数字控制机床圆轨迹非接触式激光测量原理及应用

  仪器仪表/检测/监控数字控制机床圆轨迹非接触式激光测量原理及应用，ChariesWang上海交通大学机械与动力学院，上海200240；2美国光动公司）摘要：圆轨迹测量对数字控制机床的精度评价很重要。提出数字控制机床的非接触式激光测量方法，阐述该方法的特点及设备结构，推导基本数学模型，介绍基本测量流程并给出应用实例。该方法测量精确，操作便捷，尤其在小半径高进给这一其他方法的弱势领域表现优异。关键词：圆轨迹；激光；非接触；精度；数字控制机床中图分类号：TG386.文献标识码：A文章编号：1671—3133（2007）01—0098—03noncontactlasermeasurementcirculartestNCmachinetoolsHuWe，ChenZh-jun，YangJan-guo，ChariesWangMechancaiEngneerng，ShanghaJaotongUnversty，Shangha200240，CHN；OptodyneIncorporaton，UntedStates）Abstract：ThecrcuiartestaccuracyevaiuatonNCmachnetooisnoncontactiasermeasurementntro-ducedherenciudngappicatonsThsmethodhasadvantagehgh-speediowradusmeasurmentKeywords：Crcuiartest；Laser；Noncontact；Accuracy；NCmachnetoois引言圆轨迹测量对数字控制机床的运动诊断具备极其重大的意义。机床的圆轨迹运动精度能全面地反映出机床的加工性能及误差。因此机床走圆的轨迹可拿来对机床的轮廓加工精度进行评价，圆轨迹测量已被国际标准化组织ISOASME认可为机床精度评定的有效方法。国内外对圆测量的研究很多，也取得了一定的成果。20世纪80年代初，瑞士Knapp博士为经验测试三坐标测量机的坐标系而开发出来圆盘，为圆测量奠定了基础。在此之后，又陆续出现了双球规球杆仪方法、双环丝线仪、全周电容———圆球法、二连杆机构———角编码器法、四连杆机构法等方法。这些测量方法各有特点，在不同时期，不相同的领域得到了具体的应用。但随着现代制造业的发展，一些老的方法受限于量程、操作便捷性和仪器成本等因素，已经逐渐被淘汰。而双球规球杆仪方法虽然以其种种优点仍然得到普遍应用，但是也逐渐跟不上技术发展的要求，尤其在当代高精密加工的重要方向———高进给、小曲率加工上，更是表现出不足，很难正确反映出伺服系统造成的误差。光测量技术的发展为数字控制机床的圆轨迹测量提供了新思路，罗达大学机械工程系的JohnZegert教授领导的研究小组开发了3D激光球杆，但是该方法设备制造困难，仪器的标定和修正复杂。平面正交光栅测量法是德国Hedenhan公司发明的，最早报导于1996年，设备制造困难、造价较高，测量半径小，不利于普及。此外，也有一些应用多普勒激光仪做测量的初步思想，但是尚不成体系。本文系统地提出一种新的圆运动轨迹测量方法———非接触式激光测量方法。非接触式激光测量方法及其特点非接触式激光测量（NoncontactLaserMeasure-高等学校全国优秀博士学位论文专项基金资助项目（200131）仪器仪表/检测/监控现代制造工程2007ment，NLM）方法是一种使用平面反射镜作为标靶的单头激光多普勒位移测量仪，进行圆轨迹运动精度的非接触测量方法。该办法能够在半径为150mm（视平面反射镜长度可增加）的范围内，测量数字控制机床作任意半径的圆轨迹运动误差，因此能比较全面地反映数字控制机床的运动误差。如图1所示，将两台激光多普勒位移测量仪固定于机床工作台上，并使它们的发射光束分别平行于轴。将平面镜通过磁座固定于主轴头上并分别与发射光束垂直，平面镜宽度需略大于所走的圆弧直径。则机床作圆运动时，平面反射镜的反射光与激光发射光始终是在同一路径上，X向激光多普勒位移测量仪测得的是一条正弦曲线，Y向激光多普勒位移测量仪测得的位移是一条余弦曲线，将X、非接触式激光测量原理双球规球杆仪方法是目前应用最广泛的一种圆轨迹测量方法。