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三坐標軸激光焊接數控機床精度（dù）測試

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

1 引言

隨著先進（jìn）製造技術的發展（zhǎn），數控機（jī）床的應用越來越普及，焊接自動化設備也不斷應用。數（shù）控機床的精度是保證數控激光焊接加工過程中精度的（de）重要因（yīn）素。數控機床的位置精度（也稱定位精度）是機床主要執行件（如工作台、主軸箱等）運（yùn）動到程序所設（shè）定的目標的能（néng）力。在有定位裝置的機床中，特別是數控（kòng）係統中，位置（zhì）精度是一個重要的特征（zhēng）。因此確定機床的位置精度對於激光焊接的精度控（kòng）製和工藝（yì）設計具有重要意（yì）義。

2 位置精度及計算理論

在一般的數控機床測試中，定位精度主要包括（kuò）以（yǐ）下幾項：定位精度（dù）、重複（fù）定位精（jīng）度和反向間隙（xì）。定位精度的檢測常用兩套標準（zhǔn），代（dài）數定義法與數理統計定義法。目前（qián），我國各類數控機床的定位精度，采用數理（lǐ）統計定義法實施評定。數理統計定義法是對（duì）全行程上選取m 個目標位置，分別從正（zhèng）負兩個方向進行有限的n 次定位，測出每（měi）次移動時的位置偏差，所有位置偏差（chà），是服從正態分布規律的隨機變量，可以用有限個子（zǐ）樣的統計量（liàng）−x（平均值），S（標準偏差）來近似（sì）代替n 趨近無窮時的母體統計量μ（數學期望（wàng））和σ（標準方差），正負向分別畫出一條正態（tài）曲（qǔ）線，所有（yǒu）可（kě）能位（wèi）置的99.73%的±3S 作為分散性寬度，這樣就可以計算出位置誤差（chà）的各評定指標。

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

3 位置精度測試

3.1 激光幹涉儀組成

本機床測量采用英國Renishaw 公司的ML10 激光幹涉儀。其組成包括：三（sān）角架、ML10 激光頭、PC10或PCM10 顯示/控（kòng）製（zhì）接口卡、相應的光學器件（分光鏡、反光鏡）、EC10 環境補償單元、數據分析軟件包等（děng），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 接口卡與計算機（jī）進行數據（jù）傳送。係統帶有EC10 環境補償單元，用於測量溫度、壓力和相（xiàng）對濕度這三（sān）個（gè）關鍵（jiàn）的（de）環境參數，並把數據（jù）送（sòng）到PCM10 接（jiē）口控製單（dān）元，以補償波長的綜合變（biàn）化。

3.2 激光幹涉儀（yí）測量原（yuán）理

激光（guāng）幹涉儀進行線性位置精度測量時運用的是一個光學元件相對於另一個光學元（yuán）件（jiàn）間的相對運動。激光幹涉儀測量時兩（liǎng）束幹涉波形是由（yóu）一束穩定的相幹激光經過分光而得到的兩束光波。這兩束光反射回來，經分光鏡後在檢（jiǎn）波器處形成幹涉光束。若兩束光的（de）光程差不變，檢波器所得到的信號為兩束光相長幹涉和相消幹涉之間某一特定的穩定信號強度；若光程差值發生變化，檢測器得到的信號隨兩束光相長幹涉和相消幹涉在波長相差（chà）一周（zhōu）時（shí）發生改變。這些變化可記錄下來（lái）並用於計算光程差的變化。

在線性測量時（shí），一個光（guāng）束作為基準固定不變（如將一個反射鏡固（gù）定在分光鏡（jìng）上），以便將變化條紋轉換為第二（èr）個反射鏡位置變化。測量（liàng）的基本公式（shì）為：

