耿京，張堯禹，馮進(jìn)良

（1.長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 130022；2.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長春 130033）

以往的同軸度檢測(cè)系統(tǒng)大多是針對(duì)不同尺寸工件上通孔的同軸度檢測(cè)，而現(xiàn)今的工件加工過程越來越多地涉及到同軸非通孔的加工。工件上同軸非通孔的同軸度對(duì)工件所在儀器的正常、穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)有著重要意義，但傳統(tǒng)的同軸非通孔加工方法存在著測(cè)量困難、加工精度低等問題。

適用于立式機(jī)床的非通孔同軸度檢測(cè)系統(tǒng)可應(yīng)用于立式銑床、立式鏜床等立式機(jī)床上，是一種可實(shí)現(xiàn)同軸非通孔高精度同軸加工的裝置，且運(yùn)用成熟的光電檢測(cè)技術(shù)，原理簡單，操作方便，具有較高的檢測(cè)精度，適用性強(qiáng)，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

1 原理

適用于立式機(jī)床的同軸非通孔檢測(cè)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。激光光源選用650nm紅光半導(dǎo)體激光器；在激光器前端安裝一倒置的望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)，用于準(zhǔn)直激光束；激光器和激光準(zhǔn)直裝置塞入特制的撓性結(jié)構(gòu)三爪定心卡具中，可以裝入立式機(jī)床上的莫氏錐孔中，達(dá)到高精度定心的目的。

在立式機(jī)床的工作臺(tái)上安裝系統(tǒng)特制工作臺(tái)。特制工作臺(tái)分上下兩層；下層固定于機(jī)床工作臺(tái)上，且中心位置安裝有一激光接收裝置；上層則放置被加工工件，上層可相對(duì)于下層做二維平面運(yùn)動(dòng)，在特制工作臺(tái)上層開有若干通孔。特制工作臺(tái)下層安裝的激光接收裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，由帶有中心孔的PSD位置傳感器2（光敏面向后）、半透半反鏡和PSD位置傳感器1組成。當(dāng)激光束通過PSD位置傳感器2上的中心孔進(jìn)入激光接收裝置后，一部分經(jīng)過半透半反鏡在PSD位置傳感器1上形成位置偏移光斑；另一部分被半透半反鏡反射在PSD位置傳感器2上形成角偏轉(zhuǎn)光斑。

圖1 適用于立式機(jī)床的非通孔同軸度檢測(cè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 激光接收裝置

第一步，確定基準(zhǔn)點(diǎn)。將特制的撓性結(jié)構(gòu)三爪定心卡具和激光器、激光準(zhǔn)直裝置裝入立式機(jī)床的莫氏錐孔中，激光束通過特制工作臺(tái)上層的孔被下層的激光接收裝置接收，記錄此點(diǎn)并確定此點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)。激光束確定的位置為加工時(shí)刀具的旋轉(zhuǎn)中心軸。

第二步，加工第一面孔。卸下激光器裝好刀具，不改變機(jī)床工作臺(tái)位置，利用特制工作臺(tái)上下層間的相對(duì)二維平面運(yùn)動(dòng)進(jìn)行對(duì)刀，加工第一面孔。

第三步，確定第二面孔進(jìn)刀位置。將撓性結(jié)構(gòu)三爪定心卡具及激光器、激光準(zhǔn)直裝置裝入已加工好的第一面孔中，翻轉(zhuǎn)被加工工件，要令激光束可以通過特制工作臺(tái)上層的孔。利用特制工作臺(tái)上下層間的相對(duì)二維平面運(yùn)動(dòng)調(diào)整工件位置，使得激光接收裝置接收到激光束且與基準(zhǔn)點(diǎn)重合，確定第二面孔進(jìn)刀位置。

第四步，加工第二面孔。

2 各部分設(shè)計(jì)

適用于立式機(jī)床的同軸非通孔檢測(cè)系統(tǒng)主要由650nm紅光半導(dǎo)體激光器、激光準(zhǔn)直裝置、撓性結(jié)構(gòu)三爪定心卡具、特制工作臺(tái)等組成。

撓性結(jié)構(gòu)三爪定心卡具如圖3所示，采用三點(diǎn)定心撓性結(jié)構(gòu)，利用彈性元件受力均勻變形的性質(zhì)達(dá)到高精度定心目的。激光器及其前端的激光準(zhǔn)直裝置塞入撓性結(jié)構(gòu)三爪定心卡具中與卡具彈簧同心，當(dāng)卡具彈簧受力變形時(shí)，卡具上三爪同時(shí)等量伸縮，從而在尺寸不同的孔中達(dá)到高精度定心；卡具三爪上設(shè)計(jì)有彈性張緊環(huán)，使得卡具可以在重力作用環(huán)境下更加穩(wěn)固。

