雷射幹涉儀在數控工具機維修中的應用研究

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數控工具機維修是一項集計算機、自動控制、自動檢測和電機拖動等於一體的技術，需要數控工具機維修人員掌握大量的專業知識和豐富的數控工具機維修經驗。因此，在日常數控工具機維修中，如何儘快的找到故障原因並排除故障，提高設備完好率，是數控工具機維修人員的首要任務。當出現工具機精度異常、零件表面質量變差等問題時，就需要藉助一些先進的精度檢測儀器。雷射幹涉儀作為數控工具機精度常用的檢測工具，能對數控工具機進行線性測量、直線度測量、平面度測量、角度測量、迴轉軸分度精度等進行測量。其中線性測量功能通過工具機運行一段直線插補程序，能檢測線性坐標軸的定位精度、重複定位精度，反向間隙等。以Renishaw 公司生產的型號 XL-80 雷射幹涉儀為例，其線性測長精度可達到 ±0.5ppm(0~40℃ )，線性測量最長可以達到 80m，最高線性測長解析度 0.001μm，最高測量速度 240m/min。對於不同的數控工具機，檢測的曲線各不相同，其完善的軟體功能通過對不同的曲線進行分析，能夠將影響工具機精度的原因列出來，數控工具機維修人員能夠很直觀通過分析圖形和數據，了解到工具機在哪些方面存在誤差，這樣就為調整和數控工具機維修提供了充分的數據支持和指導，大大縮短數控工具機維修時間，提高數控工具機維修的效率。

1 雷射幹涉儀組件

　　要測量線性軸的定位精度、重複定位精度和反向間隙等數據，需要使用雷射測量系統的以下組件，主要有：XL 雷射頭、三腳架和雲臺、XC 環境補償單元、空氣溫度傳感器和材料溫度傳感器、線性測量光學鏡組、光學鏡安裝組件及安裝雷射測量軟體的計算機，如圖 1 所示。

圖1 雷射幹涉儀組件

2 雷射幹涉儀工作原理

　　都卜勒效應（Doppler Effect）: 任何形式的波傳播，都是由于波源、接收器、傳播介質或中間反射器的運動，會使頻率發生變化的現象。這種因都卜勒效應所引起的頻率變化稱為都卜勒偏移或頻移（Doppler Shift）, 其頻移大小與介質、波源和觀察物的運動有關。如圖 2 所示，XL 雷射頭射出的頻率為 f0, 經過反射鏡反射回來到雷射頭內的探測器，當反射鏡不動時，其反射波頻率 fr= f0。當反射鏡以 v=dx/ dt的速度沿線性軸遠離或者靠近雷射頭時，因為光程增加或減少了 2vt，反射波 fr的數值會減少或增加 2v /λ0，λ0為雷射波長。

圖2 雷射幹涉儀工作原理

　　即：

　　Δf = f0- fr= 2v /λ0=（2 /λ0）dx/dt。 （1）

　　而 f =ω/2π, 且ω = dφ/dt，故：1/2π∗d(Δϕ)/dt= (2/λ0)dx/dt， （2）

　　求得：

　　N +Δφ/2π=（2 /λ0）x， （3）

　　其中，N 為上式左邊積分滿一周期，即 2π 的周期，Δφ/2π 是未滿一周期的餘量。由式（3）可得：χ=（λ0/2）（Δφ/2π+N）。 （4）

　　根據式（4），雷射幹涉儀採用了一個鑑相器，每當相位 φ 積滿一個 2π，鑑相器便輸出一個增位或減位脈衝，即式（4）中的N。另外，以 0 到 15V 的模擬電壓表示Δφ/2π 這一項。計算鑑相器的脈衝以及模數電壓的伏數，根據式（4）便可測知反射鏡的位移χ。

