基于激光干涉儀的影像測量儀精度檢測與改善

姚澤龍

深圳市計(jì)量質(zhì)量檢測研究院 廣東 深圳 518000

定位精度屬于對(duì)影像測量儀測量精度形成影響最重要的一個(gè)因素。影像測量儀出于測量要素方面的差異會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)和布局的不同，而在加工與裝配零部件的過程當(dāng)中會(huì)不可避免的出現(xiàn)一定誤差，導(dǎo)致儀器測量失準(zhǔn)甚至失敗的情況發(fā)生。如何利用激光干涉儀對(duì)影像測量儀的精度形成有效檢測與改善，從而完善其整體應(yīng)用性能，值得我們更為深入的探索。

1 精度檢測方法

本次實(shí)驗(yàn)主要利用RenishawXL-80激光干涉儀(其測量精度是0.01μm)就實(shí)驗(yàn)對(duì)象所具備的定位精度進(jìn)行測量。實(shí)驗(yàn)過程主要包括：①將測量儀的坐標(biāo)原點(diǎn)作為實(shí)驗(yàn)參考零點(diǎn)；②在測量軸線之上，相隔20mm的距離設(shè)置一個(gè)測量點(diǎn)；③實(shí)驗(yàn)過程要展開全行程測量，同時(shí)還要作反行程的全程測量；④為避免最終測試結(jié)果出現(xiàn)隨機(jī)誤差的情況，需要反復(fù)進(jìn)行五次測量，所獲測量曲線如圖一所示。

2 常見數(shù)據(jù)圖形

經(jīng)過對(duì)大量相關(guān)文獻(xiàn)的查閱，同時(shí)結(jié)合筆者多年工作經(jīng)驗(yàn)，下面對(duì)幾種較為常見數(shù)據(jù)圖形與其出現(xiàn)的原因加以分析：①三角型。其誤差會(huì)呈現(xiàn)為線性增加狀態(tài)，且誤差處于行程最遠(yuǎn)端時(shí)會(huì)出現(xiàn)躍升。隨后，當(dāng)回程測試到達(dá)軸線起始點(diǎn)的時(shí)候，將會(huì)回到同等位置。這種情況出現(xiàn)的主要原因在于軸線外端導(dǎo)軌出現(xiàn)磨損，從而造成扭擺；②鋸齒型。其測試全程的誤差均會(huì)呈現(xiàn)為增加態(tài)勢，在設(shè)定為零或者基準(zhǔn)值的軸位置誤差會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展。這種情況通常是由于編碼器反饋可靠性較差、死程誤差以及熱機(jī)不到位等情況導(dǎo)致；③燕尾型。在去程測試過程中呈現(xiàn)出向下坡度，而回程測試會(huì)呈現(xiàn)出于去程對(duì)稱的情況。其去程與回程測試間偏差會(huì)隨著軸線與受驅(qū)動(dòng)端之間的相離逐步提升。通常是由于絲杠預(yù)壓或者導(dǎo)軌裝配失誤，繼而造成摩擦力過高情況，導(dǎo)致問題的出現(xiàn)；④周期型。在整個(gè)軸線當(dāng)中呈現(xiàn)出重復(fù)性的周期誤差。與軸同向的俯仰可以維持不變，但是幅度會(huì)呈現(xiàn)出一定變化。通常是由于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中出現(xiàn)故障問題所導(dǎo)致，比如螺距設(shè)計(jì)失誤、編碼器狀態(tài)異常等；⑤交叉線型。正向運(yùn)行形成負(fù)坡度，而反向運(yùn)行會(huì)形成正坡度，主要是由于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)所導(dǎo)致，比如絲杠缺少潤滑油、導(dǎo)軌實(shí)際摩擦力過高等；⑥偏移型。去程與回程兩次測試間呈現(xiàn)為不變垂直偏差，通常是由于反向間隙超出標(biāo)準(zhǔn)范圍導(dǎo)致。

圖一

3 誤差分析和診斷

對(duì)檢測實(shí)驗(yàn)進(jìn)行綜合分析與評(píng)價(jià)可以得知：定位失準(zhǔn)、反向差值過高、熱機(jī)不當(dāng)以及死程誤差等現(xiàn)象的出現(xiàn)，會(huì)給設(shè)備定位精度形成直接的影響，造成零位出現(xiàn)嚴(yán)重漂移。而導(dǎo)致這些現(xiàn)象出現(xiàn)的主要原因包括：

3.1 反向間隙 對(duì)于反向間隙，在不對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整的前提之下，通常可利用設(shè)備自帶軟件開展反向差值補(bǔ)償處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)這一問題的臨時(shí)性處理，但是其穩(wěn)定性依然會(huì)受到相對(duì)較大的影響。所以，需要針對(duì)其根本因素加以考量，準(zhǔn)確核對(duì)與分析導(dǎo)致反向間隙過大問題出現(xiàn)的原因，以設(shè)計(jì)具有針對(duì)性的改善方案。