圖3 定心卡具

特制工作臺(tái)（參照?qǐng)D1所示）主要由雙層工作臺(tái)和激光接收裝置構(gòu)成。雙層工作臺(tái)分為上下兩層；工作臺(tái)下層用于將特制工作臺(tái)固定在機(jī)床工作臺(tái)上和在中心安裝激光接收裝置；工作臺(tái)上層開有若干通孔，可使激光束通過工作臺(tái)上層被工作臺(tái)下層的激光接收裝置接收。工作臺(tái)的上下層間由導(dǎo)軌連接，使得工作臺(tái)上層可相對(duì)于工作臺(tái)下層二維平面運(yùn)動(dòng)。

激光接收裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，用于記錄基準(zhǔn)點(diǎn)位置和校正激光束的位置偏移及角偏轉(zhuǎn)。開有中心孔的PSD位置傳感器2光敏面向后，與PSD位置傳感器1的光敏面相對(duì)；激光束通過PSD位置傳感器2上的中心孔，一部分經(jīng)過半透半反鏡被PSD位置傳感器1接收，此光斑與基準(zhǔn)點(diǎn)比較得出位置偏移量；另一部分被半透半反鏡反射到PSD位置傳感器2的光敏面上，此光斑與基準(zhǔn)點(diǎn)比較得出角偏轉(zhuǎn)量。

3 精度分析

3.1 系統(tǒng)各環(huán)節(jié)精度分析

（1）撓性結(jié)構(gòu)三爪定心卡具定心精度：由加工工藝控制，撓性結(jié)構(gòu)三爪定心卡具定心精度可達(dá)σ1=1.6μm。

（2）準(zhǔn)直后激光束發(fā)散角：系統(tǒng)采用的650nm紅光半導(dǎo)體激光器經(jīng)準(zhǔn)直后測(cè)試得，激光束發(fā)散角為3.28mrad≈0.19°，測(cè)試精度為2"。

（3）PSD位置傳感器精度：系統(tǒng)采用的PSD位置傳感器經(jīng)測(cè)試得，有效感光面積為Φ20mm，響應(yīng)精度σ2=0.4μm。

（4）激光接收裝置裝調(diào)精度：由加工工藝控制，激光接收裝置裝調(diào)精度σ3=3"。

3.2 系統(tǒng)精度綜合

采用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的方法對(duì)各環(huán)節(jié)精度進(jìn)行綜合，在建立的統(tǒng)一的坐標(biāo)系中得出起始坐標(biāo)和作用矩陣，將作用矩陣作用在起始坐標(biāo)上，應(yīng)用Matlab軟件運(yùn)算得出目標(biāo)坐標(biāo)，繼而得出系統(tǒng)整體精度。

系統(tǒng)坐標(biāo)系如圖4所示。設(shè)立式機(jī)床進(jìn)刀方向?yàn)閦軸，x、y構(gòu)成水平面與z軸形成右手坐標(biāo)系。A為激光束起始坐標(biāo)：

圖4 系統(tǒng)坐標(biāo)系

系統(tǒng)精度綜合過程示意圖如圖5所示。從激光器到半透半反鏡，由定心卡具定心誤差及安裝誤差引起激光束偏差，繞x軸旋轉(zhuǎn)α，繞y軸旋轉(zhuǎn)β，沿z軸平移σ1，作用矩陣為：

圖5 系統(tǒng)精度綜合過程

則半透半反鏡及PSD位置傳感器1的入射激光束A1坐標(biāo)為：

從半透半反鏡到PSD位置傳感器2，由激光接收裝置裝調(diào)誤差引起半透半反鏡法向量的偏差，繞x軸旋轉(zhuǎn)σ3，繞 y軸旋轉(zhuǎn)σ3，作用矩陣為：

半透半反鏡法線坐標(biāo)為：

半透半反鏡法線經(jīng)作用矩陣，得新法向量N1坐標(biāo)為：N1=M4M5N。PSD位置傳感器2的入射激光束A2坐標(biāo)為：A2=HA1，其中：

PSD位置傳感器的響應(yīng)精度為0.4μm，激光束的發(fā)散角為0.19°，因此設(shè)定半透半反鏡到PSD位置傳感器2、PSD位置傳感器1的距離均為100mm。忽略高階小項(xiàng)，計(jì)算得出α、β值為1"；系統(tǒng)整體精度σ為：

4 結(jié)論

適用于立式機(jī)床的非通孔同軸度檢測(cè)系統(tǒng)，可應(yīng)用于各種立式加工機(jī)床，由準(zhǔn)直后的激光束確定刀具回轉(zhuǎn)軸，利用激光接收裝置先后兩次接收到的激光光斑位置計(jì)算得出激光束的位置偏移和角度偏轉(zhuǎn)，從而調(diào)整工件位置，實(shí)現(xiàn)在立式機(jī)床上同軸非通孔加工過程的高精度檢測(cè)。經(jīng)計(jì)算，系統(tǒng)精度σ≤6.58μm，精度較高，且理論先進(jìn)，操作簡單，具有良好的應(yīng)用開發(fā)前景。

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