回转轴运动精度的干涉测量与误差补偿分析

　　数控机床回转轴回转运动的位置精度是工件或刀具位置基准、运动基准的关键影响因素, 因此也决定着机床的几何精度和工作精度[ 1] . 而回转轴回转运动的位置精度主要用其转动定位精度和重复定位精度来评价, 传统上主要使用电子测微计, 准直仪等工具来检测, 电子测微计分辨率为0. l~ 0. 01 Lm,需要与其它传感器共同组成测量系统, 准直仪精度虽可达0. 01 s, 但测量量程很小, 且二者相对于激光干涉仪( 分辨率为0. 001 Lm) 都存在精度低, 受环境温度影响大, 检验重复性差等缺点, 难以反映受检机床的真正精度. 在国际标准中激光干涉仪是唯一公认的进行数控机床精度检定的仪器[ 2] , 但国内的激光干涉仪在高精度、高分辨率方面尚难以满足要求,而Renishaw 单频激光干涉仪测量和校准精度之高更是首屈一指, 应用甚广. 以往的研究对Renishaw激光干涉仪的角度测量原理、精度影响因素及其误差补偿涉及较少. 本文结合实验室正在开发的混联车铣复合加工中心, 采用Renishaw 激光干涉仪对机床第二回转轴回转运动位置精度进行检测, 提出了一种简便易行的检测方法, 并对角度测量原理, 影响测量精度的因素及正弦近似误差补偿、波长补偿进行了探讨.

　　1 干涉仪结构与角度测量原理

　　氦氖激光器利用双纵模稳频, 发出的双频激光束经K/ 4 波片, 由圆偏振光变为线偏振光, 再被角度干涉镜下部的偏振分光棱镜去掉一个频率而得到单频激光输出[ 3] , 在偏振分光棱镜处单频激光束成正交一分为二, 一条光束直接通过偏振分光棱镜, 传到角度反射镜的下半, 被角度反射镜的下棱镜反射经干涉镜返回激光器形成参考光路. 另一条光束呈90°反射至角度干涉镜上半的光束偏转器, 再被传至角度反射镜的上半, 最后角度反射镜的上棱镜反射此光束, 使之通过干涉镜返回到激光器内形成测量光路. 参考光束和测量光束在通过干涉镜时汇合, 合成后仍保持各自的偏振态, 经过K/ 4 波片以后又转换成旋转偏振光, 然后被水平、垂直和45°方向放置的检偏器2 和光电接收器所接收( 图1) .

　　式中: A0 为信号的直流分量; A 为信号的交流分量( 有用分量) ; x 为位移. 上述信号接入运算放大器,通过自调节增益使直流分量为零, 再通过高速A/ D采集转换和调用查表存储器数值实现高速和高分辨率测量. 进行角位移测量时, 存在角度反射镜相对于角度干涉镜的旋转, 这导致参考光路与测量光路两条光束之间存在光程差. 光程差L 满足下式:

　　其中: k 为干涉级次; K为激光在空气中的波长; N 为计数器记录的通过固定点的亮条纹数; m、n 分别为系统光路和电路的倍频数. 每一次光程差改变时, 在相长性和相消性干涉的两极间会有变动信号, 这种变动在激光器内会产生相对于某固定点的干涉条纹的移动[ 4] , 光栅计数器计数通过该点的亮条纹数, 即可得到光程差改变D, 而角度反射镜中两个反光镜之间的公称间距S 一定, 从而检测出回转轴转过的角度值s,得出回转轴回转精度. 所测量的角度满足下式: