高同軸度、非通孔的在線加工技術研究

耿京，張堯禹，馮進良

（1.長春理工大學 光電工程學院，長春 130022；2.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，長春 130033）

以往的同軸度檢測系統大多是針對不同尺寸工件上通孔的同軸度檢測，而現今的工件加工過程越來越多地涉及到同軸非通孔的加工。工件上同軸非通孔的同軸度對工件所在儀器的正常、穩定運轉有著重要意義，但傳統的同軸非通孔加工方法存在著測量困難、加工精度低等問題。

適用于立式機床的非通孔同軸度檢測系統可應用于立式銑床、立式鏜床等立式機床上，是一種可實現同軸非通孔高精度同軸加工的裝置，且運用成熟的光電檢測技術，原理簡單，操作方便，具有較高的檢測精度，適用性強，能夠滿足設計要求。

1 原理

適用于立式機床的同軸非通孔檢測系統的整體結構如圖1所示。激光光源選用650nm紅光半導體激光器；在激光器前端安裝一倒置的望遠鏡結構，用于準直激光束；激光器和激光準直裝置塞入特制的撓性結構三爪定心卡具中，可以裝入立式機床上的莫氏錐孔中，達到高精度定心的目的。

在立式機床的工作臺上安裝系統特制工作臺。特制工作臺分上下兩層；下層固定于機床工作臺上，且中心位置安裝有一激光接收裝置；上層則放置被加工工件，上層可相對于下層做二維平面運動，在特制工作臺上層開有若干通孔。特制工作臺下層安裝的激光接收裝置內部結構如圖2所示，由帶有中心孔的PSD位置傳感器2（光敏面向后）、半透半反鏡和PSD位置傳感器1組成。當激光束通過PSD位置傳感器2上的中心孔進入激光接收裝置后，一部分經過半透半反鏡在PSD位置傳感器1上形成位置偏移光斑；另一部分被半透半反鏡反射在PSD位置傳感器2上形成角偏轉光斑。

圖1 適用于立式機床的非通孔同軸度檢測系統整體結構示意圖

圖2 激光接收裝置

第一步，確定基準點。將特制的撓性結構三爪定心卡具和激光器、激光準直裝置裝入立式機床的莫氏錐孔中，激光束通過特制工作臺上層的孔被下層的激光接收裝置接收，記錄此點并確定此點為基準點。激光束確定的位置為加工時刀具的旋轉中心軸。

第二步，加工第一面孔。卸下激光器裝好刀具，不改變機床工作臺位置，利用特制工作臺上下層間的相對二維平面運動進行對刀，加工第一面孔。

第三步，確定第二面孔進刀位置。將撓性結構三爪定心卡具及激光器、激光準直裝置裝入已加工好的第一面孔中，翻轉被加工工件，要令激光束可以通過特制工作臺上層的孔。利用特制工作臺上下層間的相對二維平面運動調整工件位置，使得激光接收裝置接收到激光束且與基準點重合，確定第二面孔進刀位置。

第四步，加工第二面孔。

2 各部分設計

適用于立式機床的同軸非通孔檢測系統主要由650nm紅光半導體激光器、激光準直裝置、撓性結構三爪定心卡具、特制工作臺等組成。

撓性結構三爪定心卡具如圖3所示，采用三點定心撓性結構，利用彈性元件受力均勻變形的性質達到高精度定心目的。激光器及其前端的激光準直裝置塞入撓性結構三爪定心卡具中與卡具彈簧同心，當卡具彈簧受力變形時，卡具上三爪同時等量伸縮，從而在尺寸不同的孔中達到高精度定心；卡具三爪上設計有彈性張緊環，使得卡具可以在重力作用環境下更加穩固。

圖3 定心卡具

特制工作臺（參照圖1所示）主要由雙層工作臺和激光接收裝置構成。雙層工作臺分為上下兩層；工作臺下層用于將特制工作臺固定在機床工作臺上和在中心安裝激光接收裝置；工作臺上層開有若干通孔，可使激光束通過工作臺上層被工作臺下層的激光接收裝置接收。工作臺的上下層間由導軌連接，使得工作臺上層可相對于工作臺下層二維平面運動。

