CN100500369C - 用激光干涉法测量数控机床圆轨迹的方法 - Google Patents

Abstract

本发明为用激光干涉法测量数控机床圆轨迹的方法，为数控机床的精度检测方法，解决已有检测方法精度不高，所用工具适用范围不广，操作不便的问题。位于数控机床工作台上的直角坐标机构将数控机床工作台与主轴的相对圆运动分解为X、Y两个方向的分量，用激光干涉仪测量出这两个分量值或它们的差值，根据测量值计算出圆运动的实际轨迹。

Description

用激光干涉法测量数控机床圆轨迹的方法

技术领域：

本发明与数控机床圆轨迹偏差的检验方法有关。

背景技术：

数控机床的圆轨迹指数控机床主轴和工作台之间的相对圆运动的轨迹，名义轨迹与实际轨迹的偏差是数控机床的重要技术指标。GB/T17421.4-2003“机床检验通则第四部分：数控机床的圆检验”规定了数控机床的圆检验包括圆滞后H、圆偏差G和半径偏差F。

圆滞后H指两实际轨迹的最大半径差，其中一个轨迹是顺时针轮廓运动，另一个是逆时针轮廓运动；

圆偏差G指包容在实际轨迹上的两个同心圆的最小半径差；

半径偏差F指实际轨迹与名义轨迹的偏差。

测量出控机床的实际轨迹，通过计算即可得到上述三项偏差值。

定位偏差、轴线不垂直度偏差、坐标系的周期偏差、反向误差、加速度误差、位置环增益误差等都直接影响数控机床的圆轨迹偏差。

GB/T 18400.6-2001“加工中心检验条件第6部分：“进给率、速度和差补精度检验”和GB/T 18400.8-2001“加工中心检验条件第8部分：“三个坐标平面上轮廓特征的评定”都规定了圆滞后H、圆偏差G和半径偏差的检测方法。

按GB/T17424.1-1998中6.6.3的规定，采用的检验工具为回转的一维测头、或圆盘和二维测头、或球杆仪。

球杆仪是目前最常使用的测量工具，它是一个可伸缩的长度传感器，两端分别安装在数控机床的主轴和工作台上，当工作台以球杆仪长度为名义轨迹半径做圆运动时，长度传感器记录下实际轨迹半径与名义轨迹半径的差值。

球杆仪有一系列标准长度，如100mm、200mm、300mm等，使用时必须根据球杆仪的长度确定名义轨迹的半径。测量时按时间间隔采集数据。

在测量实际轨迹半径时，需要用激光干涉仪标定球杆仪的长度。

发明内容：

本发明的目的是提供一种结构简单的用激光干涉法测量数控机床圆轨迹的方法。这种方法适用范围广，操作简便，对实际轨迹半径的测量精度高，在本发明提出的直角坐标机构工作范围内，可以采用任意的名义轨迹半径进行测量，不用标定。

本发明是这样实现的：

本发明用激光干涉法测量数控机床圆轨迹的方法，数控机床位于工作台上的直角坐标机构将数控机床工作台与主轴的相对圆运动分解为X、Y两个方向的分量，用激光干涉仪测量出这两个分量值或它们的差值，根据测量值计算出圆运动的实际轨迹。

用激光干涉法测量数控机床圆轨迹的方法，其步骤如下：

a.将底座1和激光干涉仪的激光头4固定于数控机床的工作台上，与X轴同向横臂2与底座1的滑道滑动配合，夹持器3安装于数控机床主轴上与横臂2滑动配合；

b.将第一角偶反射镜6固定在分光镜5上，分光镜5固定在横臂2的端部，第二角偶反射镜7固定在底座1的滑道端部，激光干涉仪的激光头4、分光镜5和第二角偶反射镜7在Y方向的同一轴线上，激光干涉仪的激光头4发出的激光在分光镜5分光，一束指向第二角偶反射镜6，另一束指向第一角偶反射镜7，

c.将数控机床工作台运行至需要测量的名义轨迹中心，调整底座1在工作台上的位置，使夹持器3位于横臂2的中点，横臂2位于底座1滑道的中点，激光干涉仪清零，数控机床工作台沿X方向或Y方向运行名义轨迹半径的距离，

