一種轉角精度檢測方法及檢測裝置設計*

謝澤兵，麥麗菊，阮 毅

（廣東省機械研究所有限公司，廣州 510635）

0 引言

隨著技術的發展及對柔性加工、小批量復雜工件加工的需求越來多，多軸機床特別是五軸數控機床越來越普及。五軸機床由于相對三軸機床增加了兩個旋轉軸，使其具有許多普通三軸機床無法比擬的優點，例如其具有刀具姿態靈活性，使在加工中可以避免被工件多次裝夾，減少工件裝夾誤差，同時加工刀具可以從最優角度進行加工，減少切削力，提高刀具壽命，從而極大地提高了加工效率和刀具壽命，再有五軸聯動加工中心可以完成其他機床無法加工的產品，例如葉輪、葉片、大型轉子、渦輪等[1]。為使五軸機床在具備以上加工優點的同時，保證加工精度，那么保證其旋轉軸的轉角精度尤為重要，因此對于多軸機床特別是五軸機床旋轉軸的轉角精度檢測、補償，是機床在制造、使用過程中精度保證的關鍵[2]。此外，一些精密儀器設備常常配有分度功能旋轉臺或具有轉角功能的檢測部件，那么定期檢測或校對這些精密儀器設備的旋轉臺或轉角檢測部件的轉角精度誤差，是管理和維護儀器設備以滿足工作需求的必要手段。

1 需求分析

目前，國內外針對轉角精度檢測，特別是機床旋轉軸的轉角精度檢測，已發展了多種方法[3-5]。激光干涉儀測量法的原理是將待測旋轉軸的不準確度（精度）與主旋轉校驗器已知的不準確度（精度）作比較，特點是操作簡便，且具有較高的檢測精度，但主旋轉校驗器昂貴；激光跟蹤儀測量法的原理是利用激光跟蹤儀對機床作業未端，進行空間精度的檢測、建模，特點是設備測量誤差大，難以實現高精度檢測；基于機器視覺檢測法的原理是采用雙目視覺的原理，對機床進行精度的檢測，特點是設備成本低，操作復雜，檢測過程繁瑣，辨識過程計算復雜[6-8]。以上各類檢測方法中，激光干涉儀測量法是目前使用最廣泛的一種，但由于設備昂貴，現實中難以普及應用（工廠一般只購買其中直線位移精度檢測部分用于機床直線軸檢測，較少購買轉角精度檢測部分）[9-11]，其余的檢測方法均由于自身無直線位移精度檢測功能，且與其它的直線位移精度檢測系統互不兼容，難以適用需求，所以較少應用。因此針對現實需求及普及應用問題，迫切需研發一種新的轉角精度檢測方法，該方法應滿足：（1）無需昂貴的主旋轉校驗器；（2）測量精度高；（3）設備操作簡單可靠、造價便宜；（4）系統自身具有直線位移精度檢測功能。

2 轉角精度檢測方法

2.1 檢測理論

通過不斷的研究和試驗，發現雙光束激光多普勒檢測系統，可以用于轉角精度。激光多普勒檢測系統是采用多普勒效應和光外差原理來進行被測物的線性位移測量，雙光束激光多普勒檢測系統是把兩個激光頭集成在一起，使該系統在具有雙頻道測量功能，其激光器可同時發出兩束激光源，兩束光源在經雙反射鏡反射返回激光器且被接收后，系統可以得到兩個位移數據[12]。由于系統的兩激光束均由同一激光器發出，且兩光束平行，所以當雙反射鏡的工作平面與光束不垂直，形成夾角時，兩個反射鏡的位移數據將不相等，那么該夾角的角度θ可由兩反射鏡的位移差量所推導出：

或：

式中：Δ為兩反射鏡的位移差量；d為兩反射鏡間的間距（為已知固定值）。

由以上公式可知，式中變量為Δ，檢測過程只要記錄每個夾角θ的Δ值，即可計算出該夾角θ。如圖1所示。

圖1 檢測方法原理

再由式（1）可見，獲取夾角θ過程中并不會受非旋轉測量影響，如側向或縱向位移，而影響夾角θ精度的主要誤差源如下。

（1）兩反射鏡間的間離可能改變，當在測量過程中間離改變，測量結果將會包含誤差。例如當測量中雙反射鏡外殼的溫度改變時，間離將會改變。

（2）過多的反射鏡橫轉運動將會產生誤差。

（3）環境中的溫度梯度或空氣紊流將會扭曲激光光束，為了減少這些效應，確認分隔距離盡可能縮短，來避免造成氣流或接近熱源或冷源。

（4）不垂直誤差，主要因為初始設定的關系，當激光光束與雙反射鏡不垂直時，不垂直度誤差εp可表示為：

式中：ε為與垂直度的角度差異量；θmax為最大旋轉角度。

舉例來說，假設ε＝30 arcminutes，θmax＝3°，那么，不垂直誤差εp＝2.5 arcsec。通過良好的調校，不垂直角度可被減少，且本檢測方法已將該誤差納入計算。

