三坐標軸激光（guāng）焊（hàn）接（jiē）數控機床精度測試-數控機床市場網

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三坐標軸激光焊接數控（kòng）機床精度測試

2013-9-16 來源：作者：北京航空（kōng）航天（tiān）大學機械工程及（jí）自動化學院汪蘇（sū）

1 引言

隨著先進製造技術的發（fā）展，數控機床的應用越來越普及，焊接自動化設備也（yě）不斷應用。數控機床的精度是保證數控激光焊（hàn）接加工過程中精（jīng）度的重要因素。數（shù）控機床的位置精度（也稱定位精（jīng）度）是（shì）機床主要執行件（jiàn）（如工（gōng）作台（tái）、主軸箱等）運（yùn）動到程序所設定（dìng）的目標的能力。在有定位裝置的機床中，特別是數控係統中，位置精度是一個重要的特征。因此確定機床的（de）位置精度對於激光焊（hàn）接的精度控製和工藝設計具有重要意（yì）義。

2 位置精度（dù）及計算理論

在一般的數控機床測試中，定位精度主要包（bāo）括以下幾項：定位精度（dù）、重複定（dìng）位精度和反向間隙。定位精度（dù）的檢測常用兩套標（biāo）準，代數定義法與數理統（tǒng）計定義法。目前，我國各類數控機床的定位精（jīng）度，采用數（shù）理統計定義法實施評定。數理統計定義法是對全行程（chéng）上（shàng）選取m 個目標位置，分別從正負兩個方向進行（háng）有（yǒu）限的（de）n 次定位，測出（chū）每次移動時的位置偏差，所有（yǒu）位置偏差，是服從正態分（fèn）布規律（lǜ）的隨機（jī）變量，可以用有限個子樣的統計量−x（平均值），S（標準偏差）來近似代替n 趨近無窮時（shí）的母體統計量μ（數學期望）和σ（標準方差），正負向（xiàng）分（fèn）別畫出一條正態曲（qǔ）線，所有可能位置的99.73%的±3S 作為分散性寬度（dù），這樣就可以（yǐ）計算出位（wèi）置誤差（chà）的各評定指標。

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

3 位置精度測試

3.1 激光幹涉（shè）儀組成

本機床測量采用英國Renishaw 公司的（de）ML10 激光幹涉（shè）儀。其組（zǔ）成包括：三角架、ML10 激光頭（tóu）、PC10或PCM10 顯示/控製接口（kǒu）卡、相應的光學器（qì）件（分光鏡、反光鏡）、EC10 環境補償（cháng）單元、數據分析軟件包等，如圖1。

ML10 激光幹涉儀的工作波長為0.633μm，長期穩定性在1×10-7 以（yǐ）上。采用PCM10 接口卡（kǎ）與計算機進行數據傳送。係（xì）統帶有EC10 環境補償單元，用於測量溫度、壓（yā）力和相對濕度這三個關（guān）鍵的環境參數，並把數據送到PCM10 接口（kǒu）控製單元，以補償波長的綜合變化。

3.2 激光幹涉儀測量（liàng）原理

激光幹（gàn）涉儀（yí）進（jìn）行線性（xìng）位置精度測量時（shí）運用的是一個光學元件相對於另一（yī）個（gè）光學元件（jiàn）間的相（xiàng）對運動。激光幹涉（shè）儀測量時兩束幹涉波形是由一束穩定的相（xiàng）幹（gàn）激光經過分光而得到的兩束光波。這兩束光反（fǎn）射回來，經分光鏡後在檢波器處形成（chéng）幹涉光束。若兩（liǎng）束光的光程差不變，檢波器所得到的信號為兩（liǎng）束光相長幹涉和相消幹涉之間某一特定的穩定信號強度；若光程差（chà）值發生變化，檢測器得到的信號隨（suí）兩束光相長幹涉和相消幹涉在波（bō）長相差一周時發生改變。這些變化可記錄下來並用（yòng）於計算（suàn）光程差的變化。

在線性測量時，一個光束（shù）作為基準固定不變（如（rú）將一個反射鏡固定在分光鏡上），以便將變化條紋轉換為第二個反射鏡位置變（biàn）化。測量的基本公式為（wéi）：

