基于雙頻激光干涉儀的重型數(shù)控機床定位精度測量

王勝，何強，衛(wèi)江，李莎

(1.陜西廣播電視大學(xué) 工程管理系，陜西 西安 710119;2.安陽工學(xué)院 機械工程學(xué)院，河南 安陽 455000)

0 引言

隨著大型機械裝備市場需求的日益增加，作為加工大型及特大型零部件的加工設(shè)備——重型數(shù)控機床的關(guān)注度也越來越高。除了要求機床本身體積大，縱向進(jìn)給系統(tǒng)距離長之外，對其定位精度和重復(fù)精度也有一定的標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，對重型數(shù)控機床本身的精度測量是提高精度的基礎(chǔ)。常用的機床精度檢測方法有金屬線紋尺、步距規(guī)、和雙頻激光干涉儀等工具進(jìn)行測量。［1-2］本文的研究對象為0 系列重型數(shù)控車床，其結(jié)構(gòu)特點是尺寸規(guī)格大，縱向進(jìn)給距離可達(dá)20 000 mm，根據(jù)國標(biāo)GB/T 17421.1－2000的規(guī)定，對研究對象定位精度及重復(fù)定位精度的測量利用雙頻激光干涉儀更為合適。故本實驗采用近年來應(yīng)用較多的由英國Renishaw 公司生產(chǎn)的ML10 雙頻激光干涉儀進(jìn)行測量［3］。得到研究對象的三個精度常用參數(shù):定位精度、單向重復(fù)定位精度和雙向重復(fù)定位精度。為進(jìn)一步提高精度提供分析數(shù)據(jù)。

1 測量過程

1.1 測量儀器介紹

雷尼紹ML10 雙頻激光干涉儀雷尼紹是一種檢測直線度、垂直度、俯仰與偏擺、平面度、平行度的高精密測量儀器，其主要參數(shù)如下［4］:

1)線性:0.5 ppm;

2)測量范圍:40 m(1D 可選80 m);

3)線性分辨力:0.001 um;

4)偏擺角和俯仰角的精度:0.005 mm/m ;

5)最大范圍:4 mm/m ;

6)滾動角精度:1.0 角秒;

7)直線度精度:0.005 mm/m;

8)直線度最大范圍:500 um;

9)垂直度精度:0.005 mm/m。

1.2 測量原理(圖1)

當(dāng)這一束激光到達(dá)分光鏡時，它被分成反射光束和發(fā)射光束。這兩束光傳播到反射鏡后，都被反射到分光鏡的同一個位置，分光鏡對兩個光束進(jìn)行調(diào)制后，直接把光束傳送到激光發(fā)射器中，從而使這兩束光在探測器中產(chǎn)生干涉條紋。根據(jù)光的疊加和干涉原理，凡光程差等于波長整數(shù)倍的位置，振動加強，產(chǎn)生明條紋;凡光程差等于半波長奇數(shù)倍的位置，振動減弱，產(chǎn)生明暗條紋。要對線性測量進(jìn)行設(shè)定，使用隨附的兩個外加螺絲將其中的一個線性反射鏡安裝在分光鏡上。這個組合裝置稱為“線性干涉鏡”，它形成激光光束的參考光路。線性干涉鏡放置在XL 激光頭和線性反射鏡之間的光路上。分光鏡機架上標(biāo)有兩個箭頭，指示其方向。箭頭應(yīng)指向兩個反射鏡。

圖1 激光干涉儀線性測量原理圖

來自激光頭的光束進(jìn)入線性干涉鏡，在此光束被分成兩束。一束光(稱為參考光束)被引向裝在分光鏡上的反射鏡，另一束光(測量光束)則穿過分光鏡到達(dá)線性反射鏡2。然后，兩束光都被反射回分光鏡，重新匯合后回到激光器，激光器內(nèi)的探測器辨識兩束光之間的干涉。

在測量過程中，一個光學(xué)組件保持靜止不動，另一個光學(xué)組件沿線性軸移動。通過監(jiān)測測量光束和參考光束之間的光路差異的變化，得到定位精度值。

1.3 測量步驟

根據(jù)國標(biāo)GB/T17421.2－2000 中的規(guī)定，縱向進(jìn)給傳動系統(tǒng)定位精度和重復(fù)定位精度測量時，采用階梯循環(huán)運動方式，走刀行程為800 mm，選擇了10 個目標(biāo)位置和測量5 次進(jìn)行測量，滿足了至少選擇5 個目標(biāo)位置及每個方向測量5 次的要求。并且分別在車床縱向方向選取三段進(jìn)行了測量。

1.4 測量結(jié)果及分析

圖2 和圖3 分別為縱向1 000 mm 和7 000 mm 位置時測量段內(nèi)定位精度測量圖。

圖2 第一位置時測量段內(nèi)定位精度測量圖

從圖2 可以看出，第一位置時測量段內(nèi)定位精度(離導(dǎo)軌最左端1 000 mm 處車床縱向進(jìn)給時的主要精度為:單向(↓)重復(fù)定位精度R 為25.541 μm，單向(↓)定位精度A 為31.708 μm，雙向重復(fù)定位精度為43.680 μm。

圖3 第二位置時測量段內(nèi)定位精度測量圖

從圖3 可以看出，第二位置時測量段內(nèi)定位精度(離導(dǎo)軌最左端7 000 mm 處車床縱向進(jìn)給時的主要精度為:單向(↓)重復(fù)定位精度為13.895 μm，單向(↓)定位精度為17.293 μm，雙向重復(fù)定位精度為42.896 μm。

2 結(jié)語

1)對實驗數(shù)據(jù)分析可以得出:第二段即離導(dǎo)軌最左端7 000 mm 處車床縱向進(jìn)給時的單向定位精度指標(biāo)符合國標(biāo)GB/T 23569－2009 規(guī)定，雙向重復(fù)定位精度不符合要求;第一段即離導(dǎo)軌最左端1 000 mm 處車床縱向進(jìn)給時的單向定位精度指標(biāo)基本符合國標(biāo)GB/T 23569－2009規(guī)定，雙向重復(fù)定位精度不符合要求。

2)由于現(xiàn)場測試溫度及其他干擾因素，引起測試數(shù)據(jù)變化較大。

3)對于長位移重型數(shù)控機床定位精度的測量，探索利用虛擬檢測方法很有必要。［5］

［1］孟凱，喬煒，駱朝輝.先進(jìn)檢測儀器在數(shù)控機床精度驗收中的應(yīng)用［J］.組合機床與自動化加工技術(shù)，2003，11(5)76-77.

［2］T.Suzuki，K.Kobayashi，O.Sasaki REAL－time displacement measurement with a two－wave length simulation phase modulating laser diode interferometer Appl Opt 2000，39:2646-2652.

［3］B.Chen，R.Zhu，Z Wu，D.Li，S.Guo Nanometer measurement with a dual Fabry－Perot interferometer Appl Opt 2001，40(31):5632-5637.

［4］雷尼紹中國公司主頁:http://www.renishaw.com.cn.

［5］王勝，劉宏昭，原大寧.重型數(shù)控臥式車床定位精度激光測量與誤差補償［J］.西安理工大學(xué)學(xué)報，2011，27(3):271-274.