激光测量技术在机床线性误差测量中的应用分析
2022-04-05
来源:易榕旅网
2016年2月 第35卷第2期 洛阳师范学院学报 Journal of Luoyang Normal University Feb.。2016 Vol|35 No.2 激光测量技术在机床线性误差测量中的应用分析 朱晓利 一,宋 艳 ,魏二平4,毛翠丽5 (1.河南理工大学电气工程与自动化学院,河南焦作454000;2.济源职业技术学院机电工程系,河南济源459000; 3.河南林业职业技术学院,河南洛阳471002;4.河南中光学集团有限公司,河南南阳473003; 5.南阳理工学院机械与汽车工程学院,河南南阳473004) 摘要:为消除数控机床在长期使用中定位精度和重复定位精度降低的现象,并对机床进行精度检测及误差 补偿,以ZJK7532A机床精度的检测为例,采用激光干涉仪对机床的线性误差和角度误差进行研究.通过调整 光路、搭建环境补偿以及设置软件参数等完成对系统的总体调试,进而通过Laser XL软件采集测量数据.根据 测量结果分析得出,该ZJK7532A华中数控钻铣床的精度已经超出机床允许的误差范围,需要进行误差方面的 修整,最后分析了激光干涉仪测量误差的来源. 关键词:激光干涉仪;角度测量;线性测量;误差分析 中图分类号:TG659;TH744.3 文献标识码:A 文章编号:1009—4970(2016)02—0037—05 20世纪中期数控机床诞生以来,机床加工精 度有了质的飞越.现代机床仪器设备精密度和准确 度较高,但是因为存在几何误差和标尺误差,还是 会产生较小的定位误差.为了使生产车间达到高质 量和提高生产率的目的,就需要对机床进行快速、 动态的校准,以求得最好的性能,校准过程必须精 确 一 . 近代,由于激光技术的出现与发展,光波干涉 床及三坐标测量机位置精度和几何精度的评价与标 定,并被设计得便携、易于调整和方便使用.该系 统由光学组件和设备组成,并可配置成各种不同应 用组合.激光干涉仪基本系统包括:xL_8O激光 头(带三角架)及相应的光学器件.光学器件可按测 量应用种类的要求分组任选.xC一80环境补偿单 元也是任选件,它可在线性位置精度测量中连续自 动补偿周围环境条件的变化. 1.2测量评定方法 法逐渐普及并发展成为工业生产与科学研究中精密 测量的主要手段之一.激光测量技术不仅是目前在 几何量测量方法中最常用的一种方法,还在机床精 度调整过程中起着相当重要的作用,它采用光电转 换、条纹计数等适于非接触测量及自动测量的方法 来测量长度,具有量程大、速度快、精度高等优点. 依据GB/T17421.2_2000标准,本次测量采用 线性循环采集的数据采集方式,测量时采用沿着机 床轴线方向快速移动的移动方式,在正负两个方向 上重复移动五次,用运动部件达到的实际位置减去 目标位置之差,测量出每个目标位置的偏差.最后 采用双向计算方法测量机床的位置精度. 假设目标位置和实际位置分别为P 和P¨下 标i表示移动目标位置中的指定位置,下标 表示 在机床误差测量与校正中,由于激光干涉仪具 有测量精度高、测量方法相对完善及测量技术相对 成熟的特点,用激光干涉仪检测数控钻铣床线性、 角度误差并进行误差补偿,对提高其加工精度具有 重要意义. 第. 次向第i个目标位置移动时实际到达的位置. 则目标位置偏差为 =1 Renishaw激光干涉仪系统及测量方法 正、负方向目标位置分别为 T、 1.1激光干涉仪系统 P 一P (1) ;目标位置 的单向平均位置偏差置T或置l为: 雷尼绍(Renishaw)激光干涉仪系统主要用于机 收稿日期:2016—02—01 作者简介:朱晓利(1980一),女,河南濮阳人,在读硕士,助教.研究方向:电学、电子科学与技术 ·37· 洛阳师范学院学报2016年第2期 置』,=÷∑ Jr J 1 (2) 绿色曲线代表机床沿x轴正向运行采集到的数据, 蓝色曲线代表机床沿x轴负向运行采集到的数据, 置T= ∑X t (3) 目标位置的反向偏差B 为 B =X f一置 (4) 沿轴线或绕轴线各个目标位置的反向偏差的绝 对值I曰 I中的最大值B=max[I I]. 目标位置的单向定位标准不确定度的估算值S t或Is 为 。。: 厂 —— ———————一 Si T √ ( T T) (5) 厂 —— —————■二二_一 Si』, √ ( J,一Xi J,)。 (6) 轴线单向定位精度A T或 可表示为: A T=max(Xi T+2S T)一min(置T一2.s f)(7) A =max(Xi T+2S J,)一rf(1n(Xi 一25 J,)(8) 2 激光干涉仪在线性测量中的应用分析 2.1线性测量数据采集与分析 机床的定位精度与重复精度数据见图1.其中, 平均位置偏差 重复精度(t) 目标(毫米) 囊舯}0Ol }熏蚴羞E: 0101680 }定位■度At 0.104;151 { B期l 20l3—05_1614:Ml 04 }单向It蔓Rt 0.00 ̄9 定位糟度A o102071 ; 轴:^ }单向lt蔓R 0.004#75 ;定位●啦A s o104251 } 图1 X轴线性测量GB/TI7421.2_2000三合曲线 ·38· 红色曲线代表正负两个方向平均位置偏差的平均 值.根据GB/T17421.2_2000评定标准,由以上数 据曲线图分析结果可以知道,ZJK7532A华中数控 钻铣床x轴的正向定位精度为104.251I.Lm,单向重 复精度为3.4591.Lm;机床x轴的负向定位精度为 102.071Ixm,单向重复精度为4.9751. ̄m;机床x轴 的定位精度为104.251 m. ZJK7532A华中数控钻铣床的精度要求为 20p ̄m,此处经过以上数据分析,机床的x轴线性 误差不符合规定范围.用同样的方法可分析出机床 的Y轴和z轴的定位精度,从而分析出机床的线性 误差是否符合规定范围. 2.2环境补偿的必要性 由图2和图3可知,xC—80环境补偿单元对 时.问气气对料料料胀爨 2差相材材材膨 空气温度、空气气压、相对湿度、材料温度等进行 温气湿温温温委度压度度度度列熬 ~ 雷尼绍激光干涉仪系统 …一…_环境数据到衷,,.…,, … …一,…一……,一一, 一,~ 模式:线性位移 文件:mfOO1.rtL 趋晶 ;2釉蠼名称:Z013-J0K5-751362 1A4 : : 蕃警覆叠 系列号:0o! :x 测量位置: 0 meDg ……橱题 一 _轴缘性测量… 。… …一, ……… … 一….~.一… ……… 数据,…一 ………一…,一 开始 一 ………、赞束 . ,..一 单位一 % ~ 图2 x轴线性测量环境数据列表 误差补偿图表 雷屉绍激光干涉仪系统 孤抛A日期: 2013-05- 16 14:24:04 : :萎罄看 zho umengfei釉:x 标题:x轴线性测量文件名:mf■但置: 0 O01.rtL ;}霍羹 {ll券 焉鐾吝向分项图表 增量值正负符号转换(霉奏换(率 )+/-)o.误差值 一.误差值 oolt ̄ ;补偿终点 补偿间隔 c鏊熹 是 二0o5 o 。o。o2器 米 .0.oooo毫米 髦 轴线位置 反向机进方向 (毫米) (0.001毫米) —35O.O000 l —300.OO00 9 -250.0I)00 18 —20o.000O 22 -150.oo00 8 一l00.OO0o l7 -50.OOOO 20 0.0O00 4 图3 x轴线性测量误差补偿图表 洛阳师范学院学报2016年第2期 了补偿,激光干涉仪系统对机床在X轴方向运行中 各个数据采集点正反向进行了误差补偿,其补偿数 据如图3所示. 精度为95.01弧秒.用同样的方法可得出Y轴的 正、负向定位精度和单向重复精度,根据得出的分 析结果,结合机床的规定精度值判断机床的整体误 差是否超出规定的范围,机床是否需要进行误差方 面的修整. 通过对有无进行环境补偿测得的结果进行对比 分析可知,有环境误差补偿时,机床的各个方向的 单向定位精度与重复定位精度以及机床的定位精 度,其数值都要比没有环境误差补偿时小很多.通 由以上综合分析结果可知,机床的整体误差超 出了规定的范围,机床需要进行误差方面的修整. 过这些对比数据也可以看出,在线性测量中环境补 偿的必要性.有环境补偿时,空气温度、相对湿度、 材料温度、环境参数等数值在测量开始与结束时是 不同的,因为系统对其进行了补偿,在机床运行 时,系统的误差补偿数值也相对较小. 3激光干涉仪在角度测量中的应用分 析 机床的定位精度与重复精度数据如图4所示. 