測量時係統的布局如圖2，線（xiàn）性幹涉鏡放置在ML10 激光頭和（hé）線性反射鏡之間的光路上，從ML10發出的光束在線性幹涉鏡處分為兩束相幹光束，一束（shù）光從附加在線性幹涉鏡上的反射鏡反射回激光頭（tóu），而另一束光要經由另一個線性反射鏡反射回激光頭，這（zhè）兩束反射光線在（zài）幹涉鏡內匯合（hé），由激光頭內檢波器監控這兩束光束的幹涉情況。當坐標（biāo）軸方向與激（jī）光方向垂直（zhí）時（shí），則應采用垂直的布（bù）局（jú）。

3.3 測試過程

首先按照圖2 所示安裝好幹（gàn）涉鏡和反射鏡，然後進行（háng）光路調試。測試X、Y 軸的線性度時（shí）的（de）調試過程（chéng）如下：首先調整激（jī）光頭支架的水平，隻有（yǒu）這樣才能保證激（jī）光頭水（shuǐ）平（píng）。其次調整測量軸與激光平行，移動光學鏡（jìng），使激光穿（chuān）過光（guāng）學鏡的（de）中心並與鏡麵垂直（zhí）。具體操作如下：將一個光（guāng）學鏡放（fàng）在機床的移（yí）動部件上，將機床（chuáng）靠近激光頭，使激光光束射到靶心上（圖3a），機（jī）床移動（dòng）到遠端，光束可能會偏離靶心（圖3b），上下（xià）左右平移激光頭，將光束調整到與靶心對稱的（de）位置（圖3c），然後用傾斜和（hé）旋轉來調整激光頭，將激光光柵調整回到靶心（圖3d）；再將機床移動（dòng）到近端，此時，光束仍然可能偏（piān）離靶心（圖（tú）3e），上下左右平移激光頭，將光束調整到與靶心（xīn）相差原偏（piān）差的兩倍（bèi）的位置（圖3f），然後用傾斜和旋轉來調整（zhěng）激光頭，將激光光柵調整回到靶心（圖3g）；重複以上所有步驟，直到在全行程內，光束均保持在靶心。最後，將另一個光學鏡放到機床的靜止部件（jiàn）上，調整使（shǐ）反（fǎn）射點與前麵那個反射點一起在靶心上即可(圖3h)。

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

4 數據分析

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

為了清（qīng）晰，把正向和反向運動分成兩個（gè）部分單獨分析。分（fèn）別計算出了每個目標點的位置誤差，並求得了每個點多次趨向時（shí）的平均位置誤（wù）差。StandardDeviation 列表示（shì）的是每個目標點幾次正向（xiàng）趨近誤差的方差值。因為所有位置偏（piān）差是服從正態（tài）分布規律的隨機變量。所以相應地計算（suàn）出了每個目標點的x j ＋ 3 S j−和x j － 3 S j−。在表中分別用mean+3s 和mean-3s 表示。

表1 分析的是每個目標點（diǎn）的正向重複定位精度、反向重複定位精度和反向間隙。正向重複定位精（jīng）度是用正（zhèng）向運動時相應點的（de）最大誤差max pos 減去（qù）最小（xiǎo）誤差min pos 而求（qiú）得。相（xiàng）應地（dì），反向重複定位精度revrep=max rev-min rev。反向（xiàng）間隙用bid rep 表示，是通過同一個目標點正向和反向趨（qū）近時，最大誤差值與最（zuì）小誤差值的差值（zhí）。表1 的下麵列（liè）出的是測試（shì）軸（zhóu）所有（yǒu）位置的最（zuì）終測試精度結果。

為了更形象地表示出（chū）測試過（guò）程每個（gè）點的位置誤（wù）差和整個測試軸的位置（zhì）精度，該分析軟件提供了相應的折（shé）線圖，如圖4～6。

由圖4～6 分析可以得出（chū）如（rú）表（biǎo）2 所示的結果。各個（gè）軸中全程定位精度最大（dà）的為Z 軸，其數值為199.4μm，正向重複定位精度最大的軸是X 軸，其數（shù）值為49.0μm。反向重複定位精度最大值為（wéi）88.7μm，反向間隙（xì）最大值為152.7μm，分別是Y 軸（zhóu）和（hé）X 軸。通過分析可以看出，不同的定位精度最大值（zhí）出現（xiàn）在不同的軸上。Y 軸的總體精度比較高，在使用機（jī）床時應盡（jìn）量采用Y 軸作為工作軸。而Z 軸的精度相對較低，這（zhè）與Z 軸的有效行程較小，測量（liàng）誤差較大有一定關係。