂直度的改變。由于垂直度對于工件精度有很大影響，還會影響溜板的傾斜角度誤差，因此需要對軸進行誤差補償。
光纖接頭V型微槽超精密機床基于時間的誤差源及其P-V振幅如表3所示。
基于時間的誤差是由機床預(yù)熱期間的熱效應(yīng)產(chǎn)生的，在這種情況下，溫度漸變引起的機床漂移將最終由必要的加工時間和均勻分布的誤差決定。機床的每一個提供動力的部件產(chǎn)生的熱量都會造成機床形狀的改變，如果機床沒有被完全預(yù)熱起來，那么理解這種現(xiàn)象就可以幫助操作者來預(yù)估加工誤差。
光纖接頭V型微槽超精密機床的其他誤差源及其P-V振幅如表4所示。
其他誤差包含的誤差源不會容易地掉進之前的誤差源中，這種情況下，誤差一直是一樣的，是不變的值。無論工件的尺寸、進給速度或間歇時間多長，由于刀具邊緣的帶狀缺損區(qū)域會產(chǎn)生同樣的振幅誤差，主軸的同步誤差都會在工件的中心表現(xiàn)出來。
表1、表2、表3和表4中的部分?jǐn)?shù)據(jù)是參考或經(jīng)驗數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源參照參考文獻[5]。
2.2使用均方根(RMS)原則進行誤差預(yù)估
分別使用式(1)、式(2)和式(3)計算所有誤差源的算術(shù)和(E\)、均方根和(ER)以及算術(shù)和與均方根和的平均值(EM)[6]：
其中：E，為每個誤差源的振幅；K為比例系數(shù)，它的取值是由誤差源的概率分布類型決定的，由于本文的各個誤差源都符合正態(tài)分布，故K取值為0. 25。
所以，使用均方根(RMS)原則計算的最大誤差為：
其中：ErVY為y向的平均值；EMZ為Z向的平均值。代人相關(guān)參數(shù)，計算得到的結(jié)果如表5所示。
3結(jié)論
本文詳細介紹了先進的光纖接頭V型微槽超精密機床的誤差預(yù)估過程。文中對每個誤差源及其振幅都進行了數(shù)值標(biāo)定，并且使用均方根原則的方法將誤差預(yù)估的全過程展現(xiàn)出來。通過均方根法得到光纖接頭V型微槽超精密機床的預(yù)估形狀誤差為937.3nm。在以后的研究中我們將深入研究單個誤差項對預(yù)測誤差的影響規(guī)律，為超精密機床的設(shè)計提供更加可靠的誤差預(yù)估方法。
4摘要：誤差預(yù)估是超精密機床設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)，在系統(tǒng)的設(shè)計階段用來預(yù)測和控制超精密機床的總誤差。首先介紹了誤差預(yù)估在超精密機床設(shè)計中的重要作用，對本實驗室設(shè)計制造的光纖接頭V型微槽超精密機床進行簡單介紹，詳細說明了均方根(RMS)原則在超精密機床誤差預(yù)估中的應(yīng)用并計算得到預(yù)估誤差值。
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