白 琨 田一鳴

(合肥學(xué)院先進(jìn)制造工程學(xué)院,安徽 合肥 230601)

1 概述

當(dāng)前各行各業(yè)隨著制造業(yè)的快速發(fā)展,對(duì)產(chǎn)品精度的要求越來(lái)越高,尤其是在高端、精端產(chǎn)業(yè)中,對(duì)產(chǎn)品的加工精度要求從精密加工到超精密加工,不斷提高到目前的優(yōu)于0.03um 的納米加工。產(chǎn)品加工精度好壞的一個(gè)很重要因素是數(shù)控機(jī)床的定位精度CNCPA(Computer Numerical Control Machines Positional Accuracy)。CNCPA 是指所測(cè)機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件在數(shù)控系統(tǒng)控制下運(yùn)動(dòng)時(shí)所能達(dá)到的位置精度[1]。該精度會(huì)對(duì)機(jī)床切削精度產(chǎn)生重要影響,特別在加工孔隙時(shí),會(huì)影響到孔距誤差。因此在機(jī)械制造加工領(lǐng)域,對(duì)數(shù)控機(jī)床定位精度進(jìn)行測(cè)量實(shí)驗(yàn)具有重要的意義。

2 定位精度測(cè)量方法

2.1 一維球列法

天津大學(xué)李書(shū)和[2]較早地提出了采用一維球列法對(duì)機(jī)床定位精度進(jìn)行檢測(cè)。以X 軸的定位精度測(cè)量為例,將球心距高精度標(biāo)定好的一維球列固定在工作臺(tái)上, 使其與X 軸平行,將三維電容傳感器固定在機(jī)床的主軸上。啟動(dòng)X 軸直線運(yùn)動(dòng),測(cè)量一維球列的各球心坐標(biāo),測(cè)量的機(jī)床坐標(biāo)與標(biāo)定的球心距之差就是機(jī)床的定位誤差。該測(cè)量方法的特點(diǎn)是制作一維球列的方法簡(jiǎn)單,不必將各球心嚴(yán)格的控制在一條直線上；價(jià)格較低,性價(jià)比高,可以直接或間接測(cè)量除機(jī)床定位精度以外的其他21 項(xiàng)機(jī)床幾何誤差,以及可以同時(shí)測(cè)量X、Y、Z 方向的誤差。圖1 所示的測(cè)量示意圖為一維球列法。

圖1 一維球列法測(cè)量示意圖

2.2 平面正交光柵法

平面正交光柵法是20 世紀(jì)末出現(xiàn)的測(cè)量技術(shù)[3]。其工作原理是光柵讀數(shù)頭和光柵圓盤(pán)做相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生較大的莫爾條紋,通過(guò)檢測(cè)較易測(cè)量的莫爾條紋的位移測(cè)量出實(shí)際光柵不易直接檢測(cè)的微小位移[4]。其特點(diǎn)是測(cè)量范圍大,可以測(cè)量平面內(nèi)的參數(shù),測(cè)量的精度較高,但是價(jià)格也較為昂貴。圖2 所示的測(cè)量示意圖為平面正交光柵法。

圖2 平面正交光柵法測(cè)量示意圖

2.3 激光干涉法

激光干涉法是以激光的干涉性為基礎(chǔ)進(jìn)行測(cè)量的。利用激光作為長(zhǎng)度基準(zhǔn),對(duì)數(shù)控設(shè)備(加工中心、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等)的位置精度(定位精度、重復(fù)定位精度等)、幾何精度(俯仰扭擺角度、直線度、垂直度等)進(jìn)行精密測(cè)量[5]。其特點(diǎn)是測(cè)量速度快、精度高、價(jià)格高。激光法測(cè)量示意圖如圖3 所示。

圖3 激光法測(cè)量示意圖

3 激光干涉儀的應(yīng)用

胡安繼等[6]采用激光干涉法,利用激光干涉儀分光鏡和旋轉(zhuǎn)鏡的組合,巧妙地解決了斜導(dǎo)軌數(shù)控機(jī)床傾斜軸檢測(cè)難題。通過(guò)光柵式尺位移傳感器對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)位置補(bǔ)償,將機(jī)床運(yùn)動(dòng)定位精度提高近10 倍,極大的提高了數(shù)控機(jī)床加工性能。江彌峰[7]通過(guò)激光干涉儀精度補(bǔ)償,可以大大提升數(shù)控車(chē)床Z 軸的定位精度和重復(fù)定位精度。賈平平[8]利用激光干涉儀對(duì)X 軸連接桿的變形量進(jìn)行了測(cè)量,根據(jù)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的重新設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了精度補(bǔ)償及測(cè)量的穩(wěn)定。蔣興興[9]認(rèn)為激光干涉儀是目前有效測(cè)量數(shù)控機(jī)床螺距誤差和反向間隙的儀器設(shè)備。