　　通常將反射鏡設定為移動光學部件，將幹涉鏡設定為靜止部件。二者可以反過來，但是最大測量距離將減少一半。因此，在超過 40m 行程的長軸上測量時，必須線性幹涉鏡靜止不動，而另一個反射鏡移動。而對行程小於 40m 的軸進行測量時，為了方便測量，可以線性幹涉鏡移動，也可以反射鏡移動。

3 雷射幹涉儀應用舉例一

　　某廠某工具機在加工一個零件，需要X、Z 軸做直線插補銑斜筋，但是加工出來發現該斜筋並不是一條斜線，而是帶有弧度。在排除了程序、刀具等原因後，重點懷疑工具機問題。該工具機Z 坐標採用的是絲杆螺母傳動，用雷射幹涉儀對該工具機 Z 坐標精度進行檢查，檢查後圖形如圖 3 所示。

圖3 反向間隙誤差曲線

　　此圖顯示出去程和回程兩次測試之間具有偏移值，從分析數據的結果來看，該工具機反向偏差達到 0.13mm。根據該圖形分析得出，可能存在的原因主要有以下 3點：

　　（1）數控工具機反向間隙未補償或補償不當。（2）數控工具機Z 坐標絲杆螺母與滑枕之間的連接出現間隙或者鬆動。

　　（3）絲杆兩端背帽有鬆動。針對可能存在的原因，對該工具機進行檢查，首先對該工具機進行反向間隙補償，補償後再用雷射幹涉儀進行檢查，仍然發現去程和回程兩次測試之間具有一個固定的偏移值，說明該工具機在機械上確實存在鬆動或者間隙。

　　於是檢查Z 坐標絲杆螺母與滑枕之間的連接，看是否出現間隙或鬆動，也沒有發現問題。用百分表檢查絲杆竄動，發現表指針有 0.15 左右的擺動，說明絲杆在運行過程存在問題，檢查絲杆背帽，發現絲杆背帽鬆動，重新鎖緊絲杆背帽，用雷射幹涉儀進行檢查、補償後其圖形如圖 4 所示。

圖4 反向間隙調整後誤差曲線

　　從分析數據的結果看，該工具機反向偏差只有0.004mm，定 位 誤 差 為 0.01mm 左 右，重 復 定 位 為0.0065mm, 再加工該零件，斜筋尺寸完全符合要求。

4 雷射幹涉儀應用舉例二

　　某工具機操作人員反映，該工具機Y 坐標原點存在漂移，每次設定原點再複查原點，都與之前設定的原點有差值。在排除操作等原因後，用雷射幹涉儀對該工具機Y坐標進行檢查，檢查後圖形如圖 5 所示。

圖5 坐標漂移誤差曲線

　　此圖顯示在整個測試過程中誤差都呈增加的趨勢。一個重要特性是該工具機的重複定位誤差，接近該工具機的定位誤差。根據該圖形分析，可能存在的原因主要有以下 2 點：

　　（1）測量裝置的熱漂移；

　　（2）檢測元件反饋不可靠。

　　針對可能存在的原因，對該工具機進行檢查分析，首先，該工具機Y 坐標行程只有 1000mm 左右，且設定好原點後馬上複查就出現偏差，基本排除是溫度差造成測量裝置熱脹冷縮所引起。於是檢查光柵尺安裝是否牢靠，經過檢查發現固定光柵尺讀頭的螺釘出現輕微鬆動，重新緊固螺釘後再次檢查，其圖形如圖6所示。從分析數據的結果看，該工具機重複定位為 0.0037mm, 定位精度為0.012 mm ，再次設定原點後複查，和之前設定值完全不差，故障排除。

圖6 坐標漂移調整後誤差曲線

5 結束語

　　綜上分析可以看出，利用雷射幹涉儀的線性測長功能，不僅能夠測量出數控工具機的定位精度、重複定位精度和反向間隙等數據並對精度進行補償。還能幫助我們利用檢測圖形和數據，來分析數控工具機出現故障的原因及解決辦法，從而迅速恢復工具機，縮短數控工具機維修時間，提高數控工具機維修的效率。

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