吳倩倩+牟智剛

【摘 要】本文以FXYZ型機(jī)床為試驗(yàn)平臺(tái)，采用了雙頻激光干涉儀，給出了一種非接觸、在線測(cè)量機(jī)床加工圓度的測(cè)試方法，通過最小二乘法分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果表明：機(jī)床加速度和進(jìn)給速度兩個(gè)因素對(duì)圓度誤差產(chǎn)生較大的影響，加工時(shí)合理選用加速度和進(jìn)給速度，能有效減少加工圓度誤差。測(cè)試結(jié)果反映了本文提出的試驗(yàn)方案能有效地提高測(cè)量精度和測(cè)量效率，為今后機(jī)床加工圓度誤差的補(bǔ)償研究提供了可行的實(shí)驗(yàn)方案。

【關(guān)鍵詞】圓度誤差；非接觸測(cè)量；激光干涉儀

加工精度的提高體現(xiàn)了社會(huì)制造業(yè)技術(shù)水平的進(jìn)步，精密、超精密加工已經(jīng)成為現(xiàn)代制造業(yè)中技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵領(lǐng)域[1]。進(jìn)給機(jī)構(gòu)插補(bǔ)的輪廓精度直接影響到其加工的工件精度，為了達(dá)到高精密加工標(biāo)準(zhǔn)，提高輪廓精度是數(shù)控機(jī)床技術(shù)研究的重要部分[2]。

圓度誤差是指回轉(zhuǎn)體的同一正截面上實(shí)際輪廓對(duì)理想圓的變動(dòng)量。本文采用雙頻激光干涉儀，給出了一種非接觸、在線測(cè)量機(jī)床加工圓度的測(cè)試方法。試驗(yàn)結(jié)果表明，本文提供的試驗(yàn)方案能有效地提高測(cè)量精度和測(cè)量效率，為機(jī)床加工圓度的補(bǔ)償研究提供了可行的實(shí)驗(yàn)方案。

1 測(cè)量原理

本文以FXYZ型機(jī)床為例來說明基于激光干涉儀的圓形軌跡輪廓的測(cè)量原理[4]。如圖1所示，將兩塊條狀平面鏡通過磁座固定于主軸頭上，兩臺(tái)激光多普勒位移測(cè)量?jī)x安放于機(jī)床工作臺(tái)上，其中一臺(tái)測(cè)量?jī)x的激光束指向X方向，另一臺(tái)激光束指向Y方向。當(dāng)機(jī)床作圓運(yùn)動(dòng)時(shí)，平面鏡相對(duì)于激光束的任何側(cè)向平移或者平行移動(dòng)，平面反射鏡的反射光與向激光發(fā)射光始終是一致的，且平面鏡寬只要略大于所走的圓弧直徑即可。

機(jī)床在作圓運(yùn)動(dòng)時(shí)，X向激光普勒位移測(cè)量?jī)x測(cè)得的位移是一條正弦曲線，Y激光普勒位移測(cè)量?jī)x測(cè)得的位移是一條余弦曲線。將x、y方向測(cè)得的位移合成即可合成一個(gè)圓，現(xiàn)設(shè)激光普勒位移測(cè)量?jī)x在x、y方向測(cè)得的位移值分別為x（k）、y（k）（k=0、1、2、…、N，N為走一圈的采樣點(diǎn)數(shù)），則實(shí)際圓形軌跡的徑向誤差為[5]：

利用激光干涉儀可同時(shí)測(cè)得參與插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)軸的位移，并可獲得相應(yīng)的進(jìn)給速度及加速度，也能對(duì)對(duì)、機(jī)床的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)軌跡的動(dòng)態(tài)誤差也能測(cè)量，因此，利用激光干涉儀不僅可以獲得與機(jī)床的幾何精度、位置誤差、重復(fù)精度有關(guān)的信息，還可以方便地獲得與伺服控制系統(tǒng)有關(guān)的動(dòng)態(tài)誤差分量的信息，可以全面反映機(jī)床的輪廓加工性能。

