戴 勁

(哈爾濱工程大學 機電工程學院，哈爾濱150001)

隨著制造業(yè)技術(shù)的發(fā)展，要求零部件加工精度越來越高，在加工過程中存在在線檢測的問題。現(xiàn)有的加工過程只有一個工位，即加工與檢測是相互分離的，要實現(xiàn)對加工過程中工件的檢測，則必須將工件取下，送到檢測部門進行檢測［1－4］。一般的粗加工要求，這一方法是可行的，但在精加工過程中，工件的二次安裝將引起極大的安裝偏差，從而無法根據(jù)檢測數(shù)據(jù)對工件進行精修［5－7］。文中提出一種立體式雙位工作臺，可用于制造業(yè)的加工過程，其主要可解決加工過程的檢測問題。其設(shè)計思想是:設(shè)計的雙位工作臺完全相同，每一工作臺均可作為在線加工工位與在線檢測工位。當被加工件處于在線加工工位時，位于另一工位上的工件處于在線檢測工位，此時可以實現(xiàn)在線檢測。檢測完成后可根據(jù)檢測結(jié)果對工件進行進一步加工，實現(xiàn)加工與檢測過程同時進行，以達到精密加工的目的。

1 撓性陀螺接頭的加工與檢測

慣性導(dǎo)航器件中撓性陀螺接頭件，如圖1 所示。該零件加工要求定位筋厚度一致，其厚度的一致性小于1 μm，最終達到定位筋剛度一致的目的。撓性陀螺接頭件定位筋的加工是通過加工兩側(cè)圓孔形成的，因此在加工過程中要求檢測兩個加工孔的半徑及中心位置，用以保證定位筋的厚度。從目前的手段來看，撓性陀螺接頭件要在加工過程中進行檢測，必須將其取下，檢測完畢后再進行重新安裝，其二次定位偏差大于1 μm，從而使離線檢測變得毫無意義。因此，目前的生產(chǎn)方法加工出的撓性陀螺接頭件定位筋的加工精度是由機床自身決定，最終通過手工研磨達到剛度一致的目的。類似這樣的撓性器件的加工過程完全是一個“開環(huán)環(huán)節(jié)”，無法保證加工的精度，成品率低。

圖1 撓性陀螺接頭Fig．1 Flexible gyro joints

2 雙位工作臺的設(shè)計

文中所設(shè)計的雙位工作臺，如圖2 所示。主要由互相垂直的H 形導(dǎo)軌、工作臺、檢測機構(gòu)、定位機構(gòu)等四部分組成。

圖2 雙位工作臺結(jié)構(gòu)Fig．2 Double-table structure

2.1 H 形導(dǎo)軌

H 形導(dǎo)軌是利用氣浮系統(tǒng)(或其他無摩擦系統(tǒng))和線性驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動x、y 軸運動以達到高速、高準確地直線傳輸與定位，其主要包含驅(qū)動部件與定位檢測部件。

驅(qū)動部件由伺服電機控制，電機的運動量由定位檢測部件的輸出量給反饋信號，對雙位工作臺當前的位置進行驅(qū)動，達到所要求的位置。定位檢測部件由光電開關(guān)和激光干涉儀組成，光電開關(guān)以平臺驅(qū)動到特定位置，會遮斷光而判斷平臺的相對歸零位置和極限位置。激光干涉系統(tǒng)是以雙頻激光與平臺上的反射鏡鏡組組成，其反射光因光程差產(chǎn)生干涉條紋來計算平臺行進和偏轉(zhuǎn)的實時位置。激光由分光器分成三束光，分別導(dǎo)至x 軸、y 軸和θ 角，每束光都會跟平臺上之條狀鏡組反射光產(chǎn)生干涉，經(jīng)由計算可準確得知激光頭和平臺的相對位置。分光鏡將激光頭的光分至三個干涉儀，干涉儀利用入射線與經(jīng)由反射鏡組的光，因為光程差的不同產(chǎn)生干涉，干涉而得的光可利用光纖導(dǎo)入PCB 版中進行量測與計算。整個平臺移動坐標系統(tǒng)和范圍如圖3所示。

圖3 工位臺坐標及范圍示意Fig．3 Station coordinates and range indicate

x 軸運動范圍在±100 mm 之間，y 軸運動范圍在－160～100 mm 之間，相對歸零位置為(－85，－150)，預(yù)留一定的空間用于調(diào)整。該部分工作臺范圍及歸零位置可根據(jù)實驗進行設(shè)計，此處所給的數(shù)據(jù)僅僅是對某種情況而言的。

2.2 工作臺

工作臺為三層立體式結(jié)構(gòu)，如圖4 所示。工作臺可進行二維微位移運動及旋轉(zhuǎn)運動，同時可實現(xiàn)工件安裝后的調(diào)平、調(diào)傾與同心的調(diào)節(jié)。其中，二維微位移運動實現(xiàn)工件在x 與y 方向的微量調(diào)節(jié)，與雙H 形導(dǎo)軌組成宏微調(diào)節(jié)機構(gòu)。旋轉(zhuǎn)運動則為靜壓軸系、密珠軸系和氣浮軸系等，實現(xiàn)高精度的回轉(zhuǎn)運動。工作臺位置的調(diào)整由執(zhí)行機構(gòu)自動完成。

