基于激光干涉儀的影像測(cè)量?jī)x精度檢測(cè)與改善

王 斌，郭旭紅

（蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，蘇州 215006）

隨著工業(yè)4.0的快速發(fā)展及3C、電子、快速消費(fèi)等行業(yè)市場(chǎng)的井噴式增長(zhǎng)，產(chǎn)品制造過(guò)程的精密檢測(cè)面臨更高的挑戰(zhàn)，精密、精準(zhǔn)、無(wú)損、高效及低成本無(wú)疑成為這一行業(yè)用戶對(duì)檢測(cè)設(shè)備提出的新要求。影像測(cè)量?jī)x以其非接觸、高精度等特性受到行業(yè)用戶的青睞。同時(shí)，如何提高影像測(cè)量?jī)x的測(cè)量精度也成為行業(yè)內(nèi)廣受關(guān)注的關(guān)鍵技術(shù)。影響測(cè)量?jī)x精度的好壞直接決定了所檢測(cè)產(chǎn)品的質(zhì)量因素及質(zhì)量結(jié)果。

影像測(cè)量系統(tǒng)因測(cè)量要素的不同而呈現(xiàn)出不同的結(jié)構(gòu)及布局，不論是自動(dòng)化影像檢測(cè)線還是傳統(tǒng)的三軸影像測(cè)量?jī)x，零部件加工及裝配過(guò)程均不能避免誤差的產(chǎn)生，而儀器自身成像失真、光柵尺安裝偏移、軸線垂直度誤差、偏低、偏擺、扭曲角度誤差等這些誤差相應(yīng)地會(huì)引入測(cè)量誤差。

在此，以蘇州天準(zhǔn)科技公司自主研發(fā)的VMU432高端影像測(cè)量?jī)x為本體，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)裝配及過(guò)程控制中反饋出來(lái)的精度相關(guān)問(wèn)題，基于激光干涉儀[1]快速診斷并獲取機(jī)器的各項(xiàng)誤差分量，對(duì)誤差進(jìn)行分析及誤差修正[2]，以此幫助工程人員評(píng)價(jià)設(shè)備精度及影響定位精度的相關(guān)因素，提升問(wèn)題解決的效率及方案的有效性。

1 定位精度檢測(cè)

1.1 檢測(cè)原理

激光干涉儀線性測(cè)量原理如圖1所示。圖中，從Renishaw XL-80激光頭內(nèi)射出的激光束1有單一頻率，其標(biāo)稱波長(zhǎng)為0.633 μm，且其長(zhǎng)期波長(zhǎng)穩(wěn)定性（真空狀態(tài)）要高于10-7。當(dāng)此光束抵達(dá)偏振分光鏡時(shí)，會(huì)被分為反射光2和透射光3。這2道光射向其反光鏡，然后透過(guò)分光鏡反射回去，在激光頭內(nèi)的探測(cè)器形成一道干涉光束。若光程差沒有任何變化，探測(cè)器會(huì)在相長(zhǎng)性和相消性干涉的兩極間找到穩(wěn)定的信號(hào)。若光程差確實(shí)有變化，探測(cè)器會(huì)在每一次光程改變時(shí)，在相長(zhǎng)性和相消性干涉的兩極間找到變動(dòng)的信號(hào)。這些變化（干涉條紋）會(huì)被計(jì)算并用來(lái)測(cè)量2個(gè)光程間的差異變化。測(cè)量的光程就是柵格數(shù)乘以光束約1/2的波長(zhǎng)。

圖1 激光干涉儀線性測(cè)量原理Fig.1 Principle of laser interferometer linear measurement

1.2 檢測(cè)試驗(yàn)

按照GB/T 17421.2—2000 《設(shè)備檢驗(yàn)通則》[3]，使用測(cè)量精度為0.01 μm的Renishaw XL-80激光干涉儀完成對(duì)試驗(yàn)主體定位精度的測(cè)量，其中：①測(cè)量?jī)x機(jī)械坐標(biāo)原點(diǎn)為參考零點(diǎn)；②測(cè)量軸線上每隔20 mm取1個(gè)測(cè)量點(diǎn)；③全行程測(cè)量，并進(jìn)行反行程全程測(cè)量：④為消除測(cè)試結(jié)果隨機(jī)誤差，往復(fù)測(cè)量5次，獲取測(cè)量曲線圖形（如圖2所示）。

圖2 定位精度測(cè)量數(shù)據(jù)曲線Fig.2 Positional accurancy measurement data curve

在試驗(yàn)室環(huán)境下，針對(duì)試驗(yàn)主體進(jìn)行定位精度的測(cè)量，并按照ISO 230-2-2014《機(jī)床試驗(yàn)規(guī)則 第2部分：數(shù)字控制坐標(biāo)定位精度和重復(fù)性的測(cè)定》對(duì)獲取結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，其精度分析數(shù)據(jù)在表1“改善前”一列中給出。

