激光干涉仪在数控机床几何误差检测与识别技术中的应用研究

国际金属加工网 2017年03月28日

误差补偿已成为提高数控机床精度的重要途径之一。机床误差补偿效果好坏取决于误差元素模型。所以,误差补偿的首要任务是要精确和有效地辨识各误差元素并建立误差模型。介绍利用激光干涉仪对机床误差检测和识别的方法,建立了基于该方法的几何误差模型。

近年来,随着数控机床的发展,它的精度问题也随之受到关注和重视。提高数控机床精度有两种基本方法:误差防止和误差补偿。效果比较明显的是误差补偿。误差补偿的首要任务是对数控机床误差元素进行准确检测。能否精确地检测和辨识数控机床的误差元素,直接关系到下一步所建立的误差模型能否准确反映数控机床的误差情况,并关系到所建误差综合模型是否准确,最终影响到数控机床误差补偿的效果。

在一般情况下,数控机床的几何误差占数控机床总误差的20% ~30%,而且这些误差是系统误差,可以通过误差补偿方法进行补偿,所以研究数控机床的几何误差对提高数控机床的加工精度具有重要意义。

激光干涉仪是利用光的干涉原理和多普勒效应产生频差的原理来进行位置检测的。两束振幅相同,频率分别为f1和 f2的左右圆偏振光由激光器1发出,经λ/4片之后变为振动方向垂直的线偏振光。分光器3将一部分光束反射,经检偏器4形成频率为f1、f2的信号,由接收器5接收为参考信号;另一部分光束通过分光器3进入偏振分光器6,其中平行于分光面的频率为f2的线偏振光完全通过偏振分光器6到达可动反射镜8。从反射镜7和反射镜8发射回来的两束光到偏振分光器6的分光面汇合,再经转向棱镜9、偏振器10,由接收器11接收为测量信号,测量信号与参考信号的差值即为多普勒频率差δf。计数器在时间t内计取频率为δf的脉冲数n,相当于在t区间内对频率f积分2 采用激光干涉仪的几何误差综合分析

对于三轴空间坐标系统,如果物体沿某一坐标运动,其运动就有6个自由度,因此,也就有6个几何误差分量,分别是3个坐标轴的直线度误差和3个坐标轴的转动误差。

双频激光干涉测量仪是目前测量机床平动单元误差的最为精密的测量仪器,在进行误差检验、误差补偿和误差评定时,双频激光干涉仪广泛用于精密测量。

用激光干涉测量仪进行测量实验时,选取的测量范围是:x轴为0~500mm,y轴为0~300mm,z轴为0~400mm的矩形区域;测量时把图形左下角的点定义为测量原点位置;测量时采取手动取样,每条测量线上取10个测量点;为减少测量过程人为因素及测量仪器和环境带来的误差,每条线往复运动三次进行测量;对应每条线的测量数据用matlab软件绘制出位移误差曲线;选取位移误差的测量间隔为50mm,在每个测量点上重复测量五次,并取平均值。

由于干涉仪只有测长功能,所以采用12线法进行测量。提出12线法就是要充分利用双频激光干涉测量仪在位移测量上的高精度特性,同时避免对平动轴的直线度误差和角度误差进行直接测量,从而达到精确辨识平动单元各项基本误差的目的。

将已知的定位误差、俯仰误差、偏转误差和直线度误差,含3n个待定系数的滚动误差和3个未知的垂直度误差代入式中,则得到一个含有 3(n+1)个未知量参数的方程。

根据前面推导的公式设计了实验方案,对三轴进行位移量误差测量。总共测量12条线,解得18个误差参数,即机床工作台的3个线位移误差和3个角位移误差,机床滑座的3个线位移误差和3个角位移误差,机床主轴箱的3个线位移误差和3个角位移误差。下面用图的形式表现线1测量实验数据,其余线略

数据分析及结果:在确定了机床的运动模型和初始参数,获得了12线的测量数据后,用vc和mat-lab进行误差数据计算,获得了21项误差参数,数控机床的21项误差参数求出后,通过插值的方法就可以计算出机床全部行程范围内的21项误差参数,作为误差补偿的基础。

利用激光干涉仪对数控机床的几何误差进行检测是一种成本低廉、测量效率高、操作简单而且测量结果具有较高可信度的实用方法,应用该方法进行测量可显著减少所需测量仪器、量具和量仪的数量及安装调整时间,便于在工业现场使用,有较好的市场前景。


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