激光干涉仪在数控机床维修中的应用研究.pdf

学术论文
激光干涉仪在数控机床维修中的应用研究
中航工业成都飞机工业 集团有限责任公司数控厂 程 志 张 翔
摘要 介绍激光干涉仪工作原理, 着重讲述激光
1?激光干涉仪组件
干涉仪线性测量在数控机床维修中的应用。对于不同
数控机床所出现的故障, 检测出的图形和数据各不相 要测量线性轴的定位精度、 重复定位精度和反向间
同, 通过对图形和数据进行分析, 以尽快查明数控机床 隙等数据, 需要使用激光测量系统的以下组件, 主要有:
故障原因, 提高维修效率。 XL 激光头、 三脚架和云台、 XC 环境补偿单元、 空气温度
关键词 : 激光干涉仪 数控机床维修 线性测量 传感器和材料温度传感器、 线性测量光学镜组、 光学镜
ABSTRACT Working principle of the laser 安装组件及安装激光测量软件的计算机 , 如图 1 所示。
数控机床维修是项集计算机、 自动控制、 自动检
图1 激光干涉仪组件
测和电机拖动等于体的技术, 需要维修人员掌握大量
的专业知识和丰富的维修经验。因此, 在日常维修中,
如何尽快的找到故障原因并排除故障, 提高设备完好
2?激光干涉仪工作原理
率, 是维修人员的首要任务。当出现机床精度异常、 零
件表面质量变差等问题时, 就需要借助些先进的精度 多普勒效应 Doppler Effect: 任何形式的波传播,
检测仪器。激光干涉仪作为数控机床精度常用的检测 都是由于波源、 接收器、 传播介质或中间反射器的运动,
工具, 能对数控机床进行线性测量、 直线度测量、 平面度 会使频率发生变化的现象。这种因多普勒效应所引起
测量、 角度测量、 回转轴分度精度等进行测量。其中线 的频率变化称为多普勒偏移或频移 Doppler Shift, 其
性测量功能通过机床运行段直线插补程序, 能检测线 频移大小与介质、 波源和观察物的运动有关。
性坐标轴的定位精度、 重复定位精度, 反向间隙等。以 如图 2 所示, XL 激光头射出的频率为 f , 经过反射
Renishaw 公司生产的型号 XL-80 激光干涉仪为例, 其 镜反射回来到激光头内的探测器, 当反射镜不动时, 其
线性测长精度可达到 0.5ppm040 , 线性测量最长 反射波频率 f f 。当反射镜以 vd d 的速度沿线性
可以达到 80m, 最高线性测长分辨率 0.001μm, 最高测 轴远离或者靠近激光头时, 因为光程增加或减少了 2vt,
量速度 240mmin。对于不同的数控机床, 检测的曲线 反射波 f 的数值会减少或增加 2v λ , λ 为激光波长。
各不相同, 其完善的软件功能通过对不同的曲线进行分 即:
析, 能够将影响机床精度的原因列出来, 维修人员能够 Δf f - f 2v λ 2 λ d d 。 1
很直观通过分析图形和数据, 了解到机床在哪些方面存 而 f ω2π, 且 ω dφd , 故:
在误差, 这样就为调整和维修机床提供了充分的数据支 ?dΔ?d 2λ d d
持和指导, 大大缩短维修时间, 提高维修的效率。
求得:
航空制造技术2014 年第 12 期
134学术论文 学术论文
此图显示出去程和回程两次测试之间具有偏移值,
从分析数据的结果来看, 该机床反向偏差达到 0.13mm。
激光干涉仪在数控机床维修中的应用研究
根据该图形分析得出, 可能存在的原因主要有以下 3
点:
1数控机床反向间隙未补偿或补偿不当。
中航工业成都飞机工业 集团有限责任公司数控厂 程 志 张 翔
2数控机床 Z 坐标丝杆螺母与滑枕之间的连接
出现间隙或者松动。