2 常見數(shù)據(jù)圖形分析

通過(guò)長(zhǎng)期的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)積累，筆者對(duì)幾種常見的數(shù)據(jù)圖形及其成因進(jìn)行了匯總，如圖3所示。

圖3 幾種常見的數(shù)據(jù)圖形Fig.3 Several common graph data

1）三角形數(shù)據(jù)圖形 誤差呈線性增加，誤差在行程最遠(yuǎn)端機(jī)器反轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)躍升。然后，在回程測(cè)試回到與軸線起始點(diǎn)時(shí)，回到同樣位置上。多因軸線外端部導(dǎo)軌磨損而出現(xiàn)扭擺所致。

2）鋸齒形數(shù)據(jù)圖形 整個(gè)測(cè)試過(guò)程中誤差都呈增加的趨勢(shì)，甚至在設(shè)為基準(zhǔn)值或零的軸位置上時(shí)，誤差還在增加，多為編碼器反饋不可靠、死程誤差及熱機(jī)不到位所致。

3）燕尾狀數(shù)據(jù)圖形 去程測(cè)試中出現(xiàn)向下的坡度，回程測(cè)試為去程測(cè)試的鏡像。去程和回程測(cè)試之間的偏差（或滯后或反向間隙）隨軸線離開受驅(qū)動(dòng)端而逐漸提高。多為絲杠預(yù)壓及導(dǎo)軌裝配不當(dāng)摩擦力過(guò)大所致。

4）周期數(shù)據(jù)圖形 整個(gè)軸線長(zhǎng)度上的重復(fù)周期誤差。沿軸的俯仰保持不變，但幅度可能變化。多為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)故障所致，如螺距設(shè)置錯(cuò)誤、編碼器異常等。

5）交叉線數(shù)據(jù)圖形 正向（向外）運(yùn)行產(chǎn)生負(fù)坡度，而反向（向內(nèi)）運(yùn)行則產(chǎn)生正坡度，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)扭轉(zhuǎn)所致，如絲杠潤(rùn)滑缺失、導(dǎo)軌摩擦過(guò)大等。

6）偏移數(shù)據(jù)圖形 去程和回程2次測(cè)試之間具有不變的垂直偏差，多為反向間隙過(guò)大所致。

3 誤差分析與診斷

通過(guò)檢測(cè)試驗(yàn)及評(píng)價(jià)分析，定位不準(zhǔn)、反向差值較大、死程誤差以及熱機(jī)不當(dāng)是影響設(shè)備重復(fù)定位精度的主要因素，導(dǎo)致設(shè)備零位嚴(yán)重漂移。其可能的主要因素包括：反向間隙過(guò)大，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)之間存在間隙或者松動(dòng)等。

（1）反向間隙

針對(duì)反向間隙問(wèn)題，在不調(diào)整機(jī)械結(jié)構(gòu)的前提下，可以通過(guò)設(shè)備自帶軟件實(shí)施反向差值補(bǔ)償[4]，進(jìn)而臨時(shí)解決此問(wèn)題，但設(shè)備穩(wěn)定性會(huì)受到較大影響。因此，需要從根本上考慮、核實(shí)反向間隙大的原因，并提出相應(yīng)改善方案。

由數(shù)據(jù)分析不難看出，設(shè)備的單向及雙向定位精度均存在較大偏差，且存在一定的規(guī)律性。運(yùn)用頭腦風(fēng)暴法羅列出所有導(dǎo)致此現(xiàn)象出現(xiàn)的可能性：①無(wú)牙螺母彈簧片松動(dòng)或過(guò)緊；②光軸與無(wú)牙螺母溫升過(guò)高；③光軸受熱變長(zhǎng)；④無(wú)牙螺母、電機(jī)座、支撐端軸承座不同軸（同軸度較差）；⑤支撐端軸向預(yù)緊力不夠或存在浮動(dòng)現(xiàn)象；⑥傳動(dòng)機(jī)構(gòu)磨損；⑦機(jī)器控制器內(nèi)設(shè)置的反向間隙補(bǔ)償值不正確。

（2）定位不準(zhǔn)