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因激光光束與未與旋轉臺表面平行時所造成的余弦誤差，余弦誤差εc可表示為：

式中：Ψ為激光光束平面與旋轉臺表面間隙的角度，通常這項誤差可忽略。

2.2 功能實現

通過檢測理論研究，掌握了雙光束激光多普勒檢測系統獲取夾角θ的計算方法，及檢測的理論可行性，但要實現轉角精度檢測功能，還要掌握雙光束激光多普勒檢測系統的調校裕度，即雙反射鏡的工作平面與光束在一定夾角范圍內時，兩束激光仍能準確獲取位移動數據。

通過不斷的試驗和摸索，發現雙反射鏡偏角度在±5°范圍內時，兩束激光同時測量，兩頻道的直線位移數據精度與在0°時，幾乎沒有精度偏差。掌握了雙光束激光多普勒檢測系統的調校裕度，這樣就可利用雙光束激光多普勒檢測系統具有較大的調校裕度與同時作雙頻道測量，可在反射鏡偏轉角度達到±5°的同時測量兩頻道的直線位移的特性，用來精確測量±5°內的反射鏡偏轉角度。且通過以上理論可知，使用雙光束激光多普勒檢測系統，測量角度不會受到旋轉軸的偏擺、搖擺、平行度與共軸調校影響，反射鏡安裝與調校并不嚴苛，測量的準確度由激光系統本身精度來決定等特點，而雙光束激光多普勒檢測系統（直線位移檢測）的系統精度可達0.01 μm，用該系統其進行角度位移測量，準確度可達系統分辨率0.2 arcsec的0.2%。

2.3 檢測方法操作

明確了雙光束激光多普勒檢測系統，可在反射鏡偏轉角度±5°內時，用來進行角度測量。那么利用該特性，設計一種檢測方法，具體的操作：首先將雙光束激光多普勒檢測系統的反射鏡固定于被測轉軸上，且使反射鏡旋轉中心與被測轉軸同心；然后將雙光束激光多普勒檢測系統的激光器固定于被測轉軸外，且光束與反射鏡面垂直。設備架設好后，啟動雙光束激光多普勒檢測系統，同時使顯示的兩個位移數據均復位清零，隨后被測轉軸轉動一個角度（例如3°），轉軸轉動后，上方的反射鏡也跟著同步轉動，由于反射鏡與兩束激光形成夾角，此時激光多普勒檢測系統將顯示兩個不同的位移數值，將此兩個位移數值的差值，按照式（1）的計算，即可獲得夾角數值，該夾角數值即為被測轉軸在轉動3°時的實際轉角角度，實際轉角角度值與目標轉角角度值的偏差，即為轉軸轉角精度誤差。

從以上檢測方法操作過程可見，雖然雙光束激光多普勒檢測系統可以對被測軸進行轉角精度精確檢測，但本檢測方法只能檢測±5°內的轉角精度，實際使用價值不大，應用范圍不廣，現實中如對機床旋轉軸的轉角精度檢測，一般均大于5°，甚至需要到360°范圍檢測。還有在實際操作中，人工要將反射鏡旋轉中心與被測轉軸放置至同心比較困難，操作技能要求高，為此需研究一種檢測裝置，該裝置結合的雙光束激光多普勒檢測系統，可以擴大轉角精度檢測范圍，甚至伸至360°，同時降低操作難度，以實現雙光束激光多普勒檢測系統在更大范圍檢測轉角精度的應用價值。

3 轉角精度檢測裝置

綜上所述，需研究一種檢測裝置，該裝置可以使雙光束激光多普勒檢測系統的轉角檢測功能伸至360°，同時降低操作難度，以實現應用價值，且該檢測裝置應區別于主旋轉校驗器，具有與激光干涉儀昂貴的主旋轉校驗器相比具有制造精密度要求較低、制造方便簡單、造價便宜等優點。