激光接收裝置內部結構如圖2所示，用于記錄基準點位置和校正激光束的位置偏移及角偏轉。開有中心孔的PSD位置傳感器2光敏面向后，與PSD位置傳感器1的光敏面相對；激光束通過PSD位置傳感器2上的中心孔，一部分經過半透半反鏡被PSD位置傳感器1接收，此光斑與基準點比較得出位置偏移量；另一部分被半透半反鏡反射到PSD位置傳感器2的光敏面上，此光斑與基準點比較得出角偏轉量。

3 精度分析

3.1 系統各環節精度分析

（1）撓性結構三爪定心卡具定心精度：由加工工藝控制，撓性結構三爪定心卡具定心精度可達σ1=1.6μm。

（2）準直后激光束發散角：系統采用的650nm紅光半導體激光器經準直后測試得，激光束發散角為3.28mrad≈0.19°，測試精度為2"。

（3）PSD位置傳感器精度：系統采用的PSD位置傳感器經測試得，有效感光面積為Φ20mm，響應精度σ2=0.4μm。

（4）激光接收裝置裝調精度：由加工工藝控制，激光接收裝置裝調精度σ3=3"。

3.2 系統精度綜合

采用坐標轉換的方法對各環節精度進行綜合，在建立的統一的坐標系中得出起始坐標和作用矩陣，將作用矩陣作用在起始坐標上，應用Matlab軟件運算得出目標坐標，繼而得出系統整體精度。

系統坐標系如圖4所示。設立式機床進刀方向為z軸，x、y構成水平面與z軸形成右手坐標系。A為激光束起始坐標：

圖4 系統坐標系

系統精度綜合過程示意圖如圖5所示。從激光器到半透半反鏡，由定心卡具定心誤差及安裝誤差引起激光束偏差，繞x軸旋轉α，繞y軸旋轉β，沿z軸平移σ1，作用矩陣為：

圖5 系統精度綜合過程

則半透半反鏡及PSD位置傳感器1的入射激光束A1坐標為：

從半透半反鏡到PSD位置傳感器2，由激光接收裝置裝調誤差引起半透半反鏡法向量的偏差，繞x軸旋轉σ3，繞 y軸旋轉σ3，作用矩陣為：

半透半反鏡法線坐標為：

半透半反鏡法線經作用矩陣，得新法向量N1坐標為：N1=M4M5N。PSD位置傳感器2的入射激光束A2坐標為：A2=HA1，其中：

PSD位置傳感器的響應精度為0.4μm，激光束的發散角為0.19°，因此設定半透半反鏡到PSD位置傳感器2、PSD位置傳感器1的距離均為100mm。忽略高階小項，計算得出α、β值為1"；系統整體精度σ為：

4 結論

適用于立式機床的非通孔同軸度檢測系統，可應用于各種立式加工機床，由準直后的激光束確定刀具回轉軸，利用激光接收裝置先后兩次接收到的激光光斑位置計算得出激光束的位置偏移和角度偏轉，從而調整工件位置，實現在立式機床上同軸非通孔加工過程的高精度檢測。經計算，系統精度σ≤6.58μm，精度較高，且理論先進，操作簡單，具有良好的應用開發前景。

［1］徐坤，趙轉萍.同軸度檢測系統多功能測頭優化設計及誤差分析［J］.機械與電子，2014（2）：30-33.

［2］宋甲午，張國玉，安志勇.同軸度誤差的激光掃描測量方法［J］.兵工學報，1999，20（3）：243-246.

［3］龔民，王徐穎.干式氣缸套同軸度檢測系統的設計［J］.制造業自動化，2009，31（7）：60-62.

［4］李忠科，趙靜，馬驥.雙LD-雙PSD同軸度測量技術研究［J］.計算機測量與控制，2005，11（13）：1195-1196.

［5］余厚云，趙轉萍，陸永華.基于PSD的長跨度孔系同軸度誤差測量系統［J］.傳感器與微系統，2013，32（2）：70-73.

［6］全凌云，譚建平，王憲.高精度擠壓機中線同軸度實時檢測系統研究［J］.鍛壓技術，2012，32（3）：73-77.

［7］石峰.同軸度自動檢測系統的設計［J］.兵工自動化，2005，24（3）：37-39.

［8］王震.基于圖像處理的測角精度和同軸度測量方法［D］.長春：長春理工大學，2012.

［9］鄭二功.基于LD/PSD的激光同軸度校正技術研究［D］.武漢：武漢理工大學，2006.

［10］馬宏，王金波.誤差理論與精度分析［M］.北京：兵器工業出版社，2007：288-307.