d.数控机床工作台相对于主轴作圆运动，第二角偶反射镜7和分光镜5之间的光程变化，工作台沿Y轴的移动距离在激光干涉仪的计算机上读出，得到圆运动的Y分量，激光干涉仪按工作台相对于主轴的旋转角度β或时间间隔t采集旋转一周的Y分量，

e.将第二角偶反射镜7取下，轴向不变固定在分光镜5上，将第一角偶反射镜6取下，轴向不变固定在夹持器3上，重复c步骤和d步骤的过程，采集工作台相对于主轴旋转一周的X分量，

f.根据各采样点的Y分量和X分量计算出该点的实际轨迹半径R，这些半径R的组合即为实际轨迹。

3、根据权利要求1所述的用激光干涉法测量数控机床圆轨迹的方法，其步骤如下：

a.将底座1和激光干涉仪的激光头4固定于数控机床的工作台上，与X轴同向横臂2与底座1的滑道滑动配合，夹持器3安装于数控机床主轴上与横臂2滑动配合；

b.将第一角偶反射镜6固定在夹持器3上，第二角偶反射镜7固定在底座1的滑道端部，分光镜5固定在横臂2端部，激光干涉仪的激光头4、分光镜5和第二角偶反射镜7同在Y方向同一轴线上，激光干涉仪的激光头4发出的激光在分光镜5分光，一束指向第一角偶反射镜6，另一束指向第二角偶反射镜7，

c.将数控机床工作台运行至需要测量的名义轨迹中心，调整底座1在工作台上的位置，使夹持器3位于横臂2的中点，横臂2位于底座1滑道的中点，激光干涉仪清零，数控机床工作台沿X方向或Y方向运行名义轨迹半径的距离，

d.数控机床工作台相对于主轴做圆运动，第一角偶反射镜6与分光镜5之间的光程和第二角偶反射镜7与分光镜5之间的光程都产生变化，激光干涉仪测得的值是这两个距离之差，即Y分量与X分量的差值，激光干涉仪按工作台相对于主轴的旋转角度β或时间t采集旋转一周的Y分量与X分量的差值，

e.根据各采样点的Y分量和X分量的差值计算出该点的实际轨迹半径R，这些半径R的组合即为实际轨迹。

附图说明：

图1为本发明的直角坐标机构图。

图2为用直角坐标机构测量Y分量的结构图。

图3为用直角坐标机构测量X分量的结构图。

图4为按角度采样合成的实际轨迹图。

图5为按时间采样合成的实际轨迹图。

图6为用直角坐标机构测量Y分量和X分量之差的结构图。

图7为以差值表示的实际轨迹和名义轨迹图。

具体实施方式：

实施例1：

用激光干涉法测量数控机床圆轨迹的方法，其步骤如下：

a.将具有Y轴方向滑道的底座1和激光干涉仪的激光头4固定于数控机床的工作台上，与X轴同向的横臂2与底座1的滑道滑动配合，夹持器3安装于数控机床主轴上与横臂2滑动配合，

b.将角偶反射镜6固定在分光镜5上，分光镜5固定在夹持器3上，角偶反射镜7固定在底座1的滑道端部，激光干涉仪的激光头4、分光镜5和角偶反射镜7同在Y方向同一轴线上，激光干涉仪的激光头4发出的激光在分光镜5分光，一束指向角偶反射镜6，另一束指向角偶反射镜7，

c.将数控机床工作台运行至需要测量的名义轨迹中心，调整底座1在工作台上的位置，使夹持器3位于横臂2的中点，横臂2位于底座1滑道的中点，激光干涉仪清零，数控机床工作台沿X方向或Y方向运行名义轨迹半径的距离，

d.数控机床工作台相对于主轴作圆运动，角偶反射镜7和分光镜5之间的光程变化，工作台沿Y轴的移动距离在激光干涉仪的计算机上读出，得到圆运动的Y分量，激光干涉仪按工作台相对于主轴的旋转角度β或时间间隔t采集旋转一周的Y分量，

e.将角偶反射镜7取下，轴向不变固定在分光镜5上，将角偶反射镜6取下，轴向不变固定在夹持器3上，重复c步骤和d步骤的过程，采集工作台旋转一周的X分量。

测量数据采集处理有两种方法：

①由数控系统编程按照数控机床工作台相对于主轴的旋转角β采样激光干涉仪的读数，然后将两个分量按照β角合成，得到该角度的实际轨迹半径，如图4所示。

在β角处的实际轨迹半径R_(β)由下式得出：

$R_{\left(\mathrm{\β}\right)}=\sqrt{{x_{\left(\mathrm{\β}\right)}}^2+{y_{\left(\mathrm{\β}\right)}}^2}$

X_(β)、Y_(β)、分别为在工作台相对于主轴转角为β时的X分量值和Y分量值。

②按照时间间隔采样激光干涉仪读数，此时两个分量的采样数据按照采样时间t合成，得到该时刻的实际轨迹半径，如图5所示。

在t时刻的实际轨迹半径R_(t)由下式得出：

$R_{\left(t\right)}=\sqrt{{x_{\left(t\right)}}^2+{y_{\left(t\right)}}^2}$

X_(t)、Y_(t)、分别为在工作台相对于主轴旋转t时刻的X分量值、Y分量值。

采用的时间间隔t₍₀₎根据数控机床在名义圆轨迹的进给率r、每个圆周期的采样数n确定：

t₍₀₎＝2πR₀/nr

R₀为名义轨迹的半径。

根据R_(β)或R_(t)合成得到实际轨迹，将实际轨迹与名义轨迹比较即可得到数控机床的圆轨迹偏差。

实施例2：

用激光干涉法测量数控机床圆轨迹的方法，其步骤如下：

a.将具有Y轴方向滑道的底座1和激光干涉仪的激光头4固定于数控机床的工作台上，与X轴同向的横臂2与底座1的滑道滑动配合，夹持器(3)安装于数控机床主轴上与横臂2滑动配合，

b.将角偶反射镜6固定在夹持器3上，角偶反射镜7固定在底座1的滑道端部，分光镜5固定在横臂2端部，激光干涉仪的激光头4、分光镜5和角偶反射镜7同在Y方向同一轴线上，激光干涉仪的激光头4发出的激光在分光镜5分光，一束指向角偶反射镜6，另一束指向角偶反射镜7，

c.将数控机床工作台运行至需要测量的名义轨迹中心，调整底座1在工作台上的位置，使夹持器3位于横臂2的中点，横臂2位于底座1滑道的中点，激光干涉仪清零，数控机床工作台沿X方向或Y方向运行名义轨迹半径的距离，

d.数控机床工作台相对于主轴做圆运动，角偶反射镜6与分光镜5之间的光程和角偶反射镜7与分光镜5之间的光程都产生变化，激光干涉仪测得的值是这两个距离之差，即Y分量与X分量的差值。

激光干涉仪按工作台相对于主轴旋转角度β或时间t采集Y分量与X分量的差值。

一个名义轨迹在Y、X轴分量之差为：

$Y_{0\left(\mathrm{\β}\right)}-X_{0\left(\mathrm{\β}\right)}=R_0\sin \mathrm{\β}-R_0\cos \mathrm{\β}=\sqrt{2}{R}_0\sin (\mathrm{\β}-\mathrm{\π}/4)$

$Y_{0\left(t\right)}-X_{0\left(t\right)}=R_0\sin 2\mathrm{\πt}/t_0-R_0\cos 2\mathrm{\πt}/t_0=\sqrt{2}{R}_0\sin (2\mathrm{\πt}/t_0-\mathrm{\π}/4)$

前式为用角度β采样的表达式，Y_0(β)、X_0(β)为在β角度名义轨迹的Y、X轴分量，后式为用时间t采样的表达式Y_0(t)、X_0(t)为在t时刻名义轨迹的Y、X轴分量，R₀为名义轨迹的半径。此两式表示在没有轨迹偏差的情况下以差值表示的名义轨迹。由于存在偏差，实际测量中以差值表示的实际轨迹与上式不重合，两者之差表征了名义轨迹与实际轨迹的偏差，如图7所示。

测量得到的实际轨迹的半径值R_(β)和R_(t)用下式计算：

$R_{\left(\mathrm{\β}\right)}=\frac{Y_{\left(\mathrm{\β}\right)}-X_{\left(\mathrm{\β}\right)}}{\sqrt{2}\sin (\mathrm{\β}-\mathrm{\π}/4)}$

$R_{\left(t\right)}=\frac{Y_{\left(t\right)}-X_{\left(t\right)}}{\sqrt{2}\sin (2\mathrm{\πt}/t_{\left(0\right)}-\mathrm{\π}/4)}$

