基于XL-80激光干涉仪的直线度误差测量研究_朱雅蓉.pdf

ELECTRONICSQUALITYELECTRONICS QUALITY基于 XL-80 激光干涉仪的直线度误差测量研究朱雅蓉，杨金国，杜文文（安徽芜湖技师学院，安徽 芜湖241000）摘 要：为了提高数控机床的位置精度，通常会检测数控机床导轨的直线度误差。但在检测数控机床导轨的直线度误差时，时常会限制测量范围和精度误差。通过Reinshaw XL-80激光干涉仪可以实现对数控机床导轨的水平和垂直2个方位上的直线度测量。以THWLBTF-3型加工中心为试验平台，采用了Reinshaw XL-80激光干涉仪，通过非接触和在线测量加工中心X轴的直线度误差；通过软件测得试验数据，绘制出最小二乘法曲线图和端点拟合法曲线图，结果表明：加工中心直线度误差的大小是影响数控机床加工精度的重要因素之一。关键词：XL-80激光干涉仪；THWLBTF-3型加工中心；直线度误差；直线度镜组中国分类号：TH 744.3文献标识码：A文章编号：1003-0107（2023）06-0046-06doi:10.3969/j.issn.1003-0107.2023.06.011Research on Straightness Error Measurement Based on XL-80 LaserInterferometerZHU Yarong，YANG Jinguo，DU Wenwen（Anhui Wuhu Technician College，Wuhu 241002，China）Abstract：In order to improve the position accuracy of CNC machine tools，the straightness error of CNC machinetool guide rail is usually detected.When detecting the straightness error of CNC machine tools guide rail，the measur-ing range and accuracy error are often limited.The Reinshaw XL-80 laser interferometer can be used to the measure-ment of horizontal and vertical straightness of the guide rail of CNC machine tools.Taking the THWLBTF-3 machiningcenter as the test platform，Reinshaw XL-80 laser interferometer is used to measure the straightness error of the X-axis of the machining center by non-contact and online，and the test data are measured through by software，and theleast square curve and the endpoint fitting curve are drawn.The results showed that the straightness error of machiningcenter is one of the important factors affecting the machining accuracy of CNC machine tools.Keywords：XL-80 laser interferometer；THWLBTF-3 machining center；straightness error；straightness mirror group收稿日期：2022-12-08作者简介：朱雅蓉（1992），女，安徽芜湖人，安徽芜湖技师学院助理讲师，从事机械制造及工艺教育、数控加工及技术的教学和研究工作。通讯作者：杜文文（1988），女，安徽当涂人，安徽机电职业技术学院讲师，硕士，从事机械强度、数控设备应用与维护方面的教学与研究工作。0引言直线度误差是指单一实际直线允许的变动全量1，属于形状误差中的一种。数控机床导轨的直线度是衡量机床几何精度的重要指标之一，它与尺寸精度、圆度和粗糙度一起被称为影响加工零件质量的四大要素2。目前测量直线度的方法比较多，主要分为两大类，一类为激光准直法，它是以激光光束中心线作为直线基准；另一类为干涉法，它是采用干涉原理来实现直线度测量的。激光干涉法通过检测直线度误差引起的相位变化462023.06ELECTRONICS QUALITY从而得到被测对象的直线度信息3-5。本文主要采用雷尼绍XL-80（Reinshow XL-80）激光干涉仪进行加工中心导轨直线度的测量，通过软件采集数据，利用最小二乘法和端点拟合法，获得分析曲线图，最后得出直线度的误差与导轨的间隙和伺服参数有关。1雷尼绍XL-80激光干涉仪的硬件组成部分雷尼绍XL-80激光干涉仪的直线度测量镜组如图1所示，它可用来测量线性轴的直线度误差。直线度误差是指与运动轴垂直的位移。该组件包括直线度反射镜和直线度干涉镜2个镜组。直线度干涉镜是一种棱镜，可将从XL激光头射出的光束分为2道分散的光束。从XL射出的光束和从直线度反射镜返回的光束会通过直线度干涉镜的一个光孔。还有一个白色的圆形目标和小径光孔以便准确地准直光束。直线度反射镜会将2道分散光束返回直线度干涉镜6-7。直线度反射镜中心对称，它必须垂直于测量轴准直，2道分散的输入光束从中心及中线之上大约6 mm等距，如图2所示。反射镜上有准直标记以便于使光束对称。水平偏差测量的直线度干涉镜安装放置位置如图3所示，垂直偏差测量的直线度干涉镜放置位置如图4所示，它们可以通过旋转干涉镜面来改变干涉镜的方位。