基于激光干涉仪的圆度误差测试研究

吴倩倩+牟智刚

【摘 要】本文以FXYZ型机床为试验平台，采用了双频激光干涉仪，给出了一种非接触、在线测量机床加工圆度的测试方法，通过最小二乘法分析试验数据，结果表明：机床加速度和进给速度两个因素对圆度误差产生较大的影响，加工时合理选用加速度和进给速度，能有效减少加工圆度误差。测试结果反映了本文提出的试验方案能有效地提高测量精度和测量效率，为今后机床加工圆度误差的补偿研究提供了可行的实验方案。

【关键词】圆度误差；非接触测量；激光干涉仪

加工精度的提高体现了社会制造业技术水平的进步，精密、超精密加工已经成为现代制造业中技术竞争的关键领域[1]。进给机构插补的轮廓精度直接影响到其加工的工件精度，为了达到高精密加工标准，提高轮廓精度是数控机床技术研究的重要部分[2]。

圆度误差是指回转体的同一正截面上实际轮廓对理想圆的变动量。本文采用双频激光干涉仪，给出了一种非接触、在线测量机床加工圆度的测试方法。试验结果表明，本文提供的试验方案能有效地提高测量精度和测量效率，为机床加工圆度的补偿研究提供了可行的实验方案。

1 测量原理

本文以FXYZ型机床为例来说明基于激光干涉仪的圆形轨迹轮廓的测量原理[4]。如图1所示，将两块条状平面镜通过磁座固定于主轴头上，两台激光多普勒位移测量仪安放于机床工作台上，其中一台测量仪的激光束指向X方向，另一台激光束指向Y方向。当机床作圆运动时，平面镜相对于激光束的任何侧向平移或者平行移动，平面反射镜的反射光与向激光发射光始终是一致的，且平面镜宽只要略大于所走的圆弧直径即可。

机床在作圆运动时，X向激光普勒位移测量仪测得的位移是一条正弦曲线，Y激光普勒位移测量仪测得的位移是一条余弦曲线。将x、y方向测得的位移合成即可合成一个圆，现设激光普勒位移测量仪在x、y方向测得的位移值分别为x（k）、y（k）（k=0、1、2、…、N，N为走一圈的采样点数），则实际圆形轨迹的径向误差为[5]：

利用激光干涉仪可同时测得参与插补运动的两个轴的位移，并可获得相应的进给速度及加速度，也能对对、机床的复杂运动轨迹的动态误差也能测量，因此，利用激光干涉仪不仅可以获得与机床的几何精度、位置误差、重复精度有关的信息，还可以方便地获得与伺服控制系统有关的动态误差分量的信息，可以全面反映机床的轮廓加工性能。

2 试验步骤

步骤一：按照图1所示在直线电机试验台上安装测试部件。将两组带有平面反射镜的磁座安装在主轴的X和Y两个测量方向上，两组激光头固定在相应的加工台上，使激光镭射头射出的光束经过反光镜反射后分别平行于X轴方向和Y轴方向，反射镜组和激光头组在同一高度，激光孔部位安装光学调节器用以放大光信号强度，安装过程中要求各个组件牢固、无松动现象。大气压力及环境温度传感器和材料温度传感器放置于激光光路附近。

步骤二：连接激光干涉仪各测试组件，并通过激光干涉仪的RS-232口连接PC机，打开PC机和激光干涉仪，为让激光干涉仪稳定工作，需开启半小时后再进行一下步骤。

步骤三：在平面反射镜上加上磁性对光标靶，驱动主轴使反射镜组靠近激光头组，调节安装位置使得激光束对准标靶中心。

步骤四：驱动主轴使反射镜组远离激光头组，调节激光头上反光镜的调整螺栓使得激光束对准标靶中心。

步骤五：反复第三和第四步骤，使得在主轴移动过程中激光束始终在标靶中心，确保激光测量方向与主轴的X轴、Y轴方向一致。

步骤六：取下磁性对光标靶，调节反射镜组上的平面反射镜调整螺栓，使激光光速经过反射后回到激光头上的接受孔。

步骤七：打开PC机上的测试位移数据软件，按照测试计划和程序运行直线电机实验台和位移采集软件，保存位移数据。

步骤八：数据处理和分析。

3 数据处理与分析

从表1中看出当加速度a=4m/s2时已经产生相当严重的偏差，初步分析可能是由于加速度过大造成加工轨迹滑移，而加速度a位于1m/s2至2.5m/s2之间时误差无明显变化，进给速度F在2000mm/min到8000mm/min时误差经历一个先增后减再增的过程。由此可见数控机床加工圆时，并非速度越大或是越小产生的效果越好，而是要介于一定范围是才有较高精度，速度过小时阻尼力导致圆弧半径递减，过大则机床惯性导致反馈不及时而无法保证精确加工轨迹，加速度对数控机床的影响很大，不宜采用过大的加速度进行圆加工。

4 结论

（1）加速度过大对数控机床圆度测量结果影响较大，当机床加速度大于4m/s2时，误差突然增大。加速度在一定范围内，数控机床才有较高精度。

（2）圆度误差的大小随着加工进给速度是先增后减再增的变化过程，并不是进给速度越小，圆度误差越小。因此，加工时合理选用进给速度，能减少加工圆度误差。

【参考文献】

[1]唐立伟，曹胜男.超精密加工轮廓误差的LC-CCC补偿控制[J].云南民族大学学报，2008，17（3）：274-282.

[2]陈逢军.非球面超精密在位测量与误差补偿磨削及抛光技术研究[D].湖南大学，2010.

[3]高善平，赵衍青.基于三坐标测量圆度误差测量分析[J].电子制作，2014（14）：27-28.

[责任编辑：许丽]