經(jīng)綜合分析可以發(fā)現(xiàn)，設(shè)備所呈現(xiàn)的單向定位與雙向定位在精度方面都存在偏差較大問題，并且呈現(xiàn)出一定規(guī)律性。通過頭腦風(fēng)暴法對(duì)導(dǎo)致這一現(xiàn)象出現(xiàn)的全部可能性因素進(jìn)行羅列：①無牙螺母中的彈簧片出現(xiàn)松動(dòng)，亦或是過緊；②無牙螺母和光軸的溫升過大；③光軸由于受熱而變長；④電機(jī)座、無牙螺母以及支撐端軸承座之間出現(xiàn)同軸度方面的誤差；⑤支撐端在軸向上的預(yù)緊力不足，亦或是出現(xiàn)浮動(dòng)情況；⑥設(shè)備傳動(dòng)機(jī)構(gòu)出現(xiàn)磨損老化問題；⑦在控制器當(dāng)中所設(shè)定的反向間隙補(bǔ)償值失準(zhǔn)。

3.2 定位不準(zhǔn) 通常情況下，定位不準(zhǔn)會(huì)和反向差值過大問題一同出現(xiàn)，二者間具有一定關(guān)聯(lián)性。其絕大多數(shù)成因都較為相似，此實(shí)驗(yàn)當(dāng)中的設(shè)備，當(dāng)獲得一個(gè)定點(diǎn)指令之后，將會(huì)越過目標(biāo)值，其零點(diǎn)漂移比較嚴(yán)重。越程一般是由于設(shè)備傳動(dòng)機(jī)構(gòu)溫升太高，繼而導(dǎo)致傳動(dòng)軸變長的影響。零點(diǎn)漂移通常是由于三向同心偏差過高、支撐端以及電機(jī)端出現(xiàn)松動(dòng)所造成。所以，本次實(shí)驗(yàn)不再針對(duì)其它相關(guān)性較低的因素進(jìn)行分析，比如光柵尺安裝等。

4 改善和驗(yàn)證

對(duì)主副導(dǎo)軌進(jìn)行重新安裝處理，并保證兩條軌道的直線度為0.005mm，平行度為0.006mm；對(duì)電動(dòng)機(jī)支座、支撐端軸承座以及無牙螺母三者之間的軸向同軸度進(jìn)行重新調(diào)整，數(shù)值為0.005mm；在整機(jī)實(shí)現(xiàn)連續(xù)跑合四十八小時(shí)之后，對(duì)軸線移動(dòng)中正向與側(cè)向直線度進(jìn)行檢測，分別是0.004mm與0.005mm，利用激光干涉儀針對(duì)設(shè)備進(jìn)行處理，完成定位精度測量，以獲得相應(yīng)的測量圖形，如圖二所示。

經(jīng)過相關(guān)數(shù)據(jù)處理與分析，得知實(shí)驗(yàn)后和實(shí)驗(yàn)前相比，設(shè)備的雙向定位精度整體提高了6.83μm，而雙向重復(fù)定位精度則提高了46.5μm，系統(tǒng)偏差提高32.6μm，其反向間隙從以往的7.6μm轉(zhuǎn)變?yōu)?.3μm，使設(shè)備整體精度實(shí)現(xiàn)大幅度提高。

經(jīng)過上文所述過程，可以總結(jié)出以下幾個(gè)方面的結(jié)論：①反向間隙將會(huì)對(duì)設(shè)備實(shí)際定位精度和重復(fù)定位精度形成直接的影響，倘若發(fā)現(xiàn)差值過大，需要針對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)所具備可靠性以及裝配效果等方面加以核查。必要情況下，需要就結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面著手，通過對(duì)整體設(shè)計(jì)的優(yōu)化，促進(jìn)其整體精度與可靠性的提高；②如果傳動(dòng)機(jī)構(gòu)出現(xiàn)松動(dòng)(特別是電動(dòng)機(jī)位置的傳動(dòng)機(jī)構(gòu))將會(huì)導(dǎo)致零位漂移，利用激光干涉儀針對(duì)軸線加以精度檢測處理，結(jié)合分析軟件將其直觀而高效的展示給工作人員，便于對(duì)完善方案的制定；③針對(duì)某些重要部位(而且不需要經(jīng)常拆卸與維護(hù)的部位)，要確保其安裝與緊固效果的可靠性。對(duì)設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的過程當(dāng)中，應(yīng)該充分考量防松因素，明確防松不力對(duì)設(shè)備應(yīng)用形成的危害。針對(duì)彈性聯(lián)軸器和傳動(dòng)部分緊固件，在經(jīng)過裝配與調(diào)整到位之后，利用螺紋膠等作膠合處理，從而強(qiáng)化其防松效果。對(duì)于其它在后期維護(hù)過程中要進(jìn)行拆卸的部件，需要利用增設(shè)彈性墊片的方式，防止松動(dòng)情況的出現(xiàn)；④設(shè)備傳動(dòng)機(jī)構(gòu)越程問題，主要是由于摩擦過大、預(yù)緊力不當(dāng)或者機(jī)構(gòu)不同軸等問題所導(dǎo)致的，需要就傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的熱變形方面入手。有些時(shí)候也跟電動(dòng)機(jī)設(shè)備應(yīng)用性能和質(zhì)量等因素相關(guān)。

圖二

結(jié)束語

總而言之，對(duì)影像測量儀定位精度的有效檢測與完善，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義，能夠有效提高精密檢測效率與質(zhì)量，對(duì)各行業(yè)發(fā)展可以起到良好的推動(dòng)作用，值得廣大科研人員投入更多的時(shí)間和精力對(duì)其進(jìn)行深入研究，在實(shí)現(xiàn)自我價(jià)值的同時(shí)，為國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展注入源源不斷的活力。