基于雙頻激光干涉儀的重型數控機床定位精度測量

王勝，何強，衛江，李莎

(1.陜西廣播電視大學 工程管理系，陜西 西安 710119;2.安陽工學院 機械工程學院，河南 安陽 455000)

0 引言

隨著大型機械裝備市場需求的日益增加，作為加工大型及特大型零部件的加工設備——重型數控機床的關注度也越來越高。除了要求機床本身體積大，縱向進給系統距離長之外，對其定位精度和重復精度也有一定的標準要求。因此，對重型數控機床本身的精度測量是提高精度的基礎。常用的機床精度檢測方法有金屬線紋尺、步距規、和雙頻激光干涉儀等工具進行測量。［1-2］本文的研究對象為0 系列重型數控車床，其結構特點是尺寸規格大，縱向進給距離可達20 000 mm，根據國標GB/T 17421.1－2000的規定，對研究對象定位精度及重復定位精度的測量利用雙頻激光干涉儀更為合適。故本實驗采用近年來應用較多的由英國Renishaw 公司生產的ML10 雙頻激光干涉儀進行測量［3］。得到研究對象的三個精度常用參數:定位精度、單向重復定位精度和雙向重復定位精度。為進一步提高精度提供分析數據。

1 測量過程

1.1 測量儀器介紹

雷尼紹ML10 雙頻激光干涉儀雷尼紹是一種檢測直線度、垂直度、俯仰與偏擺、平面度、平行度的高精密測量儀器，其主要參數如下［4］:

1)線性:0.5 ppm;

2)測量范圍: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 測量原理(圖1)

當這一束激光到達分光鏡時，它被分成反射光束和發射光束。這兩束光傳播到反射鏡后，都被反射到分光鏡的同一個位置，分光鏡對兩個光束進行調制后，直接把光束傳送到激光發射器中，從而使這兩束光在探測器中產生干涉條紋。根據光的疊加和干涉原理，凡光程差等于波長整數倍的位置，振動加強，產生明條紋;凡光程差等于半波長奇數倍的位置，振動減弱，產生明暗條紋。要對線性測量進行設定，使用隨附的兩個外加螺絲將其中的一個線性反射鏡安裝在分光鏡上。這個組合裝置稱為“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。分光鏡機架上標有兩個箭頭，指示其方向。箭頭應指向兩個反射鏡。

圖1 激光干涉儀線性測量原理圖

來自激光頭的光束進入線性干涉鏡，在此光束被分成兩束。一束光(稱為參考光束)被引向裝在分光鏡上的反射鏡，另一束光(測量光束)則穿過分光鏡到達線性反射鏡2。然后，兩束光都被反射回分光鏡，重新匯合后回到激光器，激光器內的探測器辨識兩束光之間的干涉。

在測量過程中，一個光學組件保持靜止不動，另一個光學組件沿線性軸移動。通過監測測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 測量步驟

根據國標GB/T17421.2－2000 中的規定，縱向進給傳動系統定位精度和重復定位精度測量時，采用階梯循環運動方式，走刀行程為800 mm，選擇了10 個目標位置和測量5 次進行測量，滿足了至少選擇5 個目標位置及每個方向測量5 次的要求。并且分別在車床縱向方向選取三段進行了測量。

1.4 測量結果及分析

圖2 和圖3 分別為縱向1 000 mm 和7 000 mm 位置時測量段內定位精度測量圖。

圖2 第一位置時測量段內定位精度測量圖

從圖2 可以看出，第一位置時測量段內定位精度(離導軌最左端1 000 mm 處車床縱向進給時的主要精度為:單向(↓)重復定位精度R 為25.541 μm，單向(↓)定位精度A 為31.708 μm，雙向重復定位精度為43.680 μm。

圖3 第二位置時測量段內定位精度測量圖

從圖3 可以看出，第二位置時測量段內定位精度(離導軌最左端7 000 mm 處車床縱向進給時的主要精度為:單向(↓)重復定位精度為13.895 μm，單向(↓)定位精度為17.293 μm，雙向重復定位精度為42.896 μm。

2 結語

1)對實驗數據分析可以得出:第二段即離導軌最左端7 000 mm 處車床縱向進給時的單向定位精度指標符合國標GB/T 23569－2009 規定，雙向重復定位精度不符合要求;第一段即離導軌最左端1 000 mm 處車床縱向進給時的單向定位精度指標基本符合國標GB/T 23569－2009規定，雙向重復定位精度不符合要求。

2)由于現場測試溫度及其他干擾因素，引起測試數據變化較大。

3)對于長位移重型數控機床定位精度的測量，探索利用虛擬檢測方法很有必要。［5］

［1］孟凱，喬煒，駱朝輝.先進檢測儀器在數控機床精度驗收中的應用［J］.組合機床與自動化加工技術，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］雷尼紹中國公司主頁:http://www.renishaw.com.cn.

［5］王勝，劉宏昭，原大寧.重型數控臥式車床定位精度激光測量與誤差補償［J］.西安理工大學學報，2011，27(3):271-274.