混联机床轴线定位精度的干涉测量与误差补偿模型

　　1　引　　言

　　加工精度是并联机床工作性能优劣的主要指标之一[1],机床各轴线定位精度和重复定位精度是影响加工精度的重要因素,其检测也是实现误差补偿的必要环节,通过检测建立误差模型,运用软件在机床运动过程中由控制系统进行数值补偿来提升机床运动精度[2-4]是提高机床精度的重要方法[5-6]。目前,制造业中主要是以FANUC、SIE-MENS和华中数控为代表的基于交流伺服电机编码器反馈的串联半闭环数控机床[7],基于开放式数控系统的并联机床因具有结构刚度大、重复精度高等优点,近年来已成为机械装备的一个研究热点,并引起了国内外学者的极大兴趣[8]。混联机床是结合串联机床和并联机床优点的新型并联机床,是现代数控机床的发展方向之一。针对本实验室开发的混联镗铣床,采用干涉法对其X轴定位精度进行了检测(图1),提出了其检测方法,建立了X轴定位精度的误差模型,并对机床进行了误差补偿。

　　2　X轴定位精度检测原理、方法

　　将干涉仪激光器、线性干涉镜、反射镜布置如图1所示,测量反射镜安装在机床直线轴X上作为移动光学镜,线性干涉镜作为固定光学镜,使干涉镜、反射镜互相准直并与机床X轴垂直。使激光器通过EC10环境补偿装置、PCM20接口卡等与测量计算机相连。

　　X轴测量目标范围为0~400 mm,测量目标Si根据下式确定:

　　式中:ΔL为测量间距,i为所取X轴上的测量目标数,S0为消除反向间隙的越程。根据测量标准和精度要求确定测量循环次数,一个测量循环为混联机床X轴工作台根据采样间隔正、反向往返间歇移动400 mm。测量时,安装在X轴工作台上的反射镜随X轴的移动相对于固定不动的干涉镜移动一个采样间距ΔL并暂停时间T。此时,激光器经双纵模光强法稳频发出的双频激光束(圆偏振光)经λ/4波片射入线性干涉镜,并在干涉镜中的偏振分光棱镜处被去掉一个频率而得到2束正交的同偏振单频激光束(线偏振光):测量光束和参考光束,在入射点A,它们可表示为:

　　式中:a为光振幅,f为光频率。参考光束经分光镜传到干涉镜内的反射镜,并被反射回干涉镜内的分光镜B点。测量光束透过干涉镜内的分光镜,传至固定在X轴工作台上的线性反射镜并被反射回干涉镜内分光镜的B点,在此测量光束表示为:

　　在干涉镜内分光镜B点,返回的测量光束与参考光束汇合,当满足同偏振、同频率及光程差固定的干涉条件时发生干涉,叠加后得到的干涉光强为:

　　干涉光经过λ/4波片、分光镜、检偏器光电接收器、运算放大器、数模转换器、相位对应存储器等接入测量计算机(见图2)。