基于光干涉法的主軸軸向竄動測量系統(tǒng)仿真與分析

林 澎，孫榮敏

（柳州工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，廣西 柳州 545616）

0 引言

機(jī)床主軸軸向竄動是影響零件端面加工精度的主要因素之一，尤其在絲杠加工對機(jī)床主軸軸向竄動量要求控制在一定范圍內(nèi)，精密車床主軸竄動量一般在2 ～3 μm[1]。

目前測量機(jī)床主軸軸向竄動的方法有：打表法[2]、三點(diǎn)法[3]、CCD 法[4-5]等。打表法和三點(diǎn)法需要引入標(biāo)準(zhǔn)球或標(biāo)準(zhǔn)棒，同時引入標(biāo)準(zhǔn)球和標(biāo)準(zhǔn)棒的制造誤差，需要對其進(jìn)行分離，同時，測量方法本身的量程和精度之間也有一定的局限性，受環(huán)境干擾影響較大問題。而CCD 法需要對曝光時長和主軸上標(biāo)記光斑轉(zhuǎn)速相匹配難度較大、測試耗時等問題，同時也會受到環(huán)境干擾而影響測量結(jié)果。

針對以上問題，提出了基于光干涉法的主軸軸向竄動位移實(shí)時測量方法，光學(xué)測量方法具有高分辨率、高速響應(yīng)、對電噪聲的敏感性小、非接觸、工作距離長等特點(diǎn)[6]，可以彌補(bǔ)以上測量的不足，進(jìn)一步提高測量的精準(zhǔn)度。

1 工作原理

基于雙光束干涉法的主軸軸向位移實(shí)時測量系統(tǒng)，主要用于測量中空主軸的內(nèi)部不同位置的軸向位移，測量系統(tǒng)包括測量部分、找正部分和跟隨部分。測量部分主要是探測主軸某位置軸向竄動的實(shí)時位移量，與跟隨部分共同使用。找正部分主要是與測量部分相對調(diào)整，使測量部分的探測光入射方向與機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)軸線共線。

1.1 探測部分

探測部分主要完成發(fā)出機(jī)床主軸軸向竄動的測量，包括光源、分光鏡、非球面柱面鏡、反射鏡、接收器、遮光片等光學(xué)元器件。探測部分工作原理如圖1所示。

圖1 探測部分工作原理圖

光源1 發(fā)出平面光波，經(jīng)過分光鏡2 后分為兩束光，一束光如射到反射鏡3 后反射進(jìn)入到探測器4內(nèi)，另一束光入到固定在主軸的找正部分或固定部分（圖中未畫出）并反射，再經(jīng)過分光鏡2 反射后進(jìn)入到探測器4 內(nèi)，與反射鏡3 反射的光束產(chǎn)生干涉，在測量時采用此功能。當(dāng)推動遮光片5 移動到分光鏡2 和反射鏡3 之間阻攔光束，則探測器4 只接收到找正部分或固定部分反射光，在找正時采用此功能。

探測部分作為一個整體模塊，在空間直角坐標(biāo)系中需要具有4 個自由度，若沿著光源1 出射為Z軸，垂直Z軸為X、Y軸的方向，則探測部分可以沿X、Y平移和旋轉(zhuǎn)。探測部分機(jī)架落在機(jī)床機(jī)架或地面上。

1.2 找正部分

找正部分主要是完成將探測部分的位置調(diào)校，使其出射光與機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)軸線共線。找正部分主要光學(xué)元件為中心有小孔的反射鏡，小孔主要作為標(biāo)記點(diǎn)，參與到光路調(diào)整中。找正部分反射鏡結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 找正部分反射鏡結(jié)構(gòu)

找正部分也作為一個整體模塊，與探測部分同樣在空間直角坐標(biāo)系中需要具有可以沿X、Y平移和旋轉(zhuǎn)的4 個自由度。找正部分機(jī)固定在被測主軸內(nèi)孔邊緣，方便裝卸。

1.3 固定部分

固定部分主要是與探測部分共同完成機(jī)床主軸的軸向位移測量。固定部分主要光學(xué)元件為一內(nèi)凹角錐反射鏡，即3 個平面反射鏡相互垂直，將探測部分光線原方向反射回，且不受主軸徑向位移和擺動角度的影響，固定部分反射鏡結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 內(nèi)凹角錐反射鏡結(jié)構(gòu)

固定部分直接固定在機(jī)床主軸內(nèi)孔中心處，反射鏡固定位置即是主軸被測位置，因此可測量主軸內(nèi)任意位置軸向竄動，安裝允許有一定徑向位置偏差和角度偏差。

2 工作過程

工作過程包括探測部分與主軸回轉(zhuǎn)軸線重合的找正環(huán)節(jié)和機(jī)床主軸軸向竄動的測量環(huán)節(jié)。找正過程由探測部分和找正部分組合完成，測量過程由探測部分和固定部分組合完成。

