基于激光干涉儀的影像測量儀精度檢測與改善

姚澤龍

深圳市計量質量檢測研究院 廣東 深圳 518000

定位精度屬于對影像測量儀測量精度形成影響最重要的一個因素。影像測量儀出于測量要素方面的差異會導致結構和布局的不同，而在加工與裝配零部件的過程當中會不可避免的出現一定誤差，導致儀器測量失準甚至失敗的情況發生。如何利用激光干涉儀對影像測量儀的精度形成有效檢測與改善，從而完善其整體應用性能，值得我們更為深入的探索。

1 精度檢測方法

本次實驗主要利用RenishawXL-80激光干涉儀(其測量精度是0.01μm)就實驗對象所具備的定位精度進行測量。實驗過程主要包括：①將測量儀的坐標原點作為實驗參考零點；②在測量軸線之上，相隔20mm的距離設置一個測量點；③實驗過程要展開全行程測量，同時還要作反行程的全程測量；④為避免最終測試結果出現隨機誤差的情況，需要反復進行五次測量，所獲測量曲線如圖一所示。

2 常見數據圖形

經過對大量相關文獻的查閱，同時結合筆者多年工作經驗，下面對幾種較為常見數據圖形與其出現的原因加以分析：①三角型。其誤差會呈現為線性增加狀態，且誤差處于行程最遠端時會出現躍升。隨后，當回程測試到達軸線起始點的時候，將會回到同等位置。這種情況出現的主要原因在于軸線外端導軌出現磨損，從而造成扭擺；②鋸齒型。其測試全程的誤差均會呈現為增加態勢，在設定為零或者基準值的軸位置誤差會進一步擴展。這種情況通常是由于編碼器反饋可靠性較差、死程誤差以及熱機不到位等情況導致；③燕尾型。在去程測試過程中呈現出向下坡度，而回程測試會呈現出于去程對稱的情況。其去程與回程測試間偏差會隨著軸線與受驅動端之間的相離逐步提升。通常是由于絲杠預壓或者導軌裝配失誤，繼而造成摩擦力過高情況，導致問題的出現；④周期型。在整個軸線當中呈現出重復性的周期誤差。與軸同向的俯仰可以維持不變，但是幅度會呈現出一定變化。通常是由于傳動機構中出現故障問題所導致，比如螺距設計失誤、編碼器狀態異常等；⑤交叉線型。正向運行形成負坡度，而反向運行會形成正坡度，主要是由于傳動機構的扭轉所導致，比如絲杠缺少潤滑油、導軌實際摩擦力過高等；⑥偏移型。去程與回程兩次測試間呈現為不變垂直偏差，通常是由于反向間隙超出標準范圍導致。

圖一

3 誤差分析和診斷

對檢測實驗進行綜合分析與評價可以得知：定位失準、反向差值過高、熱機不當以及死程誤差等現象的出現，會給設備定位精度形成直接的影響，造成零位出現嚴重漂移。而導致這些現象出現的主要原因包括：

3.1 反向間隙 對于反向間隙，在不對機械結構進行調整的前提之下，通常可利用設備自帶軟件開展反向差值補償處理，實現對這一問題的臨時性處理，但是其穩定性依然會受到相對較大的影響。所以，需要針對其根本因素加以考量，準確核對與分析導致反向間隙過大問題出現的原因，以設計具有針對性的改善方案。

經綜合分析可以發現，設備所呈現的單向定位與雙向定位在精度方面都存在偏差較大問題，并且呈現出一定規律性。通過頭腦風暴法對導致這一現象出現的全部可能性因素進行羅列：①無牙螺母中的彈簧片出現松動，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電機座、無牙螺母以及支撐端軸承座之間出現同軸度方面的誤差；⑤支撐端在軸向上的預緊力不足，亦或是出現浮動情況；⑥設備傳動機構出現磨損老化問題；⑦在控制器當中所設定的反向間隙補償值失準。

3.2 定位不準 通常情況下，定位不準會和反向差值過大問題一同出現，二者間具有一定關聯性。其絕大多數成因都較為相似，此實驗當中的設備，當獲得一個定點指令之后，將會越過目標值，其零點漂移比較嚴重。越程一般是由于設備傳動機構溫升太高，繼而導致傳動軸變長的影響。零點漂移通常是由于三向同心偏差過高、支撐端以及電機端出現松動所造成。所以，本次實驗不再針對其它相關性較低的因素進行分析，比如光柵尺安裝等。

4 改善和驗證

對主副導軌進行重新安裝處理，并保證兩條軌道的直線度為0.005mm，平行度為0.006mm；對電動機支座、支撐端軸承座以及無牙螺母三者之間的軸向同軸度進行重新調整，數值為0.005mm；在整機實現連續跑合四十八小時之后，對軸線移動中正向與側向直線度進行檢測，分別是0.004mm與0.005mm，利用激光干涉儀針對設備進行處理，完成定位精度測量，以獲得相應的測量圖形，如圖二所示。

經過相關數據處理與分析，得知實驗后和實驗前相比，設備的雙向定位精度整體提高了6.83μm，而雙向重復定位精度則提高了46.5μm，系統偏差提高32.6μm，其反向間隙從以往的7.6μm轉變為0.3μm，使設備整體精度實現大幅度提高。

經過上文所述過程，可以總結出以下幾個方面的結論：①反向間隙將會對設備實際定位精度和重復定位精度形成直接的影響，倘若發現差值過大，需要針對機械結構所具備可靠性以及裝配效果等方面加以核查。必要情況下，需要就結構設計方面著手，通過對整體設計的優化，促進其整體精度與可靠性的提高；②如果傳動機構出現松動(特別是電動機位置的傳動機構)將會導致零位漂移，利用激光干涉儀針對軸線加以精度檢測處理，結合分析軟件將其直觀而高效的展示給工作人員，便于對完善方案的制定；③針對某些重要部位(而且不需要經常拆卸與維護的部位)，要確保其安裝與緊固效果的可靠性。對設備進行設計和生產的過程當中，應該充分考量防松因素，明確防松不力對設備應用形成的危害。針對彈性聯軸器和傳動部分緊固件，在經過裝配與調整到位之后，利用螺紋膠等作膠合處理，從而強化其防松效果。對于其它在后期維護過程中要進行拆卸的部件，需要利用增設彈性墊片的方式，防止松動情況的出現；④設備傳動機構越程問題，主要是由于摩擦過大、預緊力不當或者機構不同軸等問題所導致的，需要就傳動機構的熱變形方面入手。有些時候也跟電動機設備應用性能和質量等因素相關。

圖二

結束語

總而言之，對影像測量儀定位精度的有效檢測與完善，具有非常重要的現實意義，能夠有效提高精密檢測效率與質量，對各行業發展可以起到良好的推動作用，值得廣大科研人員投入更多的時間和精力對其進行深入研究，在實現自我價值的同時，為國家經濟發展注入源源不斷的活力。