工作台平面度检验方法

机床工业被视为衡量一个国家工业化程度的标志。近年来，在航空航天和汽车工业要求和加工精度要求日益提高的今天，机械几何精度仍然是最重要的关键。

为什么要对工作台进行平面度检测？
机床的平面度是几何精度的关键，一般采用水平仪或准直仪进行测量。

首先讲解平面度的定义和平面度的测量路径，讲解直线度的定义、分析方法、计算方法，然后讲解平面度测量的案例，最后讲解什么是平面度的闭误差。期望业界树立正确的测量观念，有效提高现有机床的精度，增强机床的国际竞争力。

机床的安装标准面或直线运动的导向面为平面形状，因此对零件装配和运动精度的平面度要求更为重要。高精度机床不仅提高了机床的质量，而且还维护了它。使用寿命更长。

根据ISO 1101产品几何规格和ISO 230-1机床在空载或精加工条件下的几何精度规格，平面度定义为“机械几何平面偏差的大小”，即平面度定义为虚上下两个平行平面覆盖两个平面之间的最小距离，称为平面度。

实际平面上有无穷多个点。因此，如果按照这个定义来测试平坦度，数据量巨大，实际测试难度大。因此，在实际中，将多个直线组合成一个平面，最后进行误差计算分析。平面测量的测量路径主要有两种：（1）U-JACK（或米字，对角线）。(2) 方格（或方格）。

当工作台较小时（如1000mm x 1000mm以下），无论采用何种测量方法，误差都差不多，但对于大尺寸平台（如4000mm x 2500mm以上的大型龙门机型）使用U-JACK不测的地方很多，整体的平面度误差不太客观。

因此，现行的ISO标准如ISO 10791切削中心机规范和ISO 8636龙门加工机规范均推荐采用网格法进行检验。

根据经验可知，检测大型工作台（如4000mm x 2500mm，跨度500mm）非常耗时，一个人无法完成。因此，建议在大型机床装配的初始平面度检定中采用U-JACK路径测量来确认规格，最后进行网格法检定，可以提高机床装配效率和精度验收控制。

直线度
直线度是实际被测直线（路径）相对于理想直线的变化量。常用的分析方法有端点拟合法、回归法和最小区域法三种。三种方法用两端归零法计算最简单。但最小二乘法和面积法计算复杂，需要借助软件进行分析计算。

两端点返回法的校正线用一条通过测量工作的起点和终点的参考直线表示。测量的直线数据减去校正线生成一条新的直线度数数据，直线上第一点和最后一点的测量值将归零。

当用最小二乘法计算直线度时，就是将测得的直线数据减去这条回归修正线，生成新的直线度数据。中心线由平行于测量轴的直线表示。

面积法是ISO 1101标准的分析方法，是两条平行线，可以覆盖所有的测量值，两条线之间的距离最小。

常用的直线度检查有水平仪和准直仪。测量值均为角度误差。小角度机床的惯用单位是弧秒。角度单位为60位系统，即1度。可以分为60分，1分又分为60弧秒，所以1度=3600弧秒。

另一个角度单位是斜率 (mm/M)。传统气泡水平仪使用的测量刻度是斜率单位；一般气泡水平仪的测量分辨率为0.02/M，通过换算可得到相应的角秒。单位为 0.02 mm/1m≒4arc-sec。直线测量需要满足以下三个条件：

每一步微小角度的测量值（由测量仪器决定）。
每一步的长度（夹具与被测表面的接触长度）。
每步距离的相互关系（链式法则的两点）。

对于第一点，测量仪器确定角度误差值。对于第二点，每一步的长度可以参考图8。如果使用准直器测量，平面镜夹具组模块必须视为固定跨度。距离长度，这是计算的基础。

角度误差用于以固定间隔换算直线度。若假定跨度为斜边，则位移变化为Lsinθ，Lθ也可直接用弦长计算。由于角度误差小，Lsinθ≒Lθ。

第3点每一步的相互关系意味着所有的测量模式必须遵守端到端的连接，链式方法可以用来测量被测对象的误差。

以准直仪测量为例，镜面跨度为103.5 mm，总测量长度为1242 mm。通过测量，可以得到每条线段的角度误差（arc-sec）。相对高度可由H=Lsinθ计算。度数是一个连续误差，所以需要计算累积高度差，然后得到一条连续曲线。最后通过两点归零法，将前后数据减去斜率误差后归零，得到两点归零法的代表线。

水平仪的检查方法说明：通过气泡保持在最高位置的特性，可以检查机床是否处于绝对水平状态，检查角度变化；测量是基于最近且易读的基线，用链式方法测量每条线段的倾斜度，然后将线段连接起来，得到一条连续的曲线（累积位移），即直度。

平面度
进行平面度检测时，需要保证被测表面的绝对水平，避免机器倾斜不平衡影响精度。将水平仪放置在待校准的工作台面上，确保水平仪0度和180度位置的数值相同，建议调整到0.050mm/M以内。

假设水平仪调整好，在0.050mm/m以内（其平面度为零），此时无论水平仪位置如何，得到的答案都是相似的。假设水平面没有调整好，超过0.050mm/m（平面度为零），此时答案就会相差很大，所以调整好基准面更为重要。如果绝对水平低于 0.050 mm/m。

出现上述情况，必须先画平行线，用平行直尺使水平仪保持平直，以消除水平误差。

目前国际上流行的主要是ISO标准网格法进行测量。网格法在测量面上均匀分布，沿每条测量线求直线度，最后由直线度求出表面的整体平面度。以方形平台为例：均匀分布X、Y间距长度，然后测量并记录误差。

关闭错误
所谓闭合误差是衡量平面度测量质量的指标。当使用不同的路径计算测量点处的高度时，闭合误差是指测量点在网格中的最大偏差。关闭错误的来源如下：

液位计与被测表面的温差（不是同一温度）。

改变原来的测量位置或振动的影响。

没有按照正确的程序进行测量。

被测面或水平仪底面脏污。

在仪器稳定之前捕获记录数据（稳定时间不足）。

行进距离未正确连接端到端（略有重叠）。

规划的网格路径不正确。

测量底座的磨损和变形。

测量座晃动的重复性差。

一般闭合误差不能超过最大平面度误差的20%~25%。若超过，应确认关闭错误的根源是否已排除。

建立正确的测量观念，提高机器精度
首先介绍了平面度的定义和平面度的测量路径，然后介绍了直线度的定义、分析方法、计算方法，然后对平面度测量的案例进行了说明，并对闭合误差的来源进行了说明。闭合误差必须在最大误差 20% ~ 25% 以内。工作台平面度是几何精度和装配精度的基础，如主轴与工作台之间X轴/Y轴运动的平行度，主轴轴线与工作台的垂直度， XY平面、XZ平面和YZ平面的垂直度，以上各项都与平面度有相互关系，因此对整机的几何精度影响很大。