基于单光束干涉仪的机床主轴热误差实时测量

　　1　引言

　　现代机械工业的发展对机床的加工精度提出了越来越高的要求。同时,机床加工精度的提高也是产品质量控制的重要环节。影响机床加工精度的因素主要是几何误差和热误差,对现代机床而言,热误差所占的份额越来越大,约占总误差的40%~70%。大量的研究表明,主轴热漂移是引起机床热误差的重要因素,因此,如何准确快速地测量主轴热漂移得到了人们的关注。

　　许多学者对主轴热误差的测量方法进行了研究。J.S.Chen[1]提出了一种基于测头与标准块的快速测量系统。李书和[2]用一维球列检具测量机床的几何误差及热误差。也有一些学者采用电容测微仪进行测量。N.Srinivasa等[3]研制出一种可一次同时测出主轴全部空间位置误差的装置———LBB(Laser Ball Bar)。与其它测量方法相比,LBB能较好地实现主轴热误差的测量。但LBB也存在一些缺点:首先,LBB采用了接触式测量方法,在测量过程中会产生接触误差和变形误差。其次是不能进行实时测量,使用LBB测量时,主轴的升温过程与LBB的测量过程是分开的,因此,不能完全真实地反映机床主轴旋转时的实际热状态。最后,LBB利用顺序三边法(Sequential trilater-ation)进行测量,但三个边长的测量不能同时进行,因此,其测量精度受到一定的影响。现代机床的发展使得主轴的最高转速越来越高,要深入研究主轴的热误差,就必须找到一种方法可以实时测量主轴的热变形,同时要求数据采集系统有较高的采样速度。本文提出了一种基于三路单光束干涉仪的主轴热误差实时测量方法。

　　2　测量原理

　　由清华大学精密测试技术与仪器国家重点实验室研制的SBI3(Single-Beam Interferome-ters with 3 Channel),由共用一个激光头的三路单光束干涉仪组成,其原理图见图1,每一路干涉仪包括一个偏振分光镜PBS和参考镜r(角锥棱镜)、两个λ/4波片以及检偏器和接收器,猫眼为三路干涉仪的共同靶镜。使用一块FPGA数据采集卡可同时对三路接收器信号及参考路信号进行计数。

　　针对立式加工中心,将三个干涉仪置于工作台上(见图2),O1、O2、O3为三个站点,建立坐标系如下:原点O建立在机床主轴轴线与工作台的交点上,其x、y、z坐标轴方向与机床坐标系x、y、z坐标轴保持一致。置于主轴端部的猫眼为三路干涉仪的靶镜。为了获得较精确的结果,将三个站点选择在某一特定的位置,该位置使得光束与坐标轴方向尽量靠近,三光束间两两夹角α、β、γ接近于90°(见本文第5节)。当主轴位置由于热作用而在空间发生变化时,猫眼的位置也随之移动,即可由干涉仪测得固定点到猫眼的距离的变化。本系统中,采样频率为5 kHz,每两分钟记录数据一次,每个记录分别取3 000个采样点(采样时间约为0·6 s),包括三个干涉仪测量值L1、L2、L3和7个温度数值。若主轴转速为600 rpm,则每一记录中包含主轴旋转的6个周期(见图3)。