基于雙頻激光干涉儀的重型數(shù)控機(jī)床定位精度測(cè)量

王勝，何強(qiáng)，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(yáng)工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，河南 安陽(yáng) 455000)

0 引言

隨著大型機(jī)械裝備市場(chǎng)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(jī)床的關(guān)注度也越來(lái)越高。除了要求機(jī)床本身體積大，縱向進(jìn)給系統(tǒng)距離長(zhǎng)之外，對(duì)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(duì)重型數(shù)控機(jī)床本身的精度測(cè)量是提高精度的基礎(chǔ)。常用的機(jī)床精度檢測(cè)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(cè)量。［1-2］本文的研究對(duì)象為0 系列重型數(shù)控車(chē)床，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是尺寸規(guī)格大，縱向進(jìn)給距離可達(dá)20 000 mm，根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 17421.1－2000的規(guī)定，對(duì)研究對(duì)象定位精度及重復(fù)定位精度的測(cè)量利用雙頻激光干涉儀更為合適。故本實(shí)驗(yàn)采用近年來(lái)應(yīng)用較多的由英國(guó)Renishaw 公司生產(chǎn)的ML10 雙頻激光干涉儀進(jìn)行測(cè)量［3］。得到研究對(duì)象的三個(gè)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(cè)量過(guò)程

1.1 測(cè)量?jī)x器介紹

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

1)線性:0.5 ppm;

2)測(cè)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(dòng)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(cè)量原理(圖1)

當(dāng)這一束激光到達(dá)分光鏡時(shí)，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(gè)位置，分光鏡對(duì)兩個(gè)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(cè)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(zhǎng)整數(shù)倍的位置，振動(dòng)加強(qiáng)，產(chǎn)生明條紋;凡光程差等于半波長(zhǎng)奇數(shù)倍的位置，振動(dòng)減弱，產(chǎn)生明暗條紋。要對(duì)線性測(cè)量進(jìn)行設(shè)定，使用隨附的兩個(gè)外加螺絲將其中的一個(gè)線性反射鏡安裝在分光鏡上。這個(gè)組合裝置稱(chēng)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(jī)架上標(biāo)有兩個(gè)箭頭，指示其方向。箭頭應(yīng)指向兩個(gè)反射鏡。

圖1 激光干涉儀線性測(cè)量原理圖

來(lái)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(chēng)為參考光束)被引向裝在分光鏡上的反射鏡，另一束光(測(cè)量光束)則穿過(guò)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(cè)器辨識(shí)兩束光之間的干涉。

在測(cè)量過(guò)程中，一個(gè)光學(xué)組件保持靜止不動(dòng)，另一個(gè)光學(xué)組件沿線性軸移動(dòng)。通過(guò)監(jiān)測(cè)測(cè)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(cè)量步驟

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

1.4 測(cè)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(shí)測(cè)量段內(nèi)定位精度測(cè)量圖。

圖2 第一位置時(shí)測(cè)量段內(nèi)定位精度測(cè)量圖

從圖2 可以看出，第一位置時(shí)測(cè)量段內(nèi)定位精度(離導(dǎo)軌最左端1 000 mm 處車(chē)床縱向進(jìn)給時(shí)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(shí)測(cè)量段內(nèi)定位精度測(cè)量圖

從圖3 可以看出，第二位置時(shí)測(cè)量段內(nèi)定位精度(離導(dǎo)軌最左端7 000 mm 處車(chē)床縱向進(jìn)給時(shí)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(yǔ)

1)對(duì)實(shí)驗(yàn)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(chē)床縱向進(jìn)給時(shí)的單向定位精度指標(biāo)符合國(guó)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(chē)床縱向進(jìn)給時(shí)的單向定位精度指標(biāo)基本符合國(guó)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(chǎng)測(cè)試溫度及其他干擾因素，引起測(cè)試數(shù)據(jù)變化較大。

3)對(duì)于長(zhǎng)位移重型數(shù)控機(jī)床定位精度的測(cè)量，探索利用虛擬檢測(cè)方法很有必要。［5］

［1］孟凱，喬煒，駱朝輝.先進(jìn)檢測(cè)儀器在數(shù)控機(jī)床精度驗(yàn)收中的應(yīng)用［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)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(guó)公司主頁(yè):http://www.renishaw.com.cn.

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