測量時係統的布局如圖2，線性幹涉鏡放置在ML10 激光（guāng）頭和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（gàn）光束，一束光從附加在線（xiàn）性幹涉鏡上的反射鏡反射回激光頭，而另一束光要經由另一個線性反射鏡反射回激光頭（tóu），這兩束反（fǎn）射光線在幹涉（shè）鏡內匯合，由激光頭（tóu）內檢波器監控這兩束（shù）光束的幹涉情況。當坐標軸方向與激光方（fāng）向垂直時，則應采用垂直的布局。

3.3 測試過程（chéng）

首先按照圖（tú）2 所示安裝好幹涉鏡（jìng）和反射鏡（jìng），然後進行光路調試。測試X、Y 軸的線性度時的調（diào）試過程如下：首先調整激光頭支架的水平，隻有這樣才能保（bǎo）證激光頭水平。其次調整測量（liàng）軸與激光平行，移動光學鏡，使激光穿過光學鏡的中心並與（yǔ）鏡麵垂直。具體操作如下：將一個光學鏡（jìng）放在機（jī）床的移動部件上，將機床靠近激光頭，使（shǐ）激光光束射到靶心上（圖3a），機床移動到遠端，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（zhěng）到（dào）與靶心對稱的（de）位置（圖3c），然（rán）後用傾（qīng）斜和旋轉來調整激光頭，將激光（guāng）光柵調整回到靶心（圖3d）；再將機床移（yí）動到近端，此時，光束仍然可能偏離靶心（圖3e），上下左右（yòu）平移激光頭，將光（guāng）束調整到（dào）與靶心相差原偏差（chà）的兩倍的位置（zhì）（圖3f），然後用傾斜和旋轉來調整激光頭（tóu），將激光光柵（shān）調整回到靶（bǎ）心（圖3g）；重複以（yǐ）上所有步驟，直到在全行程內，光束均保持在靶心。最後，將另（lìng）一個光學（xué）鏡放到機床（chuáng）的靜止部件上，調整使反射點與前（qián）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（dōu）能獲得可以用（yòng）來測試的信（xìn）號強度，就可以進（jìn）行測試了。測試過程采用程序控製，主（zhǔ）軸每運動一定的距離采集（jí）一次數據。數據采集軟件會自動記錄並保存。

4 數據分析

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

為了清晰，把正向（xiàng）和反向運動分成兩個部分單獨分析。分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的平均位置誤差。StandardDeviation 列表示的是每個目標（biāo）點幾（jǐ）次正向趨近誤差的方（fāng）差值。因為所有位置偏差是服從正態（tài）分布規律的隨機變量。所以相應地計算出了每（měi）個目標點的x j ＋ 3 S j−和x j － 3 S j−。在表（biǎo）中（zhōng）分別用mean+3s 和mean-3s 表（biǎo）示。

表（biǎo）1 分析的是每個目標點的正向重（chóng）複定位精度、反向重複定位精度和（hé）反向間隙。正（zhèng）向重複定位（wèi）精度是用正（zhèng）向運動時相應點的最大誤差max pos 減（jiǎn）去最小誤差min pos 而求得（dé）。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（qū）近時，最大誤差值與最小誤差值的差值（zhí）。表1 的下麵列出（chū）的是測試軸所有位置的最終測試精度（dù）結果。

為了更形象地表示出測試過程每個點的位置誤差和整個測試軸的位置精度，該分析軟件提供（gòng）了相應（yīng）的折線圖（tú），如圖4～6。

由圖4～6 分析可以得出如表2 所示的結果。各個軸中全程定位精度（dù）最大的為Z 軸，其數值為（wéi）199.4μm，正向重複定位精度（dù）最大的軸是X 軸，其數值為49.0μm。反向重複定位精度最大值為88.7μm，反向間隙（xì）最大值為152.7μm，分別是Y 軸（zhóu）和（hé）X 軸（zhóu）。通過分析可以看出，不（bú）同的定位精度最大值出現在不同的軸上。Y 軸的總體精度（dù）比較高，在使用機床時應盡量采用Y 軸作為工作軸（zhóu）。而Z 軸的精度（dù）相對較低，這與Z 軸的有效行程較小，測量誤差較大有一定關係（xì）。