3丝杆两端背帽有松动。
摘要 介绍激光干涉仪工作原理, 着重讲述激光
针对可能存在的原因, 对该机床进行检查, 首先对
图2 激光干涉仪工作原理
1?激光干涉仪组件
干涉仪线性测量在数控机床维修中的应用。对于不同
该机床进行反向间隙补偿, 补偿后再用激光干涉仪进行
数控机床所出现的故障, 检测出的图形和数据各不相 要测量线性轴的定位精度、 重复定位精度和反向间
检查, 仍然发现去程和回程两次测试之间具有个固定
同, 通过对图形和数据进行分析, 以尽快查明数控机床 隙等数据, 需要使用激光测量系统的以下组件, 主要有:
N Δφ2π 2 λ , 3 的偏移值, 说明该机床在机械上确实存在松动或者间
故障原因, 提高维修效率。 XL 激光头、 三脚架和云台、 XC 环境补偿单元、 空气温度
其 中, N 为上式左边积分满周期, 即 2π 的周期, 隙。
关键词 : 激光干涉仪 数控机床维修 线性测量 传感器和材料温度传感器、 线性测量光学镜组、 光学镜
Δφ2π 是未满周期的余量。 于是检查 Z 坐标丝杆螺母与滑枕之间的连接, 看是
ABSTRACT Working principle of the laser 安装组件及安装激光测量软件的计算机 , 如图 1 所示。
由式 3可得: 否出现间隙或松动, 也没有发现问题。用百分表检查丝
χλ 2 Δφ2πN 。 4 杆窜动, 发现表指针有 0.15 左右的摆动, 说明丝杆在运
根据式 4 , 激光干涉仪采用了个鉴相器, 每当相 行过程存在问题, 检查丝杆背帽, 发现丝杆背帽松动, 重
位φ 积满个 2π, 鉴相器便输出个增位或减位脉冲, 新锁紧丝杆背帽, 用激光干涉仪进行检查、 补偿后其图
即式 4中的 N。另外, 以 0 到 15V 的模拟电压表示 形如图 4 所示。
Δφ2π 这项。计算鉴相器的脉冲以及模数电压的伏
数, 根据式 4便可测知反射镜的位移 χ 。
通常将反射镜设定为移动光学部件, 将干涉镜设定
为静止部件。二者可以反过来, 但是最大测量距离将减
少半。因此, 在超过 40m 行程的长轴上测量时, 必须
线性干涉镜静止不动, 而另个反射镜移动。而对行程
数控机床维修是项集计算机、 自动控制、 自动检
小于 40m 的轴进行测量时, 为了方便测量, 可以线性干
图1 激光干涉仪组件
测和电机拖动等于体的技术, 需要维修人员掌握大量
涉镜移动, 也可以反射镜移动 。
的专业知识和丰富的维修经验。因此, 在日常维修中,
图4 反向间隙调整后误差曲线
3?激光干涉仪应用举例
如何尽快的找到故障原因并排除故障, 提高设备完好
2?激光干涉仪工作原理
率, 是维修人员的首要任务。当出现机床精度异常、 零
我厂某机床在加工个零件, 需要 X、 Z 轴做直线
件表面质量变差等问题时, 就需要借助些先进的精度 多普勒效应 Doppler Effect: 任何形式的波传播,
插补铣斜筋, 但是加工出来发现该斜筋并不是条斜 从分析数据的结果看, 该机床反向偏差只有
检测仪器。激光干涉仪作为数控机床精度常用的检测 都是由于波源、 接收器、 传播介质或中间反射器的运动,
线, 而是带有弧度。在排除了程序、 刀具等原因后, 重点 0.004mm,定 位 误 差 为 0.01mm 左 右,重 复 定 位 为
工具, 能对数控机床进行线性测量、 直线度测量、 平面度 会使频率发生变化的现象。这种因多普勒效应所引起
怀疑机床问题。该机床 Z 坐标采用的是丝杆螺母传动, 0.0065mm, 再加工该零件, 斜筋尺寸完全符合要求。
测量、 角度测量、 回转轴分度精度等进行测量。其中线