其中,绿色曲线代表机床沿x轴正向运行采集到的 数据,蓝色曲线代表机床沿x轴负向运行采集到的 数据,红色曲线代表正负两个方向平均位置偏差的 平均值. 重复精度( ) x轴角度测量 O —lO -20 —3O 一40 -50 —60 —7O 一8O 平均位置偏差 O 鬻 —80 O -10 —2O -30 —40 -50 —6O 一7O -80 馨 莓 竺 ==! 兰::嫠鼙 嚣 篓 j遴器勰 : t … l图4 X轴角度测量GB/T17421.2_2000三合曲线 根据GB/T17421.2_2000标准,由数据曲线图 分析结果可知,ZJK7532A华中数控钻铣床的x轴 正向定位精度为85.9O弧秒,单向重复精度为 40.32弧秒;机床x轴的负向定位精度为88.90弧 秒,单向重复精度为42.24弧秒;机床x轴的定位 4激光干涉仪测量的误差分析 4.1环境误差 激光干涉仪测试时对测试环境的要求非常严 格,要求测试环境为恒温环境,并且尽量避免空气 流动.测试前,需将机床开机运行大概30分钟,使 机床的各个部件达到热稳定状态,并且各进给轴处 于较好润滑效果,避免润滑不均造成测试精度的降 低 “-171. 激光光束的波长精度决定了激光干涉仪的最佳 测量精度.而激光光束的波长不但由激光的稳定性 决定,而且跟该激光光束穿过空气时的空气折射率 有关,这里空气折射率主要由空气的气温、气压及 相对湿度决定. 气温、气压和相对湿度的变化等会对激光光束 在空气中的波长有较大的影响.在测量时,如果不 对激光波长的变化进行补偿,激光线性测量误差最 大可达到50ppm.即使在温度受控的房间内,日常 的空气压力变化也可能使波长变化达20ppm以上. 可导致1ppm误差的每项环境条件的变化参考如 下:空气温度:1。C(1.8。F);空气压力:3.3mbar (0.098inHg);相对湿度(20。c时):50%;相对湿 度(40。C时):30%. 这些值是在最恶劣条件下的影响值,在其它参 数值变化的情况下也会随之变化,为减小这些误差 可采用环境补偿法. 4.2死程误差 死程误差是一种在线性测量期间与周围的环境 变化有关的误差,产生于在定零点位置的过程中, 其值等于固定光学镜组与移动光学镜组之间的距 离.一般情况下死程误差值很小,仅出现在测量期 间发生环境变化时和清零后. 图5表示了路径L2的激光测量的死程误差图. 死程误差与系统在L 上清零时两个光学组件之间 的距离有关,如果干涉镜与反射镜之间的距离没有 变化,而激光光束的环境条件发生变化,则在整个 ·39· 侧视图 干涉仪(静止光学镜) 图5死程误差图 光路(L +L2)上激光光束的波长将发生变化,但 是仅在L’距离上激光测量系统得到补偿.由于光 束路径L 未得到补偿,从而产生死程测量误差. 为了尽量减小死程误差,可以在清零时将固定 光学镜组和移动光学镜组彼此相接.测量时,尽可 能在光学镜组彼此靠近时将激光清零,如果激光清 零时光学组件之间的距离在lOmm之内,那么在正 常条件下死程误差很小可以忽略不计. 4.3阿贝偏置误差 阿贝偏置误差产生于当光束与预定校准轴平 行,但有一个偏置角度的情况下,此时的机器角度 误差(例如俯仰或扭摆)会引起该误差,如图6所 示. 一 i ll 加长~ 3I 偏置( oomm) i; \I 扭摆角度 l \ (5弧秒) 图6阿贝偏置误差图 当激光测量光束与需要校准的线重合(或尽量 靠近)时,可以减少阿贝偏置误差的影响.比如,对 激光测量光束进行准直,使之靠近主轴中心线,可 以校准车床主轴的线性定位精度,从而降低机床扭 摆或俯仰误差对线性测量的影响.如果角度不变, 就不会引起Abbe误差,因为系统的运行是以相对 测量为基础的,而移动光学镜组将比“支点”领先 (或滞后)一个相同的距离¨ 坶 . 由此可以看出,在运用激光干涉仪进行线性与 角度测量时,为了得到准确数据,要尽可能地减少 镜组安装误差,并进行环境补偿,以便使外界干扰 减到最低. 4.4余弦误差 当激光测量系统的光路调整光束路径与运动坐 标轴未对准时会导致测量的距离和实际的距离之间 ·40· 洛阳师范学院学报2016年第2期 产生一个误差,由于该误差与1一CosO成正比,所 以该误差通常称为余弦误差.0为激光光束同运动 坐标轴线之间的误差夹角. 在测量时要进行光路的细调校准,以在测量坐 标全程上获得尽可能恒定的信号读数强度,然后微 转激光头,使测量读数值最大,由此来是余弦误差 减至最小. 5 结语 在搭建完激光干涉仪系统后调光时,一定要调 整好激光准直,否则机床运行一段距离后信号就会 快速变弱至无法接收到信号.激光光束准直调整得 好,信号灯就会出现全满状态,即五个信号灯全为 绿色,测量过程中信号也不会变弱以至于无法采集 到数据.此外,在进行线性测量时,由于激光波长 容易受到外界条件的干扰,还要利用环境补偿单元 对其进行补偿,使激光波长保持不变. 参考文献 [1]曹利波.利用激光干涉仪对机床定位精度的快速检测 [J].外与激光工程,2008(37):200. 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[责任编辑王保玉] Analysis of the Application of Laser Measurement Technology in the Measurement of Linear Error of Machine Tool ZHU Xiao—li ,SONG Yan ,WEI Er—ping ,MAO Cui—li 1.Institute of Electrical Engineering and Automation,Henan University of Technology, Jiaozuo 454000,China;2.Department of Mechanical and Electicalr Engineering,Jiyuan Vocational and Technical College,Jiyuan 459000,China;3.Henan Forestry Vocational College,Luoyang 471002,China;4.Henan Optical Group Co.,Ltd.,Nanyang 473003,China; 5.Nanyang Institute of Technology of Mechanical and Automotive Engineering,Nanyang 473004,China) Abstract:In order to eliminate the phenomenon of accuracy decay in positioning and repeated positioning with NC machine tools in the long-term use,and perform precision detection and error compensation,ZJK7532A ma— chine tool accuracy is taken as an example,the linear error and angle error of the machine tool is studied using la— ser interferometer.By adjusting the optical path,setting up the environmental compensation and setting software parameters,the overall debugging of the system is implemented and the measurement data have been obtained with Laser XL software.According to the measurement results,the precision of this ZJK7532A NC drilling and milling machine accuracy has exceeded the allowable machine tool error range,error adjustment is needed.In the end,the source of measurement error with laser interferometer is analyzed. Key words:laser interferometer;angle measurement;linear measurement;error analysis