激光双频干涉仪实验.doc

实验十一 双频激光干涉议测试数控机床位移
精度及补偿实验

一、实验目的与要求
1．了解数控机床的传动结构。
2．了解双频激光干涉议的工作原理。
3．掌握双频激光干涉议的的使用方法。
4．掌握数控机床的定位精度、重复定位精度的测量方法。
5．掌握数控机床定位误差数据的处理方法。
6．掌握数控机床螺距误差单向和反向间隙的补偿方法，并验证补偿效果。
二、实验仪器与设备
1．HP5528A双频激光干涉议一台。
2．加工中心（VMC-850 FANUC）一台。
三、相关知识概述
1．数控机床进给传动装置的结构
在数控机床进给传动装置中，一般由电动机通过联轴器带动滚珠丝杠旋转，由滚珠丝杠螺母机构将回转运动转换为直线运动。
(1)滚珠丝杠螺母机构的结构
滚珠丝杠螺母机构的工作原理如图11-1所示，在丝杠1和螺母2上各加工有圆弧形螺旋槽，将它们套装起来形成螺旋形滚道，在滚道内装满滚珠3。当丝杠相对螺母旋转时，丝杠的旋转面通过滚珠推动螺母轴向移动，同时滚珠沿螺旋形滚道滚动，使丝杠和螺母之间的滑动摩擦转变为滚珠与丝杠、螺母之间的滚动摩擦。螺母螺旋槽的两端
用回珠管4连接起来，使滚珠能 图11-1 滚珠丝杠螺母机构
够从一端重新回到另一端，构成 1.丝杠；2.螺母；3.滚珠；4.回珠管
一个闭合的循环回路。
(2)进给传动误差
由于滚珠丝杠副在加工和安装过程中存在误差，因此滚珠丝杠副将回转运动转换为直线运动时存在以下两种误差。
①螺距误差，即丝杠导程的实际值与理论值的偏差。例如PⅡ级滚珠丝杠的螺距公差为O.012mm／300mm。
②反向间隙，即丝杠和螺母无相对转动时，丝杠和螺母之间的最大窜动。由于丝杠和螺母之间有磨损，滚珠丝杠螺母机构存在轴向间隙；该轴向间隙在丝杠反向转动时表现为丝杠转动α角，而螺母未移动，形成了反向间隙。但反向间隙过大将严重影响机床精度。
2. 双频激光干涉仪的工作原理
双频激光干涉仪其双频激光测量系统由氦氖双频遥置激光干涉仪和电子实时分解系统所组成。它具有以下优点：稳定性好，抗干扰能力强，可在较快的位移速度下测量较大的距离，使用范围广，使用方便，测量精度高。
基本原理：如图11-2所示，激光双频干涉仪的氦氖激光管，在外加直流轴向磁场的作用下，产生塞曼效应，将激光分成频率为f1和f2，旋向相反的两圆偏振光，经λ/4波片变为线偏振光。调整λ/4玻片的旋转角度，使fl和f2的振动平面相
互垂直，以
互垂直，以 图11-2 双频激光干涉仪的工作原理图
作激光干涉 1.激光管2.λ/4波片3. 参考分光镜4. 偏振分光棱境5. 基准锥体棱镜6.移动测量棱体7.10.12.检偏振镜8.9.11.光电管13.光电调制器
仪的光源。当两个线偏振光经过参考分光镜3时(见图11-2)，大部分则由偏振分光棱境4分成两束。偏振面垂直入射面的f2全反射到与分光镜固定在一起的基准锥体棱镜上；偏振面在入射面内的fl则全部通过而射到移动测量棱体6上。由这两个锥体棱镜反射回来的光束在偏振分光镜上合并，并在检偏振镜上混频。当移动锥体棱镜时，由于多普勒效应，f1变成f1 +△f，因而光电元件8所得到的信号是(f1+△f)-f2。在可逆计数器中与参考信号(f1-f2)相减，棱镜每移动半个波长，光程变化是整个波长。测得的位移是l=λ/2×N，经计算机处理，所测得的位移值可在计算机显示器上读出。位移量测量原理如图11-3所示。

图11-3 位移量测量原理图
四、实验内容及步骤
1．使机床各轴回参考点
2．按图所示摆放仪器。

图11-4 激光干涉仪的使用示意图
3．决定反射镜（Linear retroreflector）安放位置，并固定在机床上。
4．选择透射镜（Interferometer）安放位置，使反射镜和透射镜保持在同一高度。
5．调整激光头使其与反射镜及透射镜保持在同一直线和同一高度。
6．接通激光头的电源，预热5分钟后，调整光路使反射光几乎全部进入激光头的入口。
7．移动机床，使其移动一个步距（从机械原点即零点计算起），按下〖RECORD〗键，从而记录机床实际移动数值及其移动误差。如X轴方向的位移测量示意图5。

图11-5 位移测量示意图
8．每隔一个步距移动一次机床，按下〖RECORD〗键，重复该步五次。
五、实验总结
通过双频激光干涉议测试数控机床位置精度补偿实验：
1．进一步认识了数控机床的传动系统工作原理。
2．掌握了测量数控机床位置精度的精密测量仪器的使用方法。
3．通过对坐标轴X、Y、Z三个方向位移测量记录下来的数据，与机床显示的数值对比所产生的误差结果，为机床参数中的间隙补偿提供了可靠的依据。
六、实验报告
实验名称 班级 姓名 学号
1．实验目的与要求
2．实验仪器与设备
3．实验内容
在测量数控机床的位置精度时，测量移动的步距（两个测量点的距离）要根据数控机床系统参数来定，加工中心（VMC-850 FANUC系统）参数中定义的步距为30mm。
根据对坐标轴X、Y、Z三个方向位移测量记录下来的数据：单向和反向测量的数据，绘制误差曲线图（横坐标为测量点的位置长度mm，纵坐标为步距的误差µm）。
数控机床工作轴移动的尺寸填入下表：
（1）实际测量工作台上给定点Pi沿X运动轴单向的运动定位误差(i=0,l,2,3,4,5)曲线图
数控机床工作移动的尺寸填入下表：负向移动
位置
起点坐标
P0
P1
P2
P3
P4
P5
位移尺寸（mm）

激光测量尺寸（mm）

误差值（um）

µm

0

0 30 60 90 120 150（mm）
根据五个测量点的误差，计算平均误差，输入到数控机床参数的单向间隙补偿中。
（2）实际测量工作台上给定点Pi沿X运动轴反向的运动定位误差(i=0,l,2,3,4,5)曲线图
数控机床工作移动的尺寸填入下表：正向移动
位置
起点坐标
P0
P1
P2
P3
P4
P5
位移尺寸（mm）

激光测量尺寸（mm）

误差值（um）

µm

0

0 30 60 90 120 150（mm）
根据五个测量点的误差，计算平均误差，输入到数控机床参数的反向间隙补偿中。
（3）实际测量工作台上给定点Pj沿Y运动轴单向的运动定位误差（j=0,l,2,3,4,5)曲线图
数控机床工作移动的尺寸填入下表：负向移动
位置
起点坐标
P0
P1
P2
P3
P4
P5
位移尺寸（mm）

激光测量尺寸（mm）

误差值（um）

µm

0

0 30 60 90 120 150（mm）
根据五个测量点的误差，计算平均误差，输入到数控机床参数的单向间隙补偿中。
（4）实际测量工作台上给定点Pj沿Y运动轴反向的运动定位误差（j=0,l,2,3,4,5)曲线图
数控机床工作移动的尺寸填入下表：正向移动
位置
起点坐标
P0
P1
P2
P3
P4
P5
位移尺寸（mm）

激光测量尺寸（mm）

误差值（um）

µm

0

0 30 60 90 120 150（mm）
根据五个测量点的误差，计算平均误差，输入到数控机床参数的反向间隙补偿中。
（5）实际测量主轴上给定点Pk沿Z运动轴单向的运动定位误差(k=0,l,2,3,4,5)曲线图
数控机床工作移动的尺寸填入下表：负向移动
位置
起点坐标
P0
P1
P2
P3
P4
P5
位移尺寸（mm）

激光测量尺寸（mm）

误差值（um）

µm

0

0 30 60 90 120 150（mm）
根据五个测量点的误差，计算平均误差，输入到数控机床参数的单向间隙补偿中。
（6）实际测量主轴上给定点Pk沿Z运动轴反向的运动定位误差(k=0,l,2,3,4,5)曲线图
数控机床工作移动的尺寸填入下表：正向移动
位置
起点坐标
P0
P1
P2
P3
P4
P5
位移尺寸（mm）

激光测量尺寸（mm）

误差值（um）

µm

0

0 30 60 90 120 150（mm）
根据五个测量点的误差，计算平均误差，输入到数控机床参数的反向间隙补偿中。
4．实验总结（必写）
5．思考题：试分析机床产生位移误差的原因。