高同軸度、非通孔的在線加工技術(shù)研究

耿京，張堯禹，馮進良

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

以往的同軸度檢測系統(tǒng)大多是針對不同尺寸工件上通孔的同軸度檢測，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工件所在儀器的正常、穩(wěn)定運轉(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量困難、加工精度低等問題。

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

1 原理

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

在立式機床的工作臺上安裝系統(tǒng)特制工作臺。特制工作臺分上下兩層；下層固定于機床工作臺上，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，上層可相對于下層做二維平面運動，在特制工作臺上層開有若干通孔。特制工作臺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。當激光束通過PSD位置傳感器2上的中心孔進入激光接收裝置后，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 適用于立式機床的非通孔同軸度檢測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 激光接收裝置

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

第二步，加工第一面孔。卸下激光器裝好刀具，不改變機床工作臺位置，利用特制工作臺上下層間的相對二維平面運動進行對刀，加工第一面孔。

第三步，確定第二面孔進刀位置。將撓性結(jié)構(gòu)三爪定心卡具及激光器、激光準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上層的孔。利用特制工作臺上下層間的相對二維平面運動調(diào)整工件位置，使得激光接收裝置接收到激光束且與基準點重合，確定第二面孔進刀位置。

第四步，加工第二面孔。

2 各部分設(shè)計

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

撓性結(jié)構(gòu)三爪定心卡具如圖3所示，采用三點定心撓性結(jié)構(gòu)，利用彈性元件受力均勻變形的性質(zhì)達到高精度定心目的。激光器及其前端的激光準直裝置塞入撓性結(jié)構(gòu)三爪定心卡具中與卡具彈簧同心，當卡具彈簧受力變形時，卡具上三爪同時等量伸縮，從而在尺寸不同的孔中達到高精度定心；卡具三爪上設(shè)計有彈性張緊環(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（參照圖1所示）主要由雙層工作臺和激光接收裝置構(gòu)成。雙層工作臺分為上下兩層；工作臺下層用于將特制工作臺固定在機床工作臺上和在中心安裝激光接收裝置；工作臺上層開有若干通孔，可使激光束通過工作臺上層被工作臺下層的激光接收裝置接收。工作臺的上下層間由導軌連接，使得工作臺上層可相對于工作臺下層二維平面運動。

激光接收裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，用于記錄基準點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；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，此光斑與基準點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，此光斑與基準點比較得出角偏轉(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σ1=1.6μm。

（2）準直后激光束發(fā)散角：系統(tǒng)采用的650nm紅光半導體激光器經(jīng)準直后測試得，激光束發(fā)散角為3.28mrad≈0.19°，測試精度為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

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

系統(tǒng)坐標系如圖4所示。設(shè)立式機床進刀方向為z軸，x、y構(gòu)成水平面與z軸形成右手坐標系。A為激光束起始坐標：

圖4 系統(tǒng)坐標系

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為：

半透半反鏡法線經(jīng)作用矩陣，得新法向量N1坐標為：N1=M4M5N。PSD位置傳感器2的入射激光束A2坐標為：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，計算得出α、β值為1"；系統(tǒng)整體精度σ為：

4 結(jié)論

適用于立式機床的非通孔同軸度檢測系統(tǒng)，可應(yīng)用于各種立式加工機床，由準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，實現(xiàn)在立式機床上同軸非通孔加工過程的高精度檢測。經(jīng)計算，系統(tǒng)精度σ≤6.58μm，精度較高，且理論先進，操作簡單，具有良好的應(yīng)用開發(fā)前景。

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