在此将以双球规球杆仪方法为参照，简述非接触式激光测量方法的特点，如表1所示。非接触式激光测量方法与双球规球杆仪方法对比类别双球规球杆仪测量非接触式激光测量结构特点伸缩球杆激光是否接触接触非接触轨迹半径固定的若干特定半径到3in（2.54~76.2mm）间任何半径进给速度1200in/min（30.48m/min）12000in/min（304.8m/min）数据采集速度250测量维度仅径向二维速度/加速度测量不能测量能测量校准需转换器校准激光精度，无限校准工具轨迹能力没有非接触式激光测量方法的主要优点为：1）非接触测量，可作任意轨迹测量，对于圆轨迹，运动半径可以连续变化。2）测量时无需电缆，可以重复测量任意多圈。与传统双球规球杆仪相比，无重力、摩擦、温度、接触面粗糙度等导致的机械误差。3）可以对机床复杂轨迹的插补运动来测试。4）不但可以同时测得参与插补运动的两个轴的位移，而且还能直接获得相应的进给速度及加速度，因此能方便地获得与伺服系统有关的信息，全面反映机床性能。非接触式激光测量方法基本理论以三轴加工中卜机床在平面内进行非接触式激光测量方法检测为例，对该方法的相关理论和公式进行推导和讨论。对两轴联动走圆轨迹，可以有：方向测得的位移值分别为为理想圆轨迹半径。对实际圆形轨迹进行最小二乘拟合，就可以获得圆轨迹的非圆度。对于圆轨迹有：两边微分得：CR=（xCx式（3）说明：机床在走圆轨迹运动时，其径向误差是机床各误差分量的综合反映，通过径向误差可反求（辨识）数字控制机床的误差分量。因此式（3）是对数字控制机床源误差做多元化的分析时的基础。式（3）转换为增量式即得非接触式激光测量方法的基本方程式（4）。非接触式激光测量应用实例上述已经提出，非接触式激光测量方法最明显优势，就是对小半径、高进给轨迹的测量。针对这一优势，进行了实际测量实验，如图2所示，用一台激光多普勒位移测量仪在三轴数控加工中卜机床的XOY面进行圆轨迹误差测量，分别在同一半径条件下、四种不同进给速度及同一进给速度、四种不同半径条件下进行了圆轨迹误差测量，每次测量都为顺时针、逆时针各测3圈，并分别从中取一圈进行合成。以恒定的25mm半径、四种不同进给速度条件下的圆轨迹轮廓误差所对应的半径及圆度变化如表2仪器仪表/检测/监控NLM方法应用实例相同半径、不同进给速度测量对比测试号进给速度/（mm33+1019+3-3538以一恒定的进给速度50mm/s，用四种不同半径条件下的圆轨迹轮廓误差所对应的半径及圆度误差如表3所示，非接触式激光测量方法测得的圆轨迹图 如图4 所示。 不同半径、相同进给速度测量对比测试号 名义半径/ mm 半径变化/ -13148 10-75 39 25-40 43 50-19 45 由两组试验的测试结果可看出，在半径不变的情 况下，随进给速度的提高，由于伺服响应滞后引起的 圆轨迹误差逐渐增大；在进给速度不变的情况下，随 进给半径的减小，由伺服响应滞后引起的半径变化越 来越大，但圆度误差不大，与理论比较接近。 结论本文提出的非接触式激光测量方法，将激光技术 应用于数字控制机床圆轨迹测量中，继承了其他方法的优 点，弥补了它们的不足。目前，已经有基于该方法的 测量仪器及软件系统投入实际应用，精度达到 01!m，该方法测量精度高，效率高，而且能对小半径、高进给速度的圆轨迹进行高效测量，具有广f的 应用前景。 dimensionaIuncertainty machinetooIs measuringmachine itsreIation machineerrors ，1983，32 （1）：459 -464 苏恒数字控制机床的运动精度诊断———评述与对策［J］ 机械工程学报，2002（2） IaserbaII bar machinetooI metroIogy recisionEn gineering ，1994 ，16（4）：259 -267 任永强，杨建国数字控制机床误差的圆轨迹运动激光非 接触测量新方法［J］ 产品与技术，2004（8） 作者通讯地址：上海交通大学阂行校区726 信箱（200240） 电线） EmaiI：reaIove@ sjtu edu cn 收稿日期：20061021