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三坐標（biāo）軸激光焊接數（shù）控機床精度測試

2013-9-16 來源：作者：北京航空航天大學機械工程及自動化學院汪蘇

1 引言

隨著（zhe）先（xiān）進製造技術的發展，數控機床的應用越來越普及，焊接自（zì）動化設備也不斷應（yīng）用。數控機床的（de）精（jīng）度是保（bǎo）證數控激光焊接加工過（guò）程中精（jīng）度的重要因素。數控機床的位（wèi）置精度（也稱定位精（jīng）度）是（shì）機床主要執行件（如工作台、主（zhǔ）軸箱等）運動到程序所設定的目標的能力。在有定（dìng）位裝置的機床中，特別是數控係統（tǒng）中，位（wèi）置精度是一個重要的特征（zhēng）。因此確定機（jī）床的位置精度（dù）對於激光（guāng）焊接的精度（dù）控製和工藝設（shè）計具有重要意義。

2 位置精度及計算理論

在一般（bān）的數控機床測試中，定位精度主要包括以下幾項（xiàng）：定位精度、重複定（dìng）位精度和反向間隙。定位精度的（de）檢測常用兩套標準，代（dài）數定義法與數理統計定義法。目前（qián），我國各類數控機床的定（dìng）位精度（dù），采用數理統計定義法實施評定。數（shù）理統計定（dìng）義法是對全行程上選取m 個目標位置，分別從（cóng）正負兩個方向進（jìn）行有限（xiàn）的n 次（cì）定位，測出每次移動時的位置偏差，所有位置偏差，是（shì）服從正態分布（bù）規律的隨機變量，可以（yǐ）用有限個子樣的統計量−x（平均值），S（標準偏差）來（lái）近似代（dài）替（tì）n 趨近（jìn）無窮時的母體（tǐ）統計量μ（數學（xué）期望）和σ（標準方差），正負向分別畫出一（yī）條正態曲線，所有（yǒu）可能位置的99.73%的±3S 作為分（fèn）散性寬度，這樣就可以計算出（chū）位置誤差的各評定指標。

重複定位精度：Rj = 6S j（正負方向分別計算（suàn））單向全程定位（wèi）精度

3 位置精度測試

3.1 激光幹涉儀組成

本機床測量采用英國Renishaw 公司的ML10 激光幹涉儀。其組成包括：三角架、ML10 激光頭、PC10或PCM10 顯示/控製接（jiē）口卡、相應的光學器件（分光鏡、反（fǎn）光鏡）、EC10 環境補償單元、數據分析（xī）軟（ruǎn）件包等，如圖1。

ML10 激光幹涉儀的工作波（bō）長為0.633μm，長（zhǎng）期（qī）穩定性在1×10-7 以上。采用PCM10 接口卡與計算機進行數據傳送。係統帶有EC10 環境補償單元，用於測量溫度（dù）、壓力和相對濕度這三個關鍵的環境參數，並把數據送到PCM10 接口控製單元，以補償波長的綜合變化。

3.2 激光幹涉儀測量原理

激光幹涉儀進行線性位（wèi）置精度測量時運用的是一個光學元件相對於另一個光學元件間（jiān）的相對運動。激光幹（gàn）涉儀測量時兩束幹涉波形是（shì）由一束穩定的相幹激光經過分光（guāng）而得到的兩束（shù）光波。這兩（liǎng）束光反射回來，經（jīng）分光鏡後在檢波器處（chù）形成幹（gàn）涉光束。若兩束光的（de）光程差不變（biàn），檢波（bō）器所（suǒ）得到的（de）信號為兩束光（guāng）相長幹涉和相消幹涉之間某一特定的穩定信（xìn）號（hào）強度；若光程差值發（fā）生變化，檢測器得到的信號（hào）隨兩束光相長幹涉和相消幹涉在波長相差一周時發生改變。這些變化可記錄下來並用於計算光程差的變化。

在線性測量時，一個光束作為基準固定（dìng）不（bú）變（如將（jiāng）一個反射鏡（jìng）固定在分光鏡上），以便將變化條紋轉換為第二個反射鏡位置變化。測（cè）量的基本公式為（wéi）：

測量時係統的布局如圖2，線性幹涉鏡放置（zhì）在ML10 激（jī）光頭和（hé）線性反射鏡之間（jiān）的光（guāng）路上，從ML10發出（chū）的光束在線性幹（gàn）涉鏡（jìng）處分（fèn）為兩束相幹光（guāng）束，一束光從附加在線性幹涉鏡上的反射鏡反射回激光頭，而另一束光要經由另一（yī）個（gè）線性反射鏡反射回激光頭，這兩（liǎng）束反射光線在幹涉鏡內匯合，由激光（guāng）頭內檢波器監控這兩束光束的幹涉情況。當坐標軸方向與激光方向垂直時，則應采用垂直的布局（jú）。

