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三坐標軸激光焊接數控機床精度測試

2013-9-16 來源：作者：北京航空航天大學機械工（gōng）程及自動化學院汪蘇

1 引言

隨著（zhe）先進製造（zào）技術的發展（zhǎn），數控機床的（de）應用越來越普及，焊（hàn）接自動化（huà）設備也不斷應用。數控機床的（de）精（jīng）度（dù）是保（bǎo）證數控激光焊接加工過程中精度的重要因（yīn）素。數控機床（chuáng）的位置精度（也稱定位精度）是機床主要執行件（如工作台、主軸箱等）運動到程序所設定的目標的能力。在（zài）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。因此確定機床的位置精度對於激光焊接的精度控製（zhì）和工藝設（shè）計具有重（chóng）要意義。

2 位置（zhì）精度及計算理（lǐ）論

在（zài）一般的數控機床（chuáng）測試中，定位精度主（zhǔ）要包括以下幾項：定位精（jīng）度（dù）、重複定位精（jīng）度和反向間隙。定位精度的檢測常用兩套標準，代數定義法（fǎ）與數理統計定義法。目前，我國各類數控機床的定位（wèi）精度，采用數理（lǐ）統計定義法實施評定。數理（lǐ）統計定義法是對全行程上選取m 個目標位置，分別從正負兩個方向進行有限的n 次定位，測出每次移（yí）動時的位置偏差，所有位置偏差，是服從（cóng）正態（tài）分布規律的隨機變量，可（kě）以用有限（xiàn）個子樣的（de）統計量−x（平均值），S（標準偏差（chà））來近似代替n 趨近無窮時的母體統（tǒng）計量μ（數（shù）學期（qī）望）和σ（標準方差），正負向分別畫出一條正（zhèng）態曲線，所有可能位置的99.73%的±3S 作為分（fèn）散性寬度，這（zhè）樣就可以計算出位置誤差（chà）的各評定指標。

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

3 位置精度測（cè）試

3.1 激光幹涉儀組成

本機床測量采用（yòng）英國Renishaw 公司的（de）ML10 激光幹涉儀。其組成包括：三角架、ML10 激（jī）光頭、PC10或PCM10 顯示/控（kòng）製接口卡、相應的光學器件（分（fèn）光鏡、反光（guāng）鏡）、EC10 環境補償單元、數據分析軟件包等，如圖（tú）1。

ML10 激（jī）光幹涉儀的（de）工作波長為0.633μm，長期穩定性在1×10-7 以上（shàng）。采用PCM10 接（jiē）口卡與計算（suàn）機進（jìn）行數據傳送。係統帶有EC10 環境補償單元，用於測量（liàng）溫度、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（jiē）口控製單元，以補償波長的綜合變化。

3.2 激光幹涉（shè）儀測量原理

激光幹涉儀進行線性位置精（jīng）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的相對（duì）運動。激光幹涉儀測（cè）量時兩束幹涉波形是由一（yī）束（shù）穩定的相（xiàng）幹激光經（jīng）過分光而得到的兩束光波。這兩束光反射回（huí）來，經（jīng）分光鏡後在檢波器處形成幹涉光束。若兩束光的光程（chéng）差不變（biàn），檢波器所得到的信號為兩束光相長幹涉和相消幹（gàn）涉之間某一特定的穩定信號強度；若光程差值（zhí）發生變化，檢測器得到的信號隨（suí）兩（liǎng）束光相長幹涉和相消幹（gàn）涉在波長相差一周時發生改變。這些變化可記錄下（xià）來並（bìng）用於計算光程差的（de）變化。

在線（xiàn）性測量時，一個光束作為基準固定不變（如將一個反射鏡固定在分光（guāng）鏡上），以便將變化條紋轉換為第二個反射鏡位置變化。測量的基（jī）本公式為：

測量時係統的布局如圖2，線（xiàn）性幹涉鏡放置在ML10 激光頭和線性（xìng）反射鏡之間的光路上，從ML10發出的光束在線（xiàn）性幹涉鏡處分為兩束相（xiàng）幹光束，一束光從附加在線性（xìng）幹涉鏡上的反射鏡反射回激光頭，而另一束（shù）光要經由另一個（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（nèi）匯合，由激光頭內檢波器監（jiān）控這兩束光束的幹涉情況。當（dāng）坐標軸方向與激光方向（xiàng）垂直時，則應采用垂直的布局。

