CN106735961A - 用于激光加工的正交双摆轴标定、调试及反射镜装调方法 - Google Patents

用于激光加工的正交双摆轴标定、调试及反射镜装调方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于激光加工的正交双摆轴标定、调试及反射镜装调方法。其中标定方法是通过在两个摆轴回转轴线的交汇处设置五棱镜,利用五棱镜将其中一个摆轴的回转轴线折转90度后,通过设置在另一个摆轴回转轴线上的自准直仪即可标定两个正交摆轴回转轴线之间的实际夹角。本发明在标定激光加工正交双摆轴的实际夹角时无需采用专用光学设备,标定方法简单。

Description

用于激光加工的正交双摆轴标定、调试及反射镜装调方法
技术领域
本发明属于光机领域,涉及一种用于激光加工的正交双摆轴标定、调试及反射镜装调方法。
背景技术
近年来激光加工作为一种先进的制造技术逐渐被应用到生产、生活中的各个方面,基于五轴联动激光加工机床的激光三维加工代表了激光加工制造技术的最高水平,目前五轴联动激光加工机床技术主要掌握在欧、美、日等工业发达国家,国内五轴联动激光加工机床的研究处于上升阶段。
五轴联动激光加工机床普遍采用的双摆轴导向头具有结构简单易于制造安装,光路设计简单、调试方便并且损耗较小等优点,其主要难点在于高精度正交精度测量和标定。
目前,数控加工中心的装配和检测标定主要有2种方法:
(1)对于精度要求一般的情况,多采用基准平尺、三角尺和千分表等测量工具对加工中心的垂直度、同轴度以及各轴的空间位置等进行调整或标定,该方法简单易行,但绝对精度和重复精度都较差,且要求操作人员经验丰富;另外,该方法不能直接测量和标定精度,要经过换算才能得到结果。
(2)对于精度要求较高的情况,多采用激光多自由度误差测量方法,该方法可基于多种光学原理从而实现多自由度测量,例如全反射原理、多光束分光、全息透镜等,国内外专业的数控加工中心制造公司多采用这种方法对产品做检测和精度标定,但所采用专用光学设备非常昂贵并且检测标定方法复杂。
基于五轴联动激光加工机床使用X、Y、Z三个平移轴和AC两个回转轴,XYZ三个平移轴精度易于保证,A轴和C轴的正交精度以及激光光束与A轴的平行度误差要求很高,单靠机械加工和装配难以满足设计技术要求,因此有必要设计一套能够采用常用光学仪器测量A轴和C轴正交误差的检测方法,为装调提供参考数据。
发明内容
为解决现有激光加工正交双摆轴在测量和标定其正交精度时需要采用专用光学设备并且标定方法复杂的问题,本发明提供了一种用于激光加工正交双摆轴的标定方法和装置,该方法采用常用光学仪器即可实现正交双摆轴的正交精度标定。本发明同时提供了一种基于该标定方法的正交双摆轴调试方法和反射镜装调方法。
本发明的思路是:本发明通过在两个摆轴回转轴线的交汇处设置五棱镜,利用五棱镜将其中一个摆轴的回转轴线折转90度后,通过设置在另一个摆轴回转轴线上的自准直仪即可标定两个正交摆轴回转轴线之间的正交偏差夹角。
本发明的技术解决方案是:
所提供的用于激光加工的正交双摆轴标定方法,用于标定第一摆轴和第二摆轴的正交偏差夹角;其特殊之处在于:包括以下步骤:
1)在第一摆轴的两端分别设置平面反射镜一和自准直仪一,调整使得平面反射镜一的镜面与第一摆轴垂直;
2)在第二摆轴的两端分别设置平面反射镜二和自准直仪二,调整使得平面反射镜二的镜面与第二摆轴垂直;
3)将自准直仪一和自准直仪二的读数清零,并且保持其各自位置不变;
