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光學工程
激光干涉儀在數控機床測量中的應用
       全球的競爭和質量標準的要求,對機床提出了更高的定位精度、更小的公差及更高的進給率。為了達到這些要求并生產出高品質高精度的零件,必須要測量機床的三維體積定位精度。
       二十年前,機床的最大定位誤差為絲桿的螺距誤差及絲桿的熱膨脹誤差。但現在上述的大部份誤差已被大幅度降低,機床的主要誤差轉而變成垂直度誤差和直線度誤差。為了達到高的機床三維空間定位精度,機床上所有的3個位移誤差、6個直線度誤差和3個垂直度誤差都必須得到測量與補償。用傳統的激光干涉儀來測量直線度和垂直度誤差是較困難并費時費錢的。通常需要停機數日并要求有經驗的行家來進行測量。
       美國光動公司(Optodyne, Inc. )已為機床三維體積定位誤差測量開發了一種新的、突破性的激光矢量測量技術(美國專利6,519,043, 2/11/2003)。這種測量方法僅需數小時就可以完成而不是傳統激光干涉儀的幾天。因此,三維體積定位誤差測量和補償變得實用,并可達到更高的精度和更小的公差。
       意大利的一家公司JOBS S.P.A.自八十年代以來一直在制造三軸和五軸高速線性馬達驅動的標準機床。二年前JOBS用光動公司專利許可的激光多普勒干涉儀(LDDM)取代了傳統的激光校準設備。結合三維體積定位誤差測量技術,或者結合光動公司發明的分步對角線測量技術,LDDM使JOBS很容易地做到精確的測量,并可以在生產運作發生危機前就察覺到問題。如果零件不合格,就將直接影響裝配和電氣部門的生產。而如果零件加工不能滿足規定的公差,則要花更多時間來裝配以保證機床能做到加工精度的技術指標。
      用光動公司的三維體積激光校準設備,JOBS公司花很少時間,幾次測量就得到了更完整的數據。使得JOBS公司很清楚地了解機床的誤差,便及時地校準這些誤差,因而以更有競爭性的質量和價格交付用戶。
      分步對角線測量方法使用4條相同的對角線設置,采集了12組數據。在測量得到數據的基礎上,所有三個位移誤差、六個直線度誤差和三個垂直度誤差都能確定。測量得到的定位誤差可以用來產生三維體積補償表,此表可以被上載到Siemens 840D控制器以校準任何定位誤差,從而提高了定位精度。
      JOBS公司報道了用光動的干涉儀以及分步對角線測量方法只要很少的幾次測量就得到了足夠多的數據,可以非常清楚地顯示出機床的狀態。JOBS非常容易地解決了一些通常的問題,諸如裝配誤差、溫度變化引起的誤差以及結構產生的問題等,并沒有增加裝配時間。JOBS生產的產品質量越來越好。而且,用于三維體積校準的分步對角線測量需要最多7次測量,從這7次測量中可了解到大部分誤差的類型及大小。JOBS已經認定使 用該方法來替代傳統儀器在裝配線上作為光學準直儀、直尺以及花崗石平臺。
      JOBS公司使用的光動公司的LDDM技術采用了單光束的MCV-500及雙光束的MCV-2002從一個可移動的靶標上反射回調制過的激光束,帶有位置信息的光束被探測到并經過處理用來產生查找表,因而能使控制器補償誤差。由于返回光束沒有像傳統的激光干涉儀那樣對偏移有要求,因此設置非常快。僅需調整二個元件:一個單孔的發射和接受激光束的激光頭,一個作為靶標的平面鏡。
      JOBS公司報道了單光束的MCV-500利用分步對角線測量使得只要中斷很少裝配時間就可以得到三維體積定位誤差,因此大大降低了成本。
激光和平面鏡安置在主軸和工作臺上,沿每一軸X軸、Y軸、Z軸分別分步交替移動,這樣重復一直走到對角線的對角上。所有三個軸每一步移動后對角線的定位誤差就采集到了。這項技術采集了三倍的數據量,并允許可以測量得到每一軸移動時的位移誤差。
      靶標移動的軌跡并不是直線,側向移動是較大的。而傳統的干涉儀不允許這么大的側向移動,測不到數據。而LDDM激光干涉儀使用一個平面鏡作靶標,平行于鏡子的移動不會轉移激光束,也不會改變從光源來的距離。因此,測量不會受到影響。
      最多可以有四個工作位置的溫度傳感器連接到自動溫度補償單元。自動溫度補償也對諸如環境因素,如空氣溫度、大氣壓力以及機床溫度的變化提供補償。

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