定位不準(zhǔn)與反向差值過(guò)大往往同時(shí)出現(xiàn)，兩者之間存在一定的關(guān)聯(lián)性。大部分成因基本類似，本試驗(yàn)中設(shè)備在得到1個(gè)定點(diǎn)指令后，始終會(huì)越過(guò)目標(biāo)值（多走正向位移），同時(shí)在曲線分析圖中看出零點(diǎn)漂移較為嚴(yán)重。對(duì)于越程，更多地可能是傳動(dòng)機(jī)構(gòu)溫升過(guò)高導(dǎo)致傳動(dòng)軸變長(zhǎng)所致；而對(duì)于零點(diǎn)漂移，多為三向同心偏差較大、電機(jī)端及支撐端松動(dòng)所致。故本試驗(yàn)不再對(duì)一些不相關(guān)因素，如光柵尺安裝、反饋、功能進(jìn)行驗(yàn)證。

4 改善與驗(yàn)證

重新安裝主副導(dǎo)軌，并確保兩軌直線度0.005 mm，平行度0.006 mm；重新調(diào)整電動(dòng)機(jī)支座與支撐端軸承座、無(wú)牙螺母軸向同軸度至0.005 mm；整機(jī)連續(xù)跑合48 h后，復(fù)測(cè)軸線移動(dòng)過(guò)程中正、側(cè)向直線度分別為0.004 mm和0.005 mm，使用激光干涉儀對(duì)設(shè)備重新進(jìn)行定位精度測(cè)量，獲取測(cè)量圖形（如圖4所示）。

圖4 改善后定位精度測(cè)量數(shù)據(jù)曲線Fig.4 Measurement data curve for improved positioning accuracy

分別統(tǒng)計(jì)匯總改善前后試驗(yàn)數(shù)據(jù)，就雙向定位精度、重復(fù)定位精度、定位系統(tǒng)偏差、反向間隙、平均偏差等要素進(jìn)行比對(duì)（見表1）。

表1 改善前后精度的比對(duì)Tab.1 Comparison of accuracy before and after improvement

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)的分析與比對(duì)，可以較為直觀地看出試驗(yàn)前后，設(shè)備雙向定位精度提升了68.3 μm，雙向重復(fù)定位精度提升了46.5 μm，雙向系統(tǒng)偏差提升了32.6 μm，反向間隙由之前的 7.6 μm 提升至 0.3 μm，設(shè)備精度有較高的提升。

通過(guò)一系列的診斷與分析、改善與驗(yàn)證，得到的主要結(jié)論有以下幾點(diǎn)：

1）反向間隙會(huì)直接影響設(shè)備的定位精度與重復(fù)定位精度，如果差值較大時(shí)必須對(duì)機(jī)械機(jī)構(gòu)可靠性及裝配質(zhì)量進(jìn)行核查，必要時(shí)需從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)入手，通過(guò)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)設(shè)備精度及可靠性的提升。

2）傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的松動(dòng)，尤其是電動(dòng)機(jī)處傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的松動(dòng)會(huì)造成零位漂移，使用激光干涉儀對(duì)軸線進(jìn)行精度檢測(cè)，通過(guò)分析軟件直觀地展現(xiàn)給技術(shù)人員，以便制定相應(yīng)改善方案。

3）對(duì)于重要部位且非頻繁拆卸、維護(hù)的零部件，其安裝、緊固必須可靠。設(shè)備設(shè)計(jì)與生產(chǎn)過(guò)程中，需考慮防松以及防松不當(dāng)帶來(lái)的相關(guān)危害及影響。對(duì)于彈性聯(lián)軸器、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)固定件，在裝配調(diào)整到位后使用螺紋膠進(jìn)行膠合，以增加防松效果。其它后期維護(hù)中需要拆卸的部件，可通過(guò)增加彈性墊片以避免發(fā)生松動(dòng)。

4）傳動(dòng)機(jī)構(gòu)越程，多為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)摩擦力過(guò)大，機(jī)構(gòu)不同軸，預(yù)緊力不當(dāng)?shù)纫蛩厮拢瑧?yīng)從傳動(dòng)機(jī)構(gòu)熱變形著手。有時(shí)也與電動(dòng)機(jī)自身性能、質(zhì)量有關(guān)。

5 結(jié)語(yǔ)

過(guò)程數(shù)據(jù)與分析對(duì)降低零部件精度或者裝配精度要求，提升過(guò)程效率與合格率，降低生產(chǎn)成本，提高儀器的性價(jià)比具有重要意義。基于激光干涉儀可以快速檢測(cè)、診斷影像測(cè)量?jī)x定位精度，結(jié)合分析數(shù)據(jù)及分析曲線，可以將影響設(shè)備精度的不確定因素更加直觀地呈現(xiàn)給用戶或制造商裝配調(diào)試人員，這些數(shù)據(jù)將為設(shè)備精度的提升改善提供強(qiáng)有力的支撐。