体对角线的机床垂直度误差

《体对角线的机床垂直度误差》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、*基于体对角线的机床垂直度误差的高效测量分析任永强杨建国叶飞帆（上海交通大学机械与动力工程学院）CharlesWang（OptodyneIncorporation,UnitedStates）摘要垂直度误差所引起的空间定位误差是机床误差的重要组成部分，利用具有大平面反射镜的激光多普勒位移测量仪，通过测量机床的四条体对角线的位移误差可实现对机床三轴间的垂直度误差进行快捷而准确的测量。关键词体对角线垂直度误差激光多普勒位移测量仪现代制造业对数控机床加工精度提出了越来越高的要求，通过测量机床的各项几何误差并加以补偿，可以很好地改善

2、机床的运动性能从而大大提高加工精度，因此机床几何误差测量对机床精度检定及误差补偿具有十分重要的意义。我们知道，机床的进给行程越大，也就是说被加工工件的体积越大，垂直度误差所引起的空间定位误差越大，由此而造成的工件加工误差也越大。因此，研究一种快速、准确、方便地检测垂直度误差的方法非常有工程实用价值。对于大量程的三坐标测量机及大型机床，用普通的方法难以准确快速地测出垂直度误差。用普通单、双频激光干涉仪测量垂直[1][2]度是在测量直线度的基础上进行，测量、调整过程费时复杂，对操作者技术要求高。使用球棒仪[3]或Renisha

3、w机器检查规也可以对垂直度进行测量，测量过程虽然简单，但辨识比较麻烦，而且难以对大体积机床进行测量。这里我们提出一种利用激光多普勒位移测量仪，通过测量机床的四条体对角线的位移误差即可解得机床三轴间的3项垂直度误差，同时还可得其它9项机床误差元素，该方法测量过程非常简单。1.激光多普勒位移测量原理激光多普勒位移测量是应用雷达原理、杜普勒效应及光学外差原理，利用反射镜移动时对激光[4]束反射所产生的激光频率的多普勒频移来进行位移测量。多普勒效应则是指观测者与波源之间存在有相对运动时，观测者测得的波频率与波源所发出的波频率不同的

4、现象，即接近时会观察到高频效果，反之远离时会观察到低频效果的现象。多普勒频移是指多普勒效应所引起的频率变化，其频移大小与介质、波源和观测者的运动有关。v=dx/dtf0激光头平行反射镜探测器fr=f0+Δfx图1激光多普勒频差效应原理如图1所示（实际进行位移测量时不必使用平行反射镜，使用平面镜即可，实际使用时激光头射出的光束与平面镜反射的光束是在在同一路径上，这里用平行反射镜是便于描述），激光头射出的频率为f0，经平行反射镜反射回到探测器，当平行反射镜不动时，其反射波频率fr=f0。当反射镜以v的速度移动时(v=dx/dt

5、，相互远离时取“+”，相互移近时取“－”)，因为光程增加（减少）了2vt，反射波fr的数值会减少（增加）2v/λ0（λ0为激光波长），即：高等学校全国优秀博士学位论文作者专项资金资助项目（200131）国家自然科学基金资助项目（50075054）12v2Δ=−=fff=⋅ddxt(1)0rλλ00由此可得在时间t内激光头与反射镜间的相对运动距离x为λ0tx=⋅Δfdt(2)∫02激光多普勒位移测量仪采用了一个鉴相器，每当相位φ积满一个2π，鉴相器便输出一个增位（减位）脉冲，通过鉴相器发出的脉冲数可测知位移x，即λ0xN=⋅

6、+(/ΔΦ2π)2（3）这里，N为积分满一周期（即2π）的周数，Δφ/2π是未满一周期的余量。2．基于体对角线的机床垂直度误差的高效测量2.1综合位置误差与体对角线测得的位移误差的关系我们知道，机床移动轴在运动过程中的误差运动可以用6个自由度来描述，如X轴运动时就存在三个位移误差：名义运动方向x向的直线定位误差δx(x)、y向的水平直线度误差δy(x)、z向的垂直直线度误差δz(x)及3个转角运动误差：滚转误差εx(x)(绕x向的角位移误差)、俯仰误差εy(x)(绕y向的角位移误差)、偏摆误差εz(x)(绕z向的角位移误差

7、)，这里下标字母表示平移误差或转角误差的运动方向，括号内字母表示名义运动方向是x方向，且认为该误差元素是移动距离x的函数。同理Y轴运动时存在δx(y)、δy(y)、δz(y)、εx(y)、εy(y)、εz(y)及Z轴运动时存在δx(z)、δy(z)、δz(z)、εx(z)、εy(z)、εz(z)，加上三轴间的3个垂直度误差Sxy、Syz,、Sxz，机床运动时存在21个误差分量。如图所示，若在X轴上选择一点PA，并使X轴沿x方向移动距离x，则从坐标系上看PA经过运动到了PB，由于运动误差的存在，可得如下的关系式：Pu=⋅+x

8、e()xABxeuu()xex=⋅()+⋅ex()+⋅ex()u（4）xxyyzz这里PAB为PA到PBB的矢径；ux、uy、uz为x、y、z方向的单位矢量；e(x)为X轴运动时而形成的位置误差矢量。ex(x)、ey(x)、ez(x)为X轴运动时分别在x、y、z方向产生的位置误差。实际上ex(x)、ey