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摘要：为检测机床或测量机等导轨之间的平行度，用激光干涉仪和岩石平尺作为主要测量工具，基于最小二乘法求解直线度的原理，通过线与线之间的平行度计算方法，以激光干涉仪的反射镜光轴为基准，采用基准法评价机床导轨的平行度，分析了激光干涉仪检测平行度的方法、符号判断及影响直线度和平行度的因素。用两种不同测量工具测量线与线之间平行度，比较两种测量工具的优势特点，为激光检测机床导轨的平行度检测提供测量依据。实验结果表明，相比于岩石平尺，激光干涉仪常用于大尺寸导轨直线度和平行度的测试，且具有直观、方便、高精度的测量优势；岩石平尺由于本身的材质原因不便携带，且本身精度对直线度和平行度的测量结果有影响。
关键词：激光干涉仪；平行度测量；平行度；直线度；岩石平尺
0引言
在几何量测量中，平行度误差是的形位误差项目之一，其误差是被测实际要素对其平行于基准的理想要素的变动量[1-2]。随着数控机床应用日益广泛，对其机床导轨间平行度检测要求越来越多，而机床导轨是机床各主要部件相对位置和运动的基准[3]，其平行度误差影响机床最终加工精度，且受材料变形、制造精度、安装水平、温度变化等因素的影响，对其的测量与评定对实际生产具有重要意义。
平行度包括面对面平行度、面对线平行度、线对面平行度和线对线平行度。其评定步骤是先确定基准，再计算被测点到基准的距离最大值和最小值，最大值和最小值之差即为平行度误差。在实际的工程测量中，平面度测量手段和评价方法的理论研究相对较多，如文献[4]验证了滑块测量圆柱间母线平行度的可行性，并与三坐标测量机测量圆柱间母线平行度结果基本一致；文献[5-6]对放置于空间直角坐标系下零件两平面之间的平行度误差进行了理论分析，对评价直线度的最小区域法、最小二乘法、两端点法及线与线平行度误差评定进行介绍，用合像水平仪测量机床导轨平行度，验证直线度和线与线间平行度；文献[7]根据双频激光干涉测量的原理，设计平行平板结构的平行度测量系统，用“定向最小包容区域”原则评定方向公差的理论，建立面对面平行度的测量和评定模型。文献[8-13]介绍了用MATLAB计算以及理论推导直线度、线与面平行度和空间直线度的理论推导及误差计算及部分验证工作，而对利用激光干涉仪作为测量手段检测平行度的研究相对较少。
本文介绍用直接测量的方法，结合直线度和平行度的评价方法，采用激光干涉仪和岩石平尺作为测量工具，测量机床导轨的平行度，最小二乘法计算其测量结果，并对机床导轨平行度进行对比分析，从而为获得平行度的最佳测量结果提供依据。
1测量原理和方法介绍
平行度误差是被测实际要素对其平行于基准的理想要素的变动量，其评定方法是先确定基准，再计算被测点到基准的距离最大值和最小值，最大值和最小值之差即为平行度误差，平行度评价包括面对面平行度、面对线平行度、线对面平行度和线对线平行度[13]。文献[12]指出平行度误差属位置误差范畴，采用最小包容区域法评定时，基本原理是包容实际被测要素且具有最小包容区域，并与基准要素保持平行且距离最小的两平行线或面间的距离，该两条平行线或面即为评定相关误差的包容线或面。平行度误差评定（以平行线为例）的具体方法为，通过被测要素目标各采样点（xi，yi）（i=1，2，…，n）作和理想直线y=ax+b相平行的系列平行线，然后求目标各采样点到理想直线的纵向距离li=yi-（axi+b），其中距离的最大值与最小值之差即平行度误差f∥=max{li}-min{li}。
平行度测量常用测量仪器有激光干涉仪、激光准直仪、电子水平仪、岩石平尺等[5]，大中尺寸平行度度测量常采用激光干涉仪、激光准直仪等，小尺寸平面度测量常用岩石平尺、电子水平仪和精密电感等测量。实际装配测试过程中，机床导轨平行度评价采用竖直平面内线与线间的平行度。本文采用激光干涉仪及其镜组和岩石平尺分别测量导轨竖直平面内线与线之间的平行度，以最小二乘法计算测量结果，间接得出被测导轨竖直平面内线与线之间的平行度误差。
根据最小二乘法计算直线度误差评定方程[1,6]可知直线Lm方程为：
