用激光干涉仪测量数控机床主轴误差新法.pdf

· !! · 用激光干涉仪测量数控机床主轴误差新法 潘青友 （光动（苏州）精密仪器有限公司，江苏 苏州 #$%$$） !# $%’( ’) $*+,-./0 12./(3 4--’- ’) 5!5 $*6./ #.% 7*+- 8/%-)-’9%- ’() *+,-./0 （123/4.,5 （6078/0）’95:+;+/, ,;390=5,3; /? ，@34? ，6078/0 #$%$$，A)） 机床作为装备制造业的母机，在一个国家工业发 展中扮演着十分重要的地位，一国机床行业的水平直 接反应出该国制造业水平。机床的检验为机床质量的 优劣提供了判别的依据，随着世界范围内机床行业的 跨越式发展，机床检验技术和产品的发展在最近几十 年也取得了惊人的进步。从检验手段上看，从最初机 床检验靠工人经验判别，到依靠各种机械量仪，到现在 使用激光干涉仪检验，检验的精度不断得到提高。从 激光干涉仪检验的内容来看，从最初的单独测量机床 各轴的位移精度，扩展到分别测量定位精度、直线度、 平行度、垂直度等，再到现在使用分布体对角线测量法 测量机床的三维整体性能。尽管目前机床检验的水平 已经非常先进了，但一些对机床加工精度影响很大的 因素如机床主轴误差的检验仍然十分困难和不尽人 意。 目前测量机床主轴误差的一般测量技术是使用精 密主轴测试器、电容式变能器及示波器。精密主轴测 试器非常重并且需要定期校验，电容式变能器则受限 于灵敏度、测量范围及非线性。要求比较低的时候用 机械量表（千分表），在机床主轴静止时把表头调整 好，主轴转动的时候，根据量表的读数来确定主轴误差 的量。使用该办法时机床只能低速转动，精度差，易受 人为因素影响等限制，在实际生产中使用也比较少。 也有一些机床厂家对机床主轴用动平衡仪做动平衡实 验以期消除机床主轴的误差。用动平衡仪对机床主轴 进行动平衡实验有两个无法克服的缺点：（$）使用比 较麻烦，得到的仅是主轴部件的情况。众所周知，影响 机床主轴误差的因素不仅仅只是主轴，机床组装完成 后机床主轴的综合误差状态却无法准确得到；（#）机 床主轴的误差分径向误差和轴向误差，动平衡仪解决 的是径向误差的问题，机床实际使用过程中存在的轴 向误差却无法测量。从而导致机床主轴误差成了机床 检验的一个困难项目。对此光动公司利用其专利的激 光干涉仪技术开发出了可以非常方便地检测主轴径向 和轴向误差的激光测量最新技术。 众所周知，激光的波长极其稳定，因此在国际标准 中激光干涉仪是唯一公认的进行数控机床精度检定的 仪器。它可以测量各种规格尺寸的机床，甚至长达几 十米的机床，并可诊断和测量各种几何误差。其精度 比传统技术至少高 $ 倍以上。激光干涉仪可自动进 行数据采集，节省时间，避免操作者误差。光动公司的 激光干涉仪使用的是激光多普勒原理和光学外差原 理，它只有激光头和反射镜两个光学部分，因此在使用 过程中对光非常方便。同时由于它是单孔设计，出射 光和回射光进入同一光孔，使得利用该仪器非常容易 地进行机床各项误差（包含主轴误差）测量成为现实。 下文我们将介绍如何利用光动公司的激光干涉仪 来测量机床主轴轴向和径向的误差。 用聚焦镜将激光头输出的激光光束聚焦于 ! 光的 金属表面，可用金属球体来当作标靶。如图 $ 所示，将 精密的金属球体固定于主轴上，并将激光系统固定于 · !# · 床台上，聚焦镜可将激光光束聚焦于球体表面，旋转主 轴，激光系统与球体表面或主轴误差运动间的距离变 化可被测得。 实际使用时，将一个激光头指向 ! 方向，如图 $ 所示，首先用 ! 根细牙螺丝调校球体至旋转中心。再 旋转球体测试器的刀把至 $%’，因为对称的关系，偏 移量为主轴旋转轴与刀具中心线原来偏移量的两倍。 手动旋转主轴由 ! 到 ( ! 及由 到 ( ，在 ! 轴方向 的最大变异量为 ! ! # ，在 轴方向则为 ! # ，主轴旋 转轴与刀具中心偏移量 ! 计算如下： ! ) * + ! ! + # $ ! + ! # （$） ! % ,-./,0［ ! # ! ! # ］ （+） 如果仅需要测量机床主轴的径向误差，还可以直 接用一根刀杆安装在机床主轴上，利用刀杆做反射镜， 直接测量主轴的径向误差。如图 1、! 所示。 测量准确度受限于球体的圆度误差，一般为 2 3。为了测量所有主轴误差运动，旋转主轴并纪录各 次旋转的激光系统读取值 ! !（’）。在固定转速下的总 主轴误差运动可表示为角度 及转动圈数 ( 的函式。 # ) * （ ）) ) + 4 5)（ ）4 5) * （ ）， * ) $，+，1，?, （1） 其中 ) + 为基本的误差运动，5)（ ）为残留的误差运动， 5) * （ ）为不同步误差运动， 为旋转角度，, 为总旋转