高秀峰 孫 璐
(①沈陽機床(集團)設(shè)計研究院有限公司,遼寧沈陽110142)(②沈陽鐵路局沈陽通信段,遼寧沈陽110020)
雙軸轉(zhuǎn)臺的分度誤差嚴重影響復(fù)雜工件的加工精 度,因此,對雙軸轉(zhuǎn)臺的分度誤差進行檢測與辨識,對提高雙軸轉(zhuǎn)臺的加工精度具有重要的意義[1-2]。機床回轉(zhuǎn)軸分度誤差的傳統(tǒng)檢測方法,通常是使用正12面或24面多棱鏡作為標準器,并配以1″自準直平行光管進行分度誤差檢測,檢測過程不僅非常繁瑣,而且存在檢測精度低、受環(huán)境影響大、檢測重復(fù)性差等缺點[3]。近年來,隨著激光檢測技術(shù)的快速發(fā)展,激光干涉儀被越來越多地應(yīng)用到機床回轉(zhuǎn)軸分度誤差的檢測中[4-5],并取得了非常顯著的實際應(yīng)用效果。
雙軸轉(zhuǎn)臺配置在三軸機床上便可以構(gòu)成五軸機床。但雙軸轉(zhuǎn)臺的配置形式有多種,可以直接安裝在固定床身上,或安裝在移動工作臺上,除此之外,還可以作為機床附件安裝在三軸機床上,使用時可以自由拆卸。以我公司自行研發(fā)的小規(guī)格五軸聯(lián)動加工中心為例,來分析雙軸轉(zhuǎn)臺的各項誤差。如圖1所示,雙軸轉(zhuǎn)臺包括圍繞Z軸旋轉(zhuǎn)的C軸以及圍繞X軸旋轉(zhuǎn)的A軸,C軸與A軸的聯(lián)動可以帶動工件實現(xiàn)任意角度加工。
雙軸轉(zhuǎn)臺理論幾何精度應(yīng)當為,A軸軸線與C軸軸線垂直并相交。但由于零部件加工誤差以及裝配誤差,導(dǎo)致雙軸轉(zhuǎn)臺裝配完成后,A軸軸線與C軸軸線之間存在一定的位置誤差、角度誤差以及分度誤差。而當雙軸轉(zhuǎn)臺安裝在三軸機床上后,兩者之間又存在一定的位置誤差、角度誤差,所有誤差如表1所示。
表1 雙軸轉(zhuǎn)臺與五軸加工中心誤差表
表1中省略了三軸機床的內(nèi)部各項誤差,δxAM表示A軸軸線與機床在XM方向產(chǎn)生的位置誤差,其他位置誤差符號含義與此相同。αAM表示A軸軸線與機床圍繞XM軸方向產(chǎn)生的角度誤差,其他角度誤差符號含義與此相同。
在上述各項誤差中,分度誤差與位置誤差以及角度誤差相對而言比較特殊,該誤差并沒有同其他各項誤差耦合在一起,因此,分度誤差可以直接利用激光干涉儀等檢測手段進行檢測與補償。
Renishaw激光干涉儀回轉(zhuǎn)軸測量系統(tǒng)如圖2所示,包括激光頭、角度干涉鏡、角度反射鏡、RX10回轉(zhuǎn)基準分度器、安裝板、電腦、打印機、RX10控制器/電源以及被測的回轉(zhuǎn)軸等。
如圖3所示,激光頭的輸出光束被角度干涉鏡中包含的分光鏡分裂成兩束平行光束。一部分光束(A1)直接通過干涉鏡,并從角度反射鏡的某一半反射回激光頭。另一部分光束(A2)通過角度干涉鏡的角度分光鏡,傳到角度反射鏡的另一半,角度反射鏡使光束通過干涉鏡返回到激光頭。隨著角度反射鏡的轉(zhuǎn)動,返回光束中將產(chǎn)生移動性干涉條紋,這些條紋最終被位于激光頭內(nèi)部的光檢測器檢測到,通過比較光束A1與A2之間的光程差,軟件根據(jù)該數(shù)據(jù)計算出回轉(zhuǎn)軸的分度誤差。
在雙軸轉(zhuǎn)臺A軸與C軸分度誤差檢測之前,首先將RX10控制器與激光頭連接至計算機,并做好檢測前的相關(guān)檢查與調(diào)試。