4)在第二摆轴和第一摆轴的交汇处设置五棱镜,调整使得五棱镜的一个透射面正对自准直仪二,另一个透射面正对平面反射镜一,自准直仪二发出的光束经五棱镜90度折转后,入射到平面反射镜一上,再由平面反射镜一反射进入五棱镜再次折转90度后,返回自准直仪二;自准直仪二的读数为自准直仪二的出射光束和返回自准直仪二的返回光束之间的正交偏差夹角,也就是第一摆轴回转轴线与第二摆轴回转轴线之间的正交偏差夹角
或者调整使得五棱镜的一个透射面正对自准直仪一,另一个透射面正对平面反射镜二,自准直仪一发出的光束经五棱镜90度折转后,射入平面反射镜二,再由平面反射镜二反射进入五棱镜再次折转90度后,返回自准直仪一;自准直仪一的读数为自准直仪一的出射光束和返回自准直仪一的返回光束之间的正交偏差夹角,也就是第一摆轴回转轴线与第二摆轴回转轴线之间的正交偏差夹角
为了使第一摆轴和第二摆轴的回转轴线之间的正交偏差夹角满足激光加工的要求,本发明还提供了一种用于激光加工的正交双摆轴调试方法,其特殊之处在于:
按权利要求1所述标定方法的步骤1)至步骤4)测量第一摆轴回转轴线与第二摆轴回转轴线之间的正交偏差夹角
5)若所得正交偏差夹角未达到被标定激光加工机床所要求的正交精度或者未达到本标定方法所能达到的最高测量精度,则修研第一摆轴或第二摆轴的接口法兰修切圈;
6)重复步骤1)~5)直至第一摆轴回转轴线与第二摆轴回转轴线之间的正交偏差夹角达到被标定激光加工机床要求的正交精度。
本发明同时提供了一种用于激光加工的正交双摆轴标定装置,用于标定激光加工机床中相互正交的第一摆轴和第二摆轴的正交偏差夹角;其特殊之处在于:包括平面反射镜一、平面反射镜二、自准直仪一、自准直仪二和一个五棱镜;
平面反射镜一和自准直仪一分别设置在第一摆轴的两端,且平面反射镜一的镜面与第一摆轴垂直;平面反射镜二和自准直仪二分别设置在第二摆轴的两端并位于第二摆轴的回转轴线上,且平面反射镜二的镜面与第二摆轴垂直;
五棱镜设置在第一摆轴回转轴线和第二摆轴回转轴线的交汇处,五棱镜的其中一个透射面正对自准直仪一,另一个透射面正对平面反射镜二;或者,五棱镜的其中一个透射面正对自准直仪二,另一个透射面正对平面反射镜一。
作为优化,平面反射镜一和自准直仪一均位于第一摆轴的回转轴线上;平面反射镜二和自准直仪二均位于第二摆轴的回转轴线上。
本发明还提供了一种用于激光加工的反射镜安装调试方法,所述反射镜在激光加工中用于折转光路,反射镜入射光路和反射光路中有一路光应与第二摆轴平行,另一路光应与第一摆轴平行;其特殊之处在于:采用权利要求1所述的标定方法标定出第一摆轴和第二摆轴回转轴线之间的正交偏差夹角若正交偏差夹角未到达规定的精度,则通过修研摆轴接口法兰修切圈使标定的正交偏差夹角达到规定的精度后移走五棱镜,在第一摆轴和第二摆轴的交汇处安装反射镜组件,然后调整反射镜姿态,当自准直仪二或自准直仪一读数为规定的最小值时,则反射镜安装调试到位。
与现有技术相比,本发明的优点是:
本发明通过自准直测量原理标定正交双摆轴的正交误差,相对其他方法原理简单,实施方便,测量精度高,其原理和方法也可用于其他类似二维正交轴的测量和调试。
附图说明
图1是本发明自准直测量正交双摆轴各自的回转精度的原理图;
图2是本发明自准直测量正交双摆轴正交误差的原理图;
图3是安装调试反射镜的原理图;
图4是本发明正交双摆轴标定装置的示意图;
图中标号:1-自准直仪二,2-自准直仪一,3-平面反射镜二,4-平面反射镜一,5-第二摆轴(电机),6-第一摆轴(电机),7-五棱镜,8-第二摆轴接口法兰,9-激光加工机床。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
如图1和图2所示,本发明所提供的应用于激光加工的正交双摆轴标定方法,用于标定第一摆轴和第二摆轴5的正交误差,该方法包括以下步骤:
1)在第一摆轴的两端分别设置平面反射镜一4和自准直仪一2,调整平面反射镜一和自准直仪一的位置,使平面反射镜一的镜面与第一摆轴垂直,使自准直仪一的出射光束与第一摆轴回转轴线平行;由自准直仪一2测量第一摆轴的回转精度Δδ1
2)在第二摆轴5的两端分别设置平面反射镜二3和自准直仪二1,调整平面反射镜二和自准直仪二的位置,使平面反射镜二的镜面与第一摆轴垂直,使自准直仪一的出射光束与第一摆轴回转轴线平行;由自准直仪二1测量得到第二摆轴5的回转精度Δδ2
3)将自准直仪一2和自准直仪二1的读数清零,并且保持其各自位置不变。
4)在第二摆轴5和第一摆轴的交汇处设置五棱镜7,调整使五棱镜的其中一个透射面正对其中一个摆轴所对应的自准直仪,使五棱镜的另一个透射面正对另一个摆轴所对应的平面反射镜;
需要注意的是,五棱镜7的安装精度会影响本发明最终的标定精度,应保证五棱镜7的一个透射面与其中一个摆轴所对应的自准直仪输出光束垂直,另一个透射面与另一个摆轴所对应的平面反射镜镜面平行。
5)步骤4)中的自准直仪的读数即为第一摆轴和第二摆轴回转轴线之间的正交偏差夹角
6)若步骤5)所得正交偏差夹角未达到被标定激光加工机床所要求的正交精度或者未达到本发明标定方法所能达到的最高测量精度,则根据正交误差修研第一摆轴或第二摆轴接口法兰修切圈;
本发明标定方法的最高测量精度按照以下方法计算:
本发明的测量误差
其中,Δα为五棱镜夹角误差,一般为0.1″~0.2″;Δβ为自准直仪测量误差,一般为0.1″~0.5″;若第一、二摆轴的转精度Δδ1、Δδ2能达到1″,则本标定方法的测角误差小于2.1″,最小测角误差(也就是最高精度)能达到1.6″。
7)重复步骤1)~6)直至第一摆轴回转轴线与第二摆轴5回转轴线之间的正交误差达到被标定激光加工机床要求的正交精度或者未达到本发明标定方法所能达到的最高测量精度为止。
参见图3,基于上述正交双摆轴标定方法,本发明还提供了一种激光加工机床中反射镜的安装调试方法,包括以下步骤:
首先采用步骤1)至步骤7)的方法使第一摆轴与第二摆轴5回转轴线之间的正交偏差夹角达到被标定激光加工机床要求的正交精度,或者达到本发明所能达到的最高测量精度,然后将五棱镜7移走,在第一摆轴和第二摆轴5的回转轴线的交汇处安装反射镜,调整反射镜的姿态,使自准直仪二1或自准直仪一2的读数接近零,则反射镜的入射光路和反射光路中有一路光与第二摆轴5平行,另一路光与第一摆轴平行,即反射镜安装调试到位,且反射镜入射光路与出射光路分别与第一摆轴(或第二摆轴5)和第二摆轴5(第一摆轴)回转时的平行误差Δθ为:
最后,应对被标定激光加工机床进行必要高低温和振动试验,以消除系统残余应力,重新测量第一摆轴和第二摆轴5之间的正交误差,验证被标定激光加工机床的正交双摆轴之间的正交偏差夹角是否达到可靠性和稳定性要求。