從現(xiàn)有的研究成果來(lái)看,較為普遍的測(cè)量方法是采用激光干涉法來(lái)對(duì)機(jī)床定位精度進(jìn)行測(cè)量。雖然設(shè)備價(jià)格高,但其操作較簡(jiǎn)單,測(cè)量速度快,數(shù)據(jù)處理方便。同時(shí),國(guó)內(nèi)大力推動(dòng)校企合作,加深產(chǎn)學(xué)交融,使得高校、科研院所擁有的昂貴激光干涉儀可以方便地為企業(yè)所用,即提高了國(guó)有資產(chǎn)的使用效率,也為企業(yè)節(jié)省了大量的成本。下面就以激光干涉儀測(cè)量某新研發(fā)的多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的定位精度為例,闡述測(cè)量實(shí)驗(yàn)的過(guò)程及數(shù)據(jù)分析。

4 基于激光干涉儀的機(jī)床位置精度測(cè)量

4.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

(1)了解激光干涉儀等精密檢測(cè)儀器的基本工作原理及應(yīng)用方法。

(2)了解激光干涉儀的測(cè)量范圍。

(3)了解激光干涉儀的組成。

(4)掌握基于激光干涉儀進(jìn)行數(shù)控機(jī)床位置精度測(cè)量的操作方法。

4.2 實(shí)驗(yàn)條件

檢測(cè)對(duì)象為某新型六軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的X 軸定位精度。檢測(cè)儀器為激光干涉儀一臺(tái)(型號(hào)為雷尼紹XL-80)。該設(shè)備可以產(chǎn)生非常穩(wěn)定的激光光束,線性測(cè)量精度在整個(gè)環(huán)境范圍內(nèi)精度為±0.5 ppm。測(cè)量環(huán)境見(jiàn)表1。

表1 測(cè)量環(huán)境

4.3 實(shí)驗(yàn)原理

機(jī)床定位精度和重復(fù)定位精度屬于線性測(cè)量,激光干涉儀線性測(cè)量原理如圖4 所示。

圖4 激光干涉儀線性測(cè)量原理

激光發(fā)射器做為光源發(fā)出的光束射入干涉鏡組,然后光束被分成兩路。一路由干涉鏡組的分光鏡分配到干涉鏡組的線性反射鏡上(光束垂直于原來(lái)的光束路徑),進(jìn)而被反射回激光發(fā)射器,該反射光束與原始光束路徑平行,做為參考光束,測(cè)量時(shí)保持不動(dòng)；另一路則直接通過(guò)干涉鏡組的分光鏡進(jìn)入后方的線性反射鏡,并被反射回激光發(fā)射器,該反射光束也與原始光束路徑保持平行,做為測(cè)量光束。在進(jìn)行精度測(cè)量時(shí),干涉鏡組安裝在固定臺(tái)上保持靜止不動(dòng),后方的線性反射鏡組被安裝在被測(cè)軸上,沿線性軸移動(dòng)。由于光的干涉現(xiàn)象,兩路光束的光程會(huì)隨著被測(cè)機(jī)器位置誤差的變化產(chǎn)生差異,該差異在干涉條紋上表現(xiàn)為條紋數(shù)量的變化。激光干涉器的內(nèi)部組件可以檢測(cè)出這些干涉條紋的數(shù)量,并乘以光束波長(zhǎng)的一半,從而得到測(cè)量的長(zhǎng)度,并將這些測(cè)量值與定位系統(tǒng)上的數(shù)值進(jìn)行比較,最終獲得精度誤差。測(cè)量系統(tǒng)搭建如圖5 所示。系統(tǒng)從左到右依次為計(jì)算機(jī)運(yùn)行激光校準(zhǔn)軟件平臺(tái)、XC-80 環(huán)境補(bǔ)償器、XL-80 激光發(fā)射器和光學(xué)鏡組。由于光束波長(zhǎng)與空氣折射率有關(guān),會(huì)隨著空氣的氣溫、壓力、溫度等發(fā)生變化,因此在測(cè)量時(shí)加入了環(huán)境補(bǔ)償器,對(duì)上述環(huán)境參數(shù)的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)地補(bǔ)償,以期消除測(cè)量誤差獲得更加精確的測(cè)量精度。