在檢測A軸分度誤差時,如圖4所示,先將A軸左殼體拆卸掉,然后將RX10回轉(zhuǎn)基準分度器與安裝板一同安裝在A軸旋轉(zhuǎn)軸上,為了保證檢測精度,應(yīng)當保證兩者的同軸度小于0.5 mm。因此,專門設(shè)計一種過渡連接元件,該零件有經(jīng)過精密加工的圓柱表面,安裝時可將該表面裝入A軸旋轉(zhuǎn)軸的圓柱止口中。在檢測C軸分度誤差時,如圖5所示,將RX10回轉(zhuǎn)基準分度器與安裝板一同安裝在工作臺面上的中心孔中,同樣應(yīng)當保證兩者的同軸度小于0.5 mm。
在RX10回轉(zhuǎn)基準分度器安裝完成后,將被測回轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)至零位,并把角度反射鏡安裝到RX10回轉(zhuǎn)基準分度器上。調(diào)整激光頭和角度鏡組,讓激光通過角度干涉鏡到達角度反射鏡并回到激光頭接收孔。再連接RX10控制盒和2根數(shù)據(jù)線,運行“回轉(zhuǎn)軸分度精度測量”進行測量設(shè)置。待進入校準界面時,首先進行“分度器定位”(順時針或逆時針皆可),出現(xiàn)“分度器已定位”提示后,分別檢查“鎖定”和“解鎖”2個狀態(tài)光強是否滿足測量要求。然后點擊“開始校準循環(huán)”,等待RX10回轉(zhuǎn)基準分度器校準。校準結(jié)束后,試運行檢測程序判斷測試方向是否一致,若不一致可以通過校準界面中正負號轉(zhuǎn)換按鈕進行轉(zhuǎn)換。在檢測起點清零后,開始采集數(shù)據(jù)。測量值步幅小于10°時檢測轉(zhuǎn)速為10 r/min,測量值步幅大于10°時檢測轉(zhuǎn)速為2 r/min。每段停止時間為6~8 s或更長的時間。數(shù)據(jù)采集完成后,可以將數(shù)據(jù)輸入到數(shù)控系統(tǒng)中進行分度誤差補償。操作流程如圖6所示。
如圖7所示,Renishaw回轉(zhuǎn)軸測量系統(tǒng)在測量回轉(zhuǎn)軸分度誤差時,通過測量兩束平行激光束的光路長度變化來計算分度誤差。隨著反射鏡的轉(zhuǎn)動,返回光束中產(chǎn)生移動性干涉條紋,當反射鏡靜止不動時,這些條紋保持不變,光檢測器檢測到穩(wěn)定的激光強度。當進行分度誤差測量時,反射鏡轉(zhuǎn)動與條紋計數(shù)之間沒有嚴格的線性關(guān)系。在角度很小時,二者之間接近線性關(guān)系;但隨著角度θ的增大,二者逐漸偏離線性關(guān)系。標定軟件通過反正弦計算對其進行修正,把線性條紋計數(shù)器數(shù)值轉(zhuǎn)換成真實的角度讀數(shù),然后再計算分度誤差。分度誤差校正公式為
式中:R為激光干涉儀的讀數(shù)。
以我公司自行研發(fā)的小規(guī)格五軸聯(lián)動加工中心為例,分析了雙軸轉(zhuǎn)臺的各項誤差。雙軸轉(zhuǎn)臺內(nèi)部共包括一項位置誤差、一項角度誤差以及兩項分度誤差。簡單介紹了Renishaw回轉(zhuǎn)軸測量系統(tǒng)的構(gòu)成、工作原理,并詳細說明了利用該系統(tǒng)檢測A軸與C軸分度誤差的方法。利用該方法在我公司的五軸聯(lián)動加工中心樣機上對雙軸轉(zhuǎn)臺進行分度誤差檢測,實踐證明該方法具有檢測精度高、檢測重復(fù)性好、檢測效率高等優(yōu)點。
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