基于激光干涉儀的圓度誤差測試研究

吳倩倩+牟智剛

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

【關鍵詞】圓度誤差；非接觸測量；激光干涉儀

加工精度的提高體現(xiàn)了社會制造業(yè)技術水平的進步，精密、超精密加工已經(jīng)成為現(xiàn)代制造業(yè)中技術競爭的關鍵領域[1]。進給機構插補的輪廓精度直接影響到其加工的工件精度，為了達到高精密加工標準，提高輪廓精度是數(shù)控機床技術研究的重要部分[2]。

圓度誤差是指回轉體的同一正截面上實際輪廓對理想圓的變動量。本文采用雙頻激光干涉儀，給出了一種非接觸、在線測量機床加工圓度的測試方法。試驗結果表明，本文提供的試驗方案能有效地提高測量精度和測量效率，為機床加工圓度的補償研究提供了可行的實驗方案。

1 測量原理

本文以FXYZ型機床為例來說明基于激光干涉儀的圓形軌跡輪廓的測量原理[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，兩臺激光多普勒位移測量儀安放于機床工作臺上，其中一臺測量儀的激光束指向X方向，另一臺激光束指向Y方向。當機床作圓運動時，平面鏡相對于激光束的任何側向平移或者平行移動，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。

機床在作圓運動時，X向激光普勒位移測量儀測得的位移是一條正弦曲線，Y激光普勒位移測量儀測得的位移是一條余弦曲線。將x、y方向測得的位移合成即可合成一個圓，現(xiàn)設激光普勒位移測量儀在x、y方向測得的位移值分別為x（k）、y（k）（k=0、1、2、…、N，N為走一圈的采樣點數(shù)），則實際圓形軌跡的徑向誤差為[5]：

利用激光干涉儀可同時測得參與插補運動的兩個軸的位移，并可獲得相應的進給速度及加速度，也能對對、機床的復雜運動軌跡的動態(tài)誤差也能測量，因此，利用激光干涉儀不僅可以獲得與機床的幾何精度、位置誤差、重復精度有關的信息，還可以方便地獲得與伺服控制系統(tǒng)有關的動態(tài)誤差分量的信息，可以全面反映機床的輪廓加工性能。

2 試驗步驟

步驟一：按照圖1所示在直線電機試驗臺上安裝測試部件。將兩組帶有平面反射鏡的磁座安裝在主軸的X和Y兩個測量方向上，兩組激光頭固定在相應的加工臺上，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調(diào)節(jié)器用以放大光信號強度，安裝過程中要求各個組件牢固、無松動現(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試組件，并通過激光干涉儀的RS-232口連接PC機，打開PC機和激光干涉儀，為讓激光干涉儀穩(wěn)定工作，需開啟半小時后再進行一下步驟。

步驟三：在平面反射鏡上加上磁性對光標靶，驅動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準標靶中心。

步驟四：驅動主軸使反射鏡組遠離激光頭組，調(diào)節(jié)激光頭上反光鏡的調(diào)整螺栓使得激光束對準標靶中心。

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

步驟六：取下磁性對光標靶，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機上的測試位移數(shù)據(jù)軟件，按照測試計劃和程序運行直線電機實驗臺和位移采集軟件，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中看出當加速度a=4m/s2時已經(jīng)產(chǎn)生相當嚴重的偏差，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之間時誤差無明顯變化，進給速度F在2000mm/min到8000mm/min時誤差經(jīng)歷一個先增后減再增的過程。由此可見數(shù)控機床加工圓時，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，速度過小時阻尼力導致圓弧半徑遞減，過大則機床慣性導致反饋不及時而無法保證精確加工軌跡，加速度對數(shù)控機床的影響很大，不宜采用過大的加速度進行圓加工。

4 結論

（1）加速度過大對數(shù)控機床圓度測量結果影響較大，當機床加速度大于4m/s2時，誤差突然增大。加速度在一定范圍內(nèi)，數(shù)控機床才有較高精度。

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

【參考文獻】

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

[2]陳逢軍.非球面超精密在位測量與誤差補償磨削及拋光技術研究[D].湖南大學，2010.

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

[責任編輯：許麗]