此两式分别对应采用角度β采样和时间t采样。

根据R_(β)或R_(t)合成得到实际轨迹，将实际轨迹与名义轨迹比较即可得到数控机床的圆轨迹偏差。

Claims (2)

1、用激光干涉法测量数控机床圆轨迹的方法，其特征在于位于数控机床工作台上的直角坐标机构将数控机床工作台与主轴的相对圆运动分解为X、Y两个方向的分量，用激光干涉仪测量出这两个分量值根据测量值计算出圆运动的实际轨迹，其步骤如下：

a.将底座(1)和激光干涉仪的激光头(4)固定于数控机床的工作台上，与X轴同向横臂(2)与底座(1)的滑道滑动配合，夹持器(3)安装于数控机床主轴上与横臂(2)滑动配合；

b.将第一角偶反射镜(6)固定在分光镜(5)上，分光镜(5)固定在横臂(2)的端部，第二角偶反射镜(7)固定在底座(1)的滑道端部，激光干涉仪的激光头(4)、分光镜(5)和第二角偶反射镜(7)在Y方向的同一轴线上，激光干涉仪的激光头(4)发出的激光在分光镜(5)分光，一束指向第一角偶反射镜(6)，另一束指向第二角偶反射镜(7)，

c.将数控机床工作台运行至需要测量的名义轨迹中心，调整底座(1)在工作台上的位置，使夹持器(3)位于横臂(2)的中点，横臂(2)位于底座(1)滑道的中点，激光干涉仪清零，数控机床工作台沿X方向或Y方向运行名义轨迹半径的距离，

d.数控机床工作台相对于主轴作圆运动，第二角偶反射镜(7)和分光镜(5)之间的光程变化，工作台沿Y轴的移动距离在激光干涉仪的计算机上读出，得到圆运动的Y分量，激光干涉仪按工作台相对于主轴的旋转角度β或时间间隔t采集旋转一周的Y分量，

e.将第二角偶反射镜(7)取下，轴向不变固定在分光镜(5)上，将第一角偶反射镜(6)取下，轴向不变固定在夹持器(3)上，重复c步骤和d步骤的过程，采集工作台相对于主轴旋转一周的X分量，

f.根据各采样点的Y分量和X分量计算出该点的实际轨迹半径R，这些半径R的组合即为实际轨迹。

2、用激光干涉法测量数控机床圆轨迹的方法，其特征在于位于数控机床工作台上的直角坐标机构将数控机床工作台与主轴的相对圆运动分解为X、Y两个方向的分量，用激光干涉仪测量出这两个分量值的差值，根据测量值计算出圆运动的实际轨迹，其步骤如下：

a.将底座(1)和激光干涉仪的激光头(4)固定于数控机床的工作台上，与X轴同向横臂(2)与底座(1)的滑道滑动配合，夹持器(3)安装于数控机床主轴上与横臂(2)滑动配合；

b.将第一角偶反射镜(6)固定在夹持器(3)上，第二角偶反射镜(7)固定在底座(1)的滑道端部，分光镜(5)固定在横臂(2)端部，激光干涉仪的激光头(4)、分光镜(5)和第二角偶反射镜(7)同在Y方向同一轴线上，激光干涉仪的激光头(4)发出的激光在分光镜(5)分光，一束指向第一角偶反射镜(6)，另一束指向第二角偶反射镜(7)，

c.将数控机床工作台运行至需要测量的名义轨迹中心，调整底座(1)在工作台上的位置，使夹持器(3)位于横臂(2)的中点，横臂(2)位于底座(1)滑道的中点，激光干涉仪清零，数控机床工作台沿X方向或Y方向运行名义轨迹半径的距离，

d.数控机床工作台相对于主轴做圆运动，第一角偶反射镜(6)与分光镜(5)之间的光程和第二角偶反射镜(7)与分光镜(5)之间的光程都产生变化，激光干涉仪测得的值是这两个距离之差，即Y分量与X分量的差值，激光干涉仪按工作台相对于主轴的旋转角度β或时间t采集旋转一周的Y分量与X分量的差值，

e.根据各采样点的Y分量和X分量的差值计算出该点的实际轨迹半径R，这些半径R的组合即为实际轨迹。

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