3.3 測試過程

首先按照圖2 所（suǒ）示安裝好幹涉鏡和反射鏡，然後進行光路調試。測（cè）試X、Y 軸的線性度時的調試過程如（rú）下：首先調整（zhěng）激光頭支架的水（shuǐ）平，隻有這樣才能保（bǎo）證激光頭水平。其次調整測量軸與激光平行，移動光學鏡，使激光（guāng）穿過光學鏡（jìng）的中心並與鏡麵垂直。具體操作如下：將一（yī）個光學鏡放（fàng）在機床的移動部件上，將機床靠近激光（guāng）頭，使激光光束（shù）射到靶心上（圖3a），機床移動到（dào）遠端，光束可能會偏離靶心（圖3b），上下左右平移激光頭，將光（guāng）束調整到與靶心對稱的位置（圖3c），然後（hòu）用傾斜和旋轉來調整激光頭，將激光光柵調整回到靶心（xīn）（圖3d）；再（zài）將（jiāng）機床移動到近端，此時，光束仍然可能偏（piān）離靶心（圖3e），上下左右平移激光頭，將光束（shù）調整到與靶心相差原偏差的（de）兩倍的位置（圖3f），然後用傾斜（xié）和旋轉來調整激（jī）光頭，將激光光柵調整回到靶心（圖3g）；重複以上所有步驟，直（zhí）到在全行程內，光（guāng）束均保持在靶心。最後，將另一個光學鏡（jìng）放到機床的（de）靜止部件（jiàn）上，調整使反射點與前麵那（nà）個反（fǎn）射點一起在（zài）靶（bǎ）心上即可(圖（tú）3h)。

調試直至全程範圍內都能（néng）獲得可以用來測試的信號強度，就可以進行（háng）測試了。測試過程采用程序控製，主軸每（měi）運動一定的距離采集一次數據。數據采集軟件會自動（dòng）記錄並保存。

4 數據分析

Ranishaw公司的ML10 激光幹涉儀自帶了相應（yīng）的分析軟件，通過該軟件對測量數據進行分析，得出了機床在三個坐標軸方向上的定位精度(A)、正向重複定位精度（P）、反向重複定位精度(R)和反向間隙(B)。其結果如表1。

為了（le）清晰，把正向（xiàng）和反向（xiàng）運動分成兩個部分單獨分析。分別計算（suàn）出了（le）每個目標點的位置（zhì）誤差，並求得了每個（gè）點多次趨向時的平均位置誤差。StandardDeviation 列表示的是每個目標點幾次正向（xiàng）趨近誤差的方（fāng）差值。因為所有位置偏差是服從正態分布規律的隨（suí）機變量。所以（yǐ）相（xiàng）應地計算（suàn）出了每個目（mù）標點的（de）x j ＋ 3 S j−和x j － 3 S j−。在表（biǎo）中分別用mean+3s 和mean-3s 表示。

表1 分析（xī）的是每個目標點的正向重複（fù）定位精度、反向重複定位精度和反向間隙。正向重複（fù）定位精度是用正向（xiàng）運動時相應點的最大誤差max pos 減去最小誤差min pos 而求得。相應地，反向重（chóng）複定位精度revrep=max rev-min rev。反向間隙用bid rep 表示，是通過同一個目標點正向和反向趨近時，最大誤差值與最小誤差值的差值。表1 的下麵列出的是測（cè）試軸所有位置的最終（zhōng）測（cè）試精度結果。

為（wéi）了更形象地表示出測試過程每個點的位置誤差和整（zhěng）個測試軸的位置精度，該分析軟件提供了相應的折線圖，如圖4～6。

由圖4～6 分（fèn）析可以得出如表2 所示的結果。各個軸中全程定位精度最大的為Z 軸，其數值為199.4μm，正（zhèng）向（xiàng）重複定位精度最大的軸是（shì）X 軸，其數（shù）值為49.0μm。反（fǎn）向重複定位精度最大值為88.7μm，反向間隙最大值為152.7μm，分別是Y 軸和（hé）X 軸（zhóu）。通過（guò）分析（xī）可以（yǐ）看出，不同的定位精度最大值出現在不（bú）同的軸上。Y 軸的總體精度比較高，在使用機床時應盡（jìn）量采用Y 軸作為工作軸。而Z 軸的精度（dù）相對較低，這與Z 軸的有效行程較小，測量誤（wù）差較大有一定關係。