3.3 測試（shì）過程（chéng）

首先按照圖2 所示安（ān）裝好幹涉鏡和反射鏡，然後進行光路調試（shì）。測試（shì）X、Y 軸（zhóu）的線性（xìng）度時的調試過程如下（xià）：首先調整激光頭支架的水（shuǐ）平，隻有（yǒu）這樣才能保證激光頭水平。其次調整測（cè）量軸與激光平行，移動光學鏡，使激光穿過光學鏡的中心並與鏡麵垂直。具體操作如（rú）下：將一個光（guāng）學（xué）鏡放在（zài）機床的移（yí）動部件上，將（jiāng）機床靠近激（jī）光頭，使激光光束射到靶心上（圖3a），機床移（yí）動到遠端，光束可能會偏離靶心（xīn）（圖3b），上下左右平移激光頭，將（jiāng）光束調整到與靶心對稱的位置（圖3c），然後用傾斜和旋轉來（lái）調整激光頭，將（jiāng）激光（guāng）光柵調整回到靶心（圖3d）；再（zài）將機床移動到近（jìn）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，將光束調整到與靶心相差原偏差的兩倍的位置（圖3f），然後（hòu）用傾斜和旋轉（zhuǎn）來（lái）調整激光頭，將（jiāng）激光（guāng）光柵調整（zhěng）回（huí）到靶心（xīn）（圖3g）；重複以（yǐ）上所有步驟，直到在全行程內，光束均（jun1）保持在靶心。最後，將另一（yī）個光學鏡放到（dào）機（jī）床的靜止部件上，調整使反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（chéng）範圍內都能獲得可（kě）以用來測試的信號強度，就（jiù）可以進行測試了。測試過程采用程序控製，主軸每運（yùn）動（dòng）一定的距離采集一次數據。數據采集軟件會自動記錄並（bìng）保存。

4 數據分析

Ranishaw公（gōng）司的ML10 激（jī）光幹涉儀自（zì）帶了相應的分析（xī）軟件，通過（guò）該軟件對（duì）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（dù）（P）、反向重複定位精度（dù）(R)和（hé）反向間隙（xì）(B)。其結果（guǒ）如表1。

為了清晰，把正向和反向運動分成兩個部（bù）分單獨分析。分別計算出了每（měi）個目標點的位置誤差（chà），並求得了每個點多次趨向時的平均位置誤差。StandardDeviation 列表示的是每個目（mù）標點（diǎn）幾次正向趨（qū）近誤差的方（fāng）差值（zhí）。因為所有位置偏差（chà）是（shì）服從正態分布規律的隨機變量。所以相應地計算出了每個目標點的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（de）是每個目標（biāo）點的正向重複（fù）定位精度、反向重複定位精度和反向間隙（xì）。正向重複（fù）定位精度是用正向運動時相應點的最（zuì）大誤（wù）差max pos 減去最小（xiǎo）誤（wù）差min pos 而求得。相應地，反向重複定位精度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（zhí）與（yǔ）最小誤差值的差值。表1 的下（xià）麵列（liè）出的是測試軸所有位置的最終測試精度結（jié）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個（gè）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 分析可以得出如表2 所示的結果。各（gè）個軸中全程（chéng）定位精度最大的為Z 軸，其數值為199.4μm，正向重複定位精度最大的軸是X 軸，其數值為49.0μm。反向重複定位精度最（zuì）大值為88.7μm，反向間隙最大值為152.7μm，分別（bié）是Y 軸和X 軸。通過分析（xī）可以看出，不同的（de）定（dìng）位精度（dù）最大值出現在不同（tóng）的軸上（shàng）。Y 軸的總體精度比較高，在使用機床時應（yīng）盡量采用Y 軸作為工作軸。而Z 軸的精度相對（duì）較低，這與Z 軸（zhóu）的有效行程較小，測量誤差較大有一定關係。