求出：
找出直线y=kx+b两侧最远点至该直线纵坐标距离的最大值E max和最小值Emin，从而求得被测对象的直线度f和斜度θ。
激光干涉仪评价平行度是以直线度测量反射镜的光轴为参考基准，第一次测量直线度时斜度为θ1，第二次测量直线度时斜度为θ2，则线与线之间平行度为斜度差。
根据经验，考虑到机床导轨经过一段时间的应力释放、地基变化、滑动形变等因素对导轨精度的影响，保证机床导轨在调试好后，有良好的承载力和稳定性，调导轨直线度时，将导轨两端紧固螺栓进行调整，使基准导轨直线度在其误差范围内，同时，保证导轨中间微凸起，两端为调整“0”位。以基准导轨为准，调整第二个导轨直线度时，使第二条导轨直线度形态调整到和基准导轨一致，尽量时两条导轨的轮廓为外凸，类似鼓形。
安装检测时用连接板联结机床导轨的同侧一组滑块，使滑块组在导轨上能自由滑动，将激光镜组用磁性表座固定在导轨滑块组上，测试时导轨面无负载。本实验将激光干涉仪采集到数据分别采用最小二乘法在平面内拟合直线，利用线与线之间的平行度评价方式计算平行度。
2实际应用
将激光干涉仪XL-80放置在长2 000 mm的导轨一端，反射镜放置在两个导轨之间，干涉镜放置在一侧导轨滑块上，按照直线度检测方法[15]，准直激光光路，通过手动调整直线度光学镜，消除由于滑块位移轴Y1和直线度反射镜的光轴线之间不平行引起的斜率误差，调好反射镜后将其固定在某个位置固定不动，因该反射镜的光路所保持的斜率读数是平行度计算的基准，因而在进行第二轴Y2调光过程中，不允许随意调整直线度反射镜，同时，要确保在行程近端时固定反射镜与移动干涉镜之间的距离调整合适（采用短距离直线度测量时该距离大于0.1 m），检测镜组放置示意图，如图1所示。
直线度测量数据的精确度与测试时的空气和被测对象的工作条件有很大的关系，尤其对距离长轴的直线度测量来说，由于直线度测量是用“光学基准”来进行的，因此测量时尽可能使空气波动保持在较小的水平，尽可能关闭机床周围的加热器、空调或者风扇。测量人员尽量不要在测量区域附近走动或开关附近的大门，确保导轨周围无振源和风的干扰，测量时利用激光干涉仪测量软件中短期平均值和长期平均值状态来采集数据[16]。为保证测量的精确性，直线度光学镜组的清洁尤为重要，尽可能使用高质量透镜滤纸或玻璃清洁液按照说明书清洁灰尘和手印等痕迹。
导轨安装、测试步骤如下。
（1）建立检测基准。先调整Y1基准轴的直线度。按照直线度测量方法调试基准导轨直线度，在靠近立柱端两导轨中间尾部固定反射镜，使干涉镜移动到最近端时，与反射镜之间距离约为200 mm，移动干涉镜至与反射镜最远端约2 000 mm，采用公式计算斜率误差Rc：
Rc=-R0×A/B（1）
式中：R0为反射镜与干涉镜最远距离时干涉仪读数，A为干涉镜中心至反射镜中心距离，B为滑块移动的最远距离。
根据计算得到的斜率误差，手动调整直线度光学镜，消除效率误差，同时规定垂直于目标点递增方向，用手轻轻推干涉镜，采用左手定则判定，中指指向即为直线度误差的正方向，如图2所示。
调整导轨紧固螺栓将其直线度误差控制在4μm以内且形状外凸，再次检测验证基准导轨直线度，使其精度保持在4μm以内，紧固基准导轨螺栓。调好基准导轨Y1直线度后，对其进行检测，设置激光干涉仪测量软件，每隔200 mm步距、手动采集，缓慢移动导轨滑块，记录滑块组停在预设位置处激光干涉仪屏幕显示数据，测试往返一个循环，完成直线度检测。
（2）调整被评价轴直线度。移动激光干涉仪和干涉镜位置，用磁性表座将干涉镜放置在Y2导轨的运动轴上，调整激光干涉仪和干涉镜，准直激光光路，第二轴导轨Y2光路调整过程中，通过微调激光头俯仰角、偏摆角、平移和升降激光器旋钮，细微转动调整干涉镜面等，尽可能使激光光强保持满格。调整时保证反射镜固定不动，且对其微调旋钮不做任何调整，激光光路准直后，Y2导轨检测直线度时不再消除斜率误差。为方便评价导轨之间平行度，当直线度反射镜为固定镜时，沿给定方向移动直线度干涉镜，两组测量读数的符号判定方法是相同的。按照直线度测量方法直接检测Y2轴的直线度，与检测Y1基准轴方法相同，设置激光干涉仪测量软件，每隔200 mm步距、手动采集，记录滑块组停在预设位置处激光干涉仪屏幕显示数据，测试往返一个循环，完成直线度检测。