圖2 檢測裝置結構

該套檢測裝置結構簡單，制造容易，造價便宜，且容易操作、保養和攜帶。其中主裝置的基座下方配置的強力磁座，可以方便吸附在被測設備上，基座上方設置有旋轉臺，旋轉臺可以360°旋轉。為方便轉動操作，轉臺一側安裝有轉動撥桿，同時基座兩側設計有2套螺桿微調機構，可微調旋轉臺在基座上的縱向和橫向位置；另外旋轉臺上設置有反射鏡座，該鏡座用于固定和定位雙光束激光多普勒檢測系統的雙反射鏡，使反射鏡旋轉中心與轉臺同心。獨立的轉角定位桿，使用中與轉動撥桿配合，起到定位旋轉臺轉角起始點，轉角定位桿也配置有強力磁座，以方便靈活使用。本轉角精度檢測裝置結合本文所述的轉角精度檢測方法，即可實現被測轉軸的360°范圍轉角測量，當將檢測裝置固定于機床旋轉軸上時，即可為機床旋轉軸的進行轉角精度檢測。

4 機床旋轉軸應用

用機床旋轉軸轉角精度檢測，對轉角精度檢測裝置結合轉角精度檢測方法的具體應用及工作原理作進一步說明，如圖3所示。

圖3 機床旋轉軸檢測

機床旋轉軸轉角精度檢測時，首先將轉角精度檢測裝置的主裝置固定于被測旋轉軸上，并使轉臺與旋轉軸粗略同心；然后將雙光束激光多普勒檢測系統的反射鏡固定于主裝置的反射鏡座上，雙光束激光器固定于轉軸外，且光束與反射鏡面接近垂直；再后啟動雙光束激光多普勒檢測系統，并使兩個位移數據均復位清零；隨后轉動被測旋轉軸，使其±5°旋轉，轉動的同時，通過兩個位移數據的顯示值，調動檢測裝置的2套螺桿微調機構，逐步將檢測裝置的轉臺與被測旋轉軸調至同心。根據檢測理論本檢測方法對于檢測裝置或待測機床轉軸的偏擺、搖擺、平行度與光束垂直度調校并不敏感，因此光束與反射鏡面接近垂直即可，在檢測裝置的轉臺與被測旋轉軸同心后，被測旋轉軸轉至0°位置，再次將兩個位移數據均清零，即起始位的兩反射鏡位移差量設為0，隨后將轉角定位桿固定在轉軸外的一固定點上，并且與檢測裝置的轉動撥桿貼合，定位轉動撥桿的起始位。然后待測轉軸撰寫程序（或手動）作角度的分段增量（例如5°增量），在第一個分段動作結束后，記錄下兩光束反射鏡位移差量，根據此差量，即可計算得出機床待測旋轉軸真實角度增量，真實角度增量與設定角度增量的偏差即為被測機床旋轉軸的轉角精度誤差；再相反方向旋轉檢測裝置的轉臺回到原起始位置；機床轉軸再動作一段角度增量，并再記錄下兩反射鏡位移差量，重復此工作，即可獲得機床旋轉軸0°～360°的轉角定位精度。當檢測至360°時，機床旋轉軸作相反方向運動，即可記錄機床旋轉軸反方向的轉角定位精度，機床旋轉軸正反方向的角度增量位置偏差即為機床旋轉軸的轉角重復定位精度誤差。

5 結束語

本文研究的轉角精度檢測裝置及檢測方法，其具有以下優點。

（1）檢測裝置一種操作簡單可靠、設備造價便宜的轉角精度檢測裝置，利用該檢測裝置即可以在檢測不確定度很低的條件下，對多軸機床的旋轉軸定位精度或儀器設備轉角精度進行檢測，為轉角精度檢測提供一種易獲得且精度更高的可行的檢測方法。

（2）轉角精度檢測方法利用雙光束激光多普勒檢測系統的特性，使該系統獲得更大的功能擴展，使該系統在具備機床直線軸的直線位移精度測量的同時，又獲得了機床旋轉軸的轉角位移精度測量功能，從而使一套系統就具備多軸機床所有的位移精度檢測需求，且無需昂貴的主旋轉校驗器，降低了測量成本。

（3）此轉角精度檢測裝置及檢測方法，不僅可以應于各類結構的多軸機床旋轉軸轉角精度檢測，還可應用于儀器設備上的轉角精度檢測，適用范圍廣。該方法的應用和普及，將滿足現代高端機床特別是多軸數控機床、精密儀器設備在制造、使用、計量檢驗方面對轉角精度檢測的需求，助推高端工業母機戰略規劃。本研究已申請國家專利。