2.1 裝調(diào)找正仿真

探測部分基座相對機(jī)床床身（機(jī)架）固定，找正部分固定在主軸內(nèi)孔上，可隨主軸轉(zhuǎn)動，出射光通過找正部分帶有小孔的反射鏡反射及主軸轉(zhuǎn)動，使探測部分光路與待測主軸回轉(zhuǎn)軸線重合，工作過程如圖4所示。

圖4 找正工作過程示意圖

探測部分4 出射光入射到中心帶有小孔的反射鏡5 后返回，探測部分的遮光板擋住其內(nèi)部的反射鏡（圖1 中3 號件），此時在探測部分的探測器中觀察到小孔成為標(biāo)記點(diǎn)，其ZEMAX 仿真圖像如圖5 所示。

圖5 找正工作過程光能量分布仿真圖

找正過程如圖6 所示。

圖6 找正工作過程示意圖及光干涉仿真圖

①當(dāng)探測部分入射光傾斜入射到找正部分的反射鏡后，其小孔成為反射光中標(biāo)記點(diǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)動主軸后反射光中標(biāo)記點(diǎn)軌跡一般呈橢圓形（該橢圓形不一定規(guī)則），光能量分布與軌跡如圖6（a）所示；②調(diào)節(jié)找正部分的移動裝置（移動裝置移動副沿X、Y軸移動），使標(biāo)記點(diǎn)軌跡橢圓變?yōu)樽钚。藭r小孔在被測主軸軸線附近，光能量分布與軌跡如圖6（b）所示；③調(diào)節(jié)找正部分的轉(zhuǎn)動裝置（轉(zhuǎn)動裝置球面副繞X、Y軸轉(zhuǎn)動），使標(biāo)記點(diǎn)軌跡成為往復(fù)運(yùn)動的直線，此時找正部分的反射鏡與被測主軸軸線垂直，光能量分布與軌跡如圖6（c）所示；④調(diào)節(jié)探測部分的轉(zhuǎn)動裝置，使標(biāo)記點(diǎn)軌跡由直線變?yōu)楣潭ǎ藭r探測部分出射光線與找正部分反射鏡垂直，即與被測主軸軸線平行，光能量分布與軌跡如圖6（d）所示；⑤調(diào)節(jié)探測部分的移動裝置，使標(biāo)記點(diǎn)在探測器中心，即探測部分出射光線與被測主軸軸線重合，粗調(diào)找正工作完成，光能量分布與軌跡如圖6（e）所示；⑥將探測部分的遮光板移開，此時可觀察到產(chǎn)生的干涉條紋，光能量分布如圖6（f）所示；⑦微調(diào)探測部分轉(zhuǎn)動裝置，使干涉條紋向環(huán)形中心移動并變寬，直至光能量在中心呈光斑，外圓呈圓環(huán)狀，光能量分布如圖6（g）所示，緩慢轉(zhuǎn)動被測主軸使找正部分跟隨轉(zhuǎn)動，若干涉條紋有寬窄變化則需要再次調(diào)整探測部分和找正部分的轉(zhuǎn)動裝置，直至條紋無變化，即找正部分相對探測部分轉(zhuǎn)動探測器檢測光能量始終如圖6（g）所示，則精調(diào)找正工作完成。

2.2 測試過程仿真

測試部分在找正過程中完成調(diào)節(jié)，卸下找正部分，將固定部分裝在被測主軸內(nèi)孔中被測量位置（一般為主軸工作端），當(dāng)被測主軸旋轉(zhuǎn)時，系統(tǒng)可以測試主軸軸向竄動情況，測試工作過程如圖7 所示。

圖7 測試工作過程示意圖

光源1 發(fā)出平面光波，經(jīng)過分光鏡2 分束后，一束進(jìn)入內(nèi)凹角錐反射鏡4 后原方向返回，與反射鏡3反射光束在探測器5 處形成干涉，當(dāng)內(nèi)凹角錐反射鏡4 沿被測主軸回轉(zhuǎn)軸線方向移動時，測其干涉條紋變化反求主軸軸向竄動情況。

當(dāng)內(nèi)凹角錐反射鏡4 在Z軸方向移動時，干涉條紋產(chǎn)生變化，而X、Y方向移動和擺動時，干涉條紋基本無變化，當(dāng)主軸前后竄動時，干涉條紋位置產(chǎn)生變化，如圖8（a）與（b）所示。

圖8 測試工作過程示意圖

通過仿真，可得到精度為四分之一探測波長的位移，采用0.500 μm 激光仿真測量結(jié)果，可測得主軸0.125 μm 軸向位移量，滿足精密機(jī)床主軸軸向竄動量小于2 ～3 μm 的測量范圍。若對干涉能量分布進(jìn)一步分析，則可進(jìn)一步提高測量精度。

3 結(jié)語

經(jīng)過找正過程，使探測部分出射光線與被測主軸軸線共線，測量系統(tǒng)中，固定部分采用內(nèi)凹角錐反射鏡，使光纖原方向返回，避免了主軸徑向位移和擺動角度對測量結(jié)果的影響，將主軸軸向竄動分離出來，得到更加精確的測量結(jié)果。