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        基于激光干涉儀的圓度誤差測(cè)試研究

        2016-11-04 12:37:48吳倩倩牟智剛
        科技視界 2016年23期

        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]

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