一般直线度测量有2个镜组，分为2种，一种为短距离直线度测量，它的量程为0.14 m；另一种为长距离直线度测量，量程为130 m8-9。本文所采用的是短距离测量，也就是2个光学元件在测量时分开的最远距离在4 m以内。文中所涉及的距离指的是直线度干涉镜和直线度反射镜之间的距离，即可被测试的轴长。通常情况下，直线度测量的量程都是2.5 mm。直线度干涉镜和反射镜是成对使用的。因此，不能与其他直线度镜组交换。每一个直线度干涉镜和反射镜都标明独立的序号。可使用标准镜组安装组件来将镜组与机床连接。数控机床直线度误差，是指直线上各点跳动或偏离此直线的程度。主要是测量圆柱体和圆锥体的素线，直线度误差（见形位公差）、机床和其他机器的导轨面，以及工件直线导向面的直线度误差等。2直线度测量原理应用激光干涉仪测量水平轴直线度时，应将直线度干涉镜放置在激光头和直线度反射镜之间，激光头的输出光束穿过直线度干涉镜后，被分成2束夹角较小的光束。然后，2束光束经过直线度反射镜反射后，沿一条新的光路返回到直线度干涉镜上，并经过直线度干涉镜后，将2束光束合成为1束光束，并返回激光头的回光孔。测量运动轴水平方向直线度的光路原理图如图5所示。运动轴水平方向直线度测量是通过检测直线度干涉镜和直图1直线度测量镜组图直线度反射镜直线度干涉仪图2直线度反射镜图准直标记倾斜度控制旋钮6 mm1入射光束；2输出光束图4测量垂直直线度误差干涉镜放置位置图3测量水平直线度误差干涉镜放置位置射入光孔白色光把返回光孔小光孔小光孔射入光孔白色光把返回光孔Measurement and Testing Techniques计量与测试技术47ELECTRONICSQUALITYELECTRONICS QUALITY线度反射镜的相对水平方向位移引起的光程差来实现的。3XL-80激光干涉仪检测加工中心导轨直线度误差的方法和步骤利用Reinshaw XL-80激光干涉仪进行直线度误差检测的工作分为以下几个部分。3.1 THWLBTF-3型加工中心的准备工作a）首先，需要对THWLBTF-3型加工中心调平；然后，对机床进行回参考点操作，确保加工中心回参考点有效。b）需备份加工中心的原始数据，以防系统数据丢失。3.2 激光干涉仪的安装用水平仪测量三脚架的位置，首先，需调平三脚架；然后，将镭射头安装在云台上，将云台固定在三脚架上，同时保证镭射头处于水平位置；最后，打开镭射头电源预热10 min。如图6所示。3.3 直线度组镜的安装和准直3.3.1镜组的安装直线度组镜分别为干涉镜和反射镜，干涉镜通过磁力表座固定在测量轴的工作台上，反射镜通过磁力表座吸附在加工中心的主轴上，直线度镜组的安装示意图如图7所示。测量时，干涉镜随着工作台的移动而移动，反射镜固定不动。3.3.2镜组的准直a）加工中心开机启动后，将测量轴也就是X轴进行回参考点的操作，即回到测量的起点；或者将测量轴移动到与原点相反的极限位置，即测量的终点。将反射镜安放在磁力表座上，然后将磁力表座吸附在加工中心的主轴上，将镭射光射出口转至对焦用小孔射出口位置，将光靶安放在反射镜上，光靶白点朝上，此时应保证镭射的射出光束正对着反射镜光靶的中心处，即保证镭射与反射镜同等高度，如图8所示。b）将干涉镜安放在另一磁力表座上，再将磁力表座吸附在加工中心的测量轴的工作台上，此时应保证干涉镜、反射镜和镭射头三者同等高度，图5直线度测量原理图轴的移动方向直线度干涉镜误差测里方向直线度反射镜图6三脚架和镭射头的架设图图7直线度镜组的安装示意图图8反射镜的安装与准直482023.06ELECTRONICS QUALITY图12短距离直线度测量示意图b镭射头上的2个回光点应重合为一个点，如图9所示。c）旋转镭射头前端，使镭射头处于测量状态，此时，镭射头上端的5个指示灯应为绿色，如图10所示；若此时只有14个指示灯为绿色或者回光点不重合，应调整干涉镜的上下和左右位置，使镭射头上回光点重合，即为镭射头上的5个绿色指示灯全亮。d）移动加工中心的测量轴，保证镭射头上的5个绿色指示灯在整个测量行程内保持全亮；若在移动过程中，灭掉一个绿色指示灯，此时应将镭射前端旋转至光靶朝下位置，观察镭射头回光点是否为2个点。根据回光点的位置来调整镭射头上的角度旋钮，使镭射头上的2个回光点积聚成一个点，然后再调整镭射头上左右微调旋钮或者上下微调旋钮，使该回光点位于镭射头光靶的中心处，如图11所示。此时旋转镭射头前端，使镭射头处于测量状态，即镭射头上5个绿色指示灯全亮。调整过程中应遵循的原则是近端调整直线度镜组，远端调整镭射头。3.4 测量软件参数的基本设置由开始工具列中选择Renishaw LaserXL进入，选择执行的“短距离直线度测量”软件，进入短距离直线度测量窗口，如图12所示。图9直线度镜组的准直图10镭射测量状态示意图图11镭射镜组安装完成示意图aMeasurement and Testing Techniques计量与测试技术49ELECTRONICSQUALITYELECTRONICS QUALITY3.5 数据采集XL激光头未连接状态和XL激光头已连接状态图分别如图13a和13b所示。数据采集主窗口显示如下内容。a）测量数据显示，实时显示激光读数。其单位由状态窗口右上角的微微指示灯标识。b）信号强度指示器，包含一个显示光束返回激光头后的激光信号强度指示器。指示器上的绿色色块越高，准直程度越好。c）数据采集步骤如图14所示。1）打开“短距离直线度测量”软件，点击目标定义图标。2）分别设置第一定位点为0，最终定位点为200，间距值为20，目标数为11，小数点位数为2，之后点击下一步。3）设定定位方式为线性定位方式，测量次数为1；选择方向为单向，运动轴为X轴，之后点击下一步，如图15所示。4）设定标题信息，如图16所示，试验者和标题可任意设定。5）采集方式设定，自动采集设定为无效，点击下一步，如图17所示。d）机床的操作：移动工作台至起始点位置，误差读数清零，正向移动伺服轴到相应的间