参见图4,本发明所提供的正交双摆轴标定装置由平面反射镜一4、二,自准直仪一2、二,以及五棱镜7组成。平面反射镜一4和自准直仪一2分别设置在第一摆轴的两端并位于其回转轴线上,并通过相应的调整机构配合自准直仪将平面反射镜一4的镜面与第一摆轴垂直。平面反射镜二3和自准直仪二1分别设置在第二摆轴5的两端并位于其回转轴线上,并通过相应的调整机构配合自准直仪将平面反射镜二3的镜面与第二摆轴5垂直。五棱镜7设置在第一摆轴和第二摆轴5回转轴线的交汇处,五棱镜的其中一个透射面正对自准直仪二,另一个透射面正对平面反射镜一。图3所示标定装置中光线传播路径为:自准直仪二→五棱镜→平面反射镜一→五棱镜→自准直仪二;自准直仪二的出射光束和返回自准直仪的返回光束之间的正交偏差夹角即为第一摆轴和第二摆轴之间的正交偏差夹角。

Claims (5)

1.用于激光加工的正交双摆轴标定方法,用于标定第一摆轴和第二摆轴的正交偏差夹角;其特征在于:包括以下步骤:
1)在第一摆轴的两端分别设置平面反射镜一和自准直仪一,调整使得平面反射镜一的镜面与第一摆轴垂直;
2)在第二摆轴的两端分别设置平面反射镜二和自准直仪二,调整使得平面反射镜二的镜面与第二摆轴垂直;
3)将自准直仪一和自准直仪二的读数清零,并且保持其各自位置不变;
4)在第二摆轴和第一摆轴的交汇处设置五棱镜,调整使得五棱镜的一个透射面正对自准直仪二,另一个透射面正对平面反射镜一,则自准直仪二的读数即为第一摆轴回转轴线与第二摆轴回转轴线之间的正交偏差夹角或者调整使得五棱镜的一个透射面正对自准直仪一,另一个透射面正对平面反射镜二,则自准直仪一的读数即为第一摆轴回转轴线与第二摆轴回转轴线之间的正交偏差夹角
2.用于激光加工的正交双摆轴调试方法,其特征在于:
按权利要求1所述标定方法的步骤1)至步骤4)测量第一摆轴回转轴线与第二摆轴回转轴线之间的正交偏差夹角
5)若所得正交偏差夹角未达到被标定激光加工机床所要求的正交精度或者未达到本标定方法所能达到的最高测量精度,则修研第一摆轴或第二摆轴的接口法兰修切圈;
6)重复步骤1)~5)直至第一摆轴回转轴线与第二摆轴回转轴线之间的正交偏差夹角达到被标定激光加工机床要求的正交精度。
3.用于激光加工的正交双摆轴标定装置,用于标定激光加工机床中相互正交的第一摆轴和第二摆轴的正交偏差夹角;其特征在于:包括平面反射镜一、平面反射镜二、自准直仪一、自准直仪二和一个五棱镜;
平面反射镜一和自准直仪一分别设置在第一摆轴的两端,且平面反射镜一的镜面与第一摆轴垂直;平面反射镜二和自准直仪二分别设置在第二摆轴的两端并位于第二摆轴的回转轴线上,且平面反射镜二的镜面与第二摆轴垂直;
五棱镜设置在第一摆轴回转轴线和第二摆轴回转轴线的交汇处,五棱镜的其中一个透射面正对自准直仪一,另一个透射面正对平面反射镜二;或者,五棱镜的其中一个透射面正对自准直仪二,另一个透射面正对平面反射镜一。
4.根据权利要求3所述的应用于激光加工的正交双摆轴标定装置,其特征在于:平面反射镜一和自准直仪一均位于第一摆轴的回转轴线上;平面反射镜二和自准直仪二均位于第二摆轴的回转轴线上。
5.用于激光加工的反射镜安装调试方法,所述反射镜在激光加工中用于折转光路,反射镜入射光路和反射光路中有一路光应与第二摆轴平行,另一路光应与第一摆轴平行;其特征在于:采用权利要求1所述的标定方法标定出第一摆轴和第二摆轴回转轴线之间的正交偏差夹角若正交偏差夹角未到达规定的精度,则通过修研摆轴接口法兰修切圈使标定的正交偏差夹角达到规定的精度后移走五棱镜,在第一摆轴和第二摆轴的交汇处安装反射镜组件,然后调整反射镜姿态,当自准直仪二或自准直仪一读数为规定的最小值时,则反射镜安装调试到位。
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