2 試驗(yàn)步驟

步驟一：按照?qǐng)D1所示在直線電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上安裝測(cè)試部件。將兩組帶有平面反射鏡的磁座安裝在主軸的X和Y兩個(gè)測(cè)量方向上，兩組激光頭固定在相應(yīng)的加工臺(tái)上，使激光鐳射頭射出的光束經(jīng)過反光鏡反射后分別平行于X軸方向和Y軸方向，反射鏡組和激光頭組在同一高度，激光孔部位安裝光學(xué)調(diào)節(jié)器用以放大光信號(hào)強(qiáng)度，安裝過程中要求各個(gè)組件牢固、無松動(dòng)現(xiàn)象。大氣壓力及環(huán)境溫度傳感器和材料溫度傳感器放置于激光光路附近。

步驟二：連接激光干涉儀各測(cè)試組件，并通過激光干涉儀的RS-232口連接PC機(jī)，打開PC機(jī)和激光干涉儀，為讓激光干涉儀穩(wěn)定工作，需開啟半小時(shí)后再進(jìn)行一下步驟。

步驟三：在平面反射鏡上加上磁性對(duì)光標(biāo)靶，驅(qū)動(dòng)主軸使反射鏡組靠近激光頭組，調(diào)節(jié)安裝位置使得激光束對(duì)準(zhǔn)標(biāo)靶中心。

步驟四：驅(qū)動(dòng)主軸使反射鏡組遠(yuǎn)離激光頭組，調(diào)節(jié)激光頭上反光鏡的調(diào)整螺栓使得激光束對(duì)準(zhǔn)標(biāo)靶中心。

步驟五：反復(fù)第三和第四步驟，使得在主軸移動(dòng)過程中激光束始終在標(biāo)靶中心，確保激光測(cè)量方向與主軸的X軸、Y軸方向一致。

步驟六：取下磁性對(duì)光標(biāo)靶，調(diào)節(jié)反射鏡組上的平面反射鏡調(diào)整螺栓，使激光光速經(jīng)過反射后回到激光頭上的接受孔。

步驟七：打開PC機(jī)上的測(cè)試位移數(shù)據(jù)軟件，按照測(cè)試計(jì)劃和程序運(yùn)行直線電機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)和位移采集軟件，保存位移數(shù)據(jù)。

步驟八：數(shù)據(jù)處理和分析。

3 數(shù)據(jù)處理與分析

從表1中看出當(dāng)加速度a=4m/s2時(shí)已經(jīng)產(chǎn)生相當(dāng)嚴(yán)重的偏差，初步分析可能是由于加速度過大造成加工軌跡滑移，而加速度a位于1m/s2至2.5m/s2之間時(shí)誤差無明顯變化，進(jìn)給速度F在2000mm/min到8000mm/min時(shí)誤差經(jīng)歷一個(gè)先增后減再增的過程。由此可見數(shù)控機(jī)床加工圓時(shí)，并非速度越大或是越小產(chǎn)生的效果越好，而是要介于一定范圍是才有較高精度，速度過小時(shí)阻尼力導(dǎo)致圓弧半徑遞減，過大則機(jī)床慣性導(dǎo)致反饋不及時(shí)而無法保證精確加工軌跡，加速度對(duì)數(shù)控機(jī)床的影響很大，不宜采用過大的加速度進(jìn)行圓加工。

4 結(jié)論

（1）加速度過大對(duì)數(shù)控機(jī)床圓度測(cè)量結(jié)果影響較大，當(dāng)機(jī)床加速度大于4m/s2時(shí)，誤差突然增大。加速度在一定范圍內(nèi)，數(shù)控機(jī)床才有較高精度。

（2）圓度誤差的大小隨著加工進(jìn)給速度是先增后減再增的變化過程，并不是進(jìn)給速度越小，圓度誤差越小。因此，加工時(shí)合理選用進(jìn)給速度，能減少加工圓度誤差。

【參考文獻(xiàn)】

[1]唐立偉，曹勝男.超精密加工輪廓誤差的LC-CCC補(bǔ)償控制[J].云南民族大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，17（3）：274-282.

[2]陳逢軍.非球面超精密在位測(cè)量與誤差補(bǔ)償磨削及拋光技術(shù)研究[D].湖南大學(xué)，2010.

[3]高善平，趙衍青.基于三坐標(biāo)測(cè)量圓度誤差測(cè)量分析[J].電子制作，2014（14）：27-28.

[責(zé)任編輯：許麗]