圖5 測(cè)量系統(tǒng)搭建

4.4 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)啟動(dòng)數(shù)控機(jī)床,將主軸置于測(cè)量軸移動(dòng)方向的近端極限位置。

(2)在機(jī)床主軸合適位置固定線性反射鏡,注意固定位置應(yīng)選在振動(dòng)源較少的位置。

(3)在工作臺(tái)上固定干涉鏡組件,肉眼使之與線性反射鏡相互平行,間隔小于10mm,且盡可能保持高度相同。

(4)開(kāi)啟激光干涉儀,等待5 分鐘左右,激光指示燈逐個(gè)變?yōu)榫G色后即為穩(wěn)定狀態(tài),可以進(jìn)行測(cè)量。調(diào)整主機(jī)的左右移動(dòng)調(diào)整旋鈕、左右偏擺旋鈕和俯仰旋鈕,以及三腳架,使激光頭發(fā)射的激光與干涉鏡組和反射鏡組處于一條直線上,經(jīng)過(guò)幾次調(diào)整,使得儀器在近端到遠(yuǎn)端的全量程范圍內(nèi)接收信號(hào)指示燈全部為綠色且信號(hào)穩(wěn)定,此時(shí)儀器的測(cè)量精度最高。

(5)設(shè)置軟件測(cè)量參數(shù)。機(jī)床定位精度測(cè)量需要設(shè)置的參數(shù)主要包括：測(cè)量軸的移動(dòng)行程、移動(dòng)初始點(diǎn)和停止點(diǎn)、數(shù)據(jù)采集的間距、運(yùn)行次數(shù)等。如表2 所示。

表2 測(cè)量參數(shù)表

(6)將機(jī)床定位測(cè)量的運(yùn)行代碼輸入控制器,測(cè)量前準(zhǔn)備完成。測(cè)量時(shí)機(jī)床的運(yùn)行程序也可通過(guò)數(shù)據(jù)采集軟件CARTO Capture 3.0 自動(dòng)生成數(shù)控G 代碼；將G 代碼拷入機(jī)床,進(jìn)行機(jī)床精度測(cè)量的運(yùn)行操作。

(7)軟件中點(diǎn)擊采集,啟動(dòng)機(jī)床程序時(shí)行數(shù)據(jù)采集測(cè)量。

(8)測(cè)量結(jié)束后運(yùn)用CARTO Explore 3.0 軟件進(jìn)行自動(dòng)數(shù)據(jù)分析,見(jiàn)表3 和圖6。

4.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

雷尼紹激光干涉儀自帶數(shù)據(jù)分析軟件,導(dǎo)入采集數(shù)據(jù),選擇測(cè)量標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)行結(jié)果分析。從表3 和圖6 中可以得出,該機(jī)床在測(cè)量的范圍內(nèi)被測(cè)軸軸線的雙向定位精度為14.6μm,正向方向的軸線定位精度為11.7μm,反向軸線單向定位精度為14.3μm。利用這些數(shù)值對(duì)機(jī)床的加工路徑進(jìn)行補(bǔ)償,使機(jī)床加工精度達(dá)到最優(yōu)。實(shí)際測(cè)量時(shí)需要注意光學(xué)鏡組的安裝位置,尤其是線性反光鏡的位置。由于線性反光鏡是移動(dòng)鏡組,所以當(dāng)機(jī)床運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的微小振動(dòng)都會(huì)對(duì)其測(cè)量誤差帶來(lái)較大的波動(dòng),且采集點(diǎn)的誤差隨機(jī)性很大,這必然會(huì)給機(jī)床定位補(bǔ)償帶來(lái)不確定性,進(jìn)而使得加工精度不能保證。

圖6 采樣三合曲線圖

表3 精度性能分析表

5 結(jié)論

5.1 用激光干涉法對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行定位精度測(cè)量已經(jīng)成為目前普遍采用的方法。

5.2 激光干涉儀的使用范圍廣泛,不僅僅用于數(shù)控機(jī)床定位精度的測(cè)量,且其測(cè)量軟件功能強(qiáng)大,提供了各種標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)分析結(jié)果,曲線圖等。

5.3 通過(guò)對(duì)激光干涉儀測(cè)量機(jī)床定位精度的實(shí)驗(yàn)闡述,可以看出其實(shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)單,儀器操作易掌握,測(cè)量精度和測(cè)量效率高。