圖4 工作臺基本結(jié)構(gòu)Fig．4 Basic structure of table

2.3 檢測機構(gòu)

檢測機構(gòu)主要由線性檢測器件與圓周檢測器件組成。線性檢測器件用于線位移檢測，根據(jù)不同的精度要求可選擇線性光柵尺和激光干涉儀等，可檢測雙H 形導(dǎo)軌的運動。同時也可檢測工作臺上的二維微位移運動。而圓周檢測器件則用于回轉(zhuǎn)位的定位檢測，同時為工作臺的調(diào)平調(diào)傾起反饋作用。

2.4 定位機構(gòu)

定位機構(gòu)為雙位工作臺換位工作后的定位，其對應(yīng)線位移與角位移定位，在x 與y 方向的線定位精度在十微米量級，對回轉(zhuǎn)的角定位精度在3'量級。自身定位完成后，則由檢測機構(gòu)讀出實際的定位位置，把檢測機構(gòu)讀出的數(shù)據(jù)作為反饋信息送給各自執(zhí)行機構(gòu)，使工作臺換位后的線性定位精度達到亞微米量級，回轉(zhuǎn)定位精度達1″量級。

3 誤差分析

對x－y 平臺而言，其主要誤差來源為激光干涉儀與平臺幾何角度的微小誤差，造成干涉計算結(jié)果的不準確，一般稱之為ABBE 參數(shù)。此參數(shù)有多種，文中分析最重要的兩種。

3.1 平臺驅(qū)動傾斜引起的誤差

當平臺驅(qū)動傾斜時，入射的激光投射在條狀鏡組上，其反射光的位置與實際平臺平面有一微小高度差h，從而造成在不同位置x1時其定位不準，平臺傾斜引起的誤差，如圖5 所示。此誤差項為

由于傾斜角α 很小，式(1)可簡化為

其中，h 的最大值為160 mm，α 最大值為1″，代入式(2)得

此項誤差是線性誤差，是不進行補償情況下的最大誤差值，是造成工作臺定位不準確的主要因素，因此必須控制其大小，或者對其進行補償。實際中一般根據(jù)先驗知識預(yù)判其大小或其規(guī)律，然后在干涉儀中進行實時補償。補償后的誤差是激光干涉儀自身的誤差，為十納米量級。

圖5 平臺傾斜引起的誤差示意Fig．5 Error caused by tiltiny platform

3.2 入射光與平臺不平行引起的誤差

對于“激光干涉儀的入射光與平臺不平行時引起的誤差”是高次誤差項，相對較小，為納米量級。在一般加工與檢測中可忽略不計，但在超精密加工與檢測時必須考慮。

在不同位置x2，偏差角為β 時引起的誤差:

可見，此誤差項與平臺的傾斜角有關(guān)，為非線性誤差。對于中心位置，由于位置量x2=0，因此其誤差為零。隨著位置的不同，其誤差逐漸增大，入射光與平臺不平行引起的誤差仿真，如圖6 所示。

圖6 入射光與平臺不平行引起的誤差仿真Fig．6 Error simulation caused due to platform unparallel with incident

4 結(jié)束語

利用新的設(shè)計思想設(shè)計了立體式雙位工作臺，使在線加工與在線檢測可同時進行，互不影響。立體式雙位工作臺在保證高精度定位的前提下，通過檢測機構(gòu)使工件在換位后能夠位于原來的位置，保證了其換位后位置與換位前位置的一致性，為進一步精加工提供了保證。

［1］宋麗梅，曲興華，王 仲，等．數(shù)據(jù)庫技術(shù)在車身在線測量系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］．計量學報，2002，23(4):259 －262．

［2］賀敬宏．工序加工要求與定位的關(guān)系［J］．長安大學學報，2005，25(4):87 －89．

［3］王兆元，婁 輝．基準位移與加工要求的關(guān)系［J］．工具技術(shù)，1999，33(10):21 －22．

［4］周振寶．保證加工要求必須限制自由度的分析方法［J］．機械設(shè)計與制造，2000(4):58 －59．

［5］王志宏，翁偉強，郭紅娟．在車床上加工要求高的撥塊交叉孔的工裝［J］．機械制造，2004，42(3):62 －64．

［6］鄭添義，陳雅青．異形玻璃自動切割機在線加工及控制技術(shù)［J］．機械設(shè)計與制造，2001(2):67 －70．

［7］陳金國，孫小娟，田 操．衛(wèi)星偏置動量輪3D 模型的優(yōu)化設(shè)與有限元分析［J］．黑龍江科學院學報，2013，23(5):453 －458．

［8］戴向國，傅水根，王先逵，等．數(shù)據(jù)機床的在線加工技術(shù)［J］．制造技術(shù)與機床，2000(10):37 －39．

［9］紫保明，張 浩，高維金，等．基于N 次諧波法的供油凸輪型線的擬合［J］．河北工程大學學報:自然科學版，2010，27(4):59 －61．