用激光干涉仪软件中平行度评价软件，采用最小二乘法计算导轨的直线度，根据直线度计算公式，导轨Y1轴直线度为3.65μm，此时导轨Y1拟合直线与激光反射镜光轴的斜度为1.57μm/m；导轨Y2轴直线度为8.95μm，此时导轨Y2拟合直线与激光反射镜光轴的斜度的斜度为-2.54μm/m。以导轨Y1为基准评价导轨Y2，软件计算得出Y1和Y2之间的平行度为4.1μm/m，此时，两个直线度图形是由最小二乘法拟合得到，参考基准是以直线度测量反射镜的光轴，检测结果如图3所示。
采用长2 000 mm精度等级00级岩石平尺和精度0.001 mm电感测微仪，检测同一台机床导轨基准轨Y1和导轨Y2之间的平行度。检测步骤：（1）建立检测基准。检测时先将岩石平尺放置在两导轨之间，把岩石平尺工作面I和基准导轨Y1粗调平行，电感测微仪固定在组合导轨滑块上，移动滑块至岩石平尺一端A位置，将电感读数“置零”，再将滑块滑到岩石平尺另一端B位置，观察电感读数是否为0，如不为0，微调岩石平尺，使其读数接近0。重复上述动作，反复调整岩石平尺，使滑块移动到位置A和位置B时，电感数值相同，此时将电感读数“置零”。（2）检测导轨Y1轴直线度。以建立的岩石平尺为测量基准，测量导轨Y1轴直线度，将长2 000 mm岩石平尺分成9段，10个测量位置，每段步距为200 mm，其中滑块组长度为180 mm。测量时，将距离导轨两端约10 mm距离不作为测量区域，把第一个测量位置记作0位，10个测量位置分别为：0、200、400、600、800、1 000、1 200、1 400、1 600、1 800 mm。移动装有电感测微仪的滑块，每200 mm停顿一次，依次检测对应位置，分别记录被测位置处电感测微仪上的读数。（3）测量导轨Y2直线度。将电感测微仪固定导轨Y2的滑块上，另一端接触岩石平尺工作面II，与测量导轨Y1同理，将岩石平尺设置9段，10个测量位置，每段步距为200 mm，将第一个位置点“置零”，移动装有电感测微仪的滑块，每200 mm停顿一次，依次检测对应位置，分别记录被测位置处电感测微仪上的读数。
导轨Y1和导轨Y2的平行度检测结果，如表1所示。结果表明：岩石平尺工作面I时测试结果的极差值为5μm，第工作面II测试结果极差为4μm，如不考虑岩石平尺本身误差影响，导轨Y1与导轨Y2之间平行度为5μm。而通过查阅第三方计量机构给出岩石平尺检定证书，可知岩石平尺本身平行度误差为5μm，直线度为4μm，由于岩石平尺本身精度等级的影响，对测量结果有影响，因此，平尺测量导轨平行度结果为5~9μm之间。
3结束语
本文基于直线度、平行度测量和评价理论，采用激光干涉仪和岩石平尺测量机床导轨平行度，通过在相同工作环境，对同一个测试对象，用不同的检测工具和检测方法进行比较，研究结果表明：激光干涉仪测量直线度和平行度是以直线度测量反射镜的光轴作为参考基准；激光干涉仪基准是光的波长，而且直线度检测受环境温度影响较小，激光干涉仪测量平行度精度高于同等尺寸岩石平尺的测量精度，且激光干涉仪测量过程更为直观、方便；激光干涉仪用直线度镜组测量运动轴之间的平行度，基准组直线度需要消除斜率误差，被测轴直线度不需要消除斜率误差，且测量被测轴时不允许调整反射镜，仅能调整激光器；在大尺寸设备或零部件的平行度测量中，激光干涉仪比岩石平尺更为合适；由于岩石平尺本身的精度等级原因，会对平行度测量结果有影响。
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激光干涉仪在机床导轨平行度检测中的应用论文
人参与 2024-07-16 10:10:26 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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