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面向五轴数控机床的激光高精度多参数快速综合测量仪研制与应用

2021-11-25

 

“装备制造业是一个国家的脊梁”。五轴数控机床作为高端装备的代表,是加工复杂空间曲面工件的仅有手段,成为衡量国家装备制造水平的重要标志。加工精度是反映数控机床性能和水平的关键指标,误差补偿是提高数控机床精度的主要途径,而如何快速准确测量获得各种误差是误差补偿的前提和关键。面向高档数控机床与基础制造装备的国家重大需求,北京交通大学冯其波教授带领研究团队在国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金科学仪器基础研究专款项目、国家自然科学基金重大科研仪器研制项目的连续资助下,经过20余年的不断研究、探索与积累,提出单根光纤耦合的外差干涉测长、数控机床直线轴/转轴6自由度误差同时测量、三直线轴21项几何运动误差一步高效直接测量等新方法、新技术,成功研制出激光高精度多参数快速综合测量仪,能够直接测量获得五轴数控机床42项几何运动误差,主要技术性能指标处于国际领先水平。
 
1 研究背景
我国是重要的机床消费大国和机床进口大国,同时也是机床制造大国,但还不是机床制造强国,特别是在超精密、高性能机械加工等先进技术上,与世界先进水平相比尚有较大差距。为提升先进制造水平和国家核心竞争力,我国于2006年将发展大型、精密、高速数控装备和数控系统及功能部件列为重点支持发展领域,2009年设立了“高档数控机床与基础制造装备”国家科技重大专项。2015年全面推进实施制造强国战略,高档数控机床为十大研究领域之一。
五轴数控机床作为高端装备的代表,是加工复杂空间曲面工件的重要手段。三轴数控机床共有21项几何运动误差需要测量,而五轴数控机床需要测量的各种误差为42项,如何测量得到这42项误差,并按目前普遍采用的齐次变换矩阵建立空间误差补偿模型是提高数控机床精度的出路和关键。目前,国际标准推荐的测量仪器种类繁多、测量周期长、测量效率低,造成数控机床误差的全面测量及补偿无法真正实施。因此,实现数控机床多轴多误差参数高精度快速测量,成为数控机床误差补偿急需要解决的关键测量科学问题之一。
目前,国内外该领域的相关研究主要分两类。一类是测量方法与仪器研究,一般按照各种误差定义进行直接测量,其代表性仪器为单直线轴单参数测量的激光干涉仪,国外产品占据了我国的绝大部分市场。单直线轴多参数测量实现商品化的只有美国自动精密工程公司(API)的激光五/六维测量系统以及英国雷尼绍公司(Renishaw)的激光六维测量系统,但由于价格昂贵无法得到广泛应用。对数控机床旋转工作台6自由度运动误差主要采用单项测量法或使用球杆仪综合测量后进行解耦获得部分单项参数,尚未有能够同时测量获得转轴6自由度运动误差的方法和仪器。对于多轴多误差参数的高效测量更是空白。另一类是测量策略研究,使用简单仪器设备,通过改变测量策略或测量轨迹,实现对数控机床综合误差的测量。一般为间接测量,需要通过解耦等方法识别数控机床的各个单项误差,但无法获得全部误差参数,影响空间误差补偿效果。
激光干涉是大范围高精度测量长度的有效方法,激光准直是高精度测量微小角度理想的选择。激光干涉和准直相结合的多参数高精度同时测量由于能够满足高精度、高效率、高可靠性等要求,成为数控机床领域测量与在线测量的发展方向。北京交通大学冯其波教授领导的研究团队自1999年以来重点开展了机床直线导轨多自由度运动误差同时测量方法与仪器研究,围绕激光多自由度运动误差同时测量中的基础问题、单元技术、关键技术以及仪器研制开展了长期、富有成效的研究工作,解决了所涉及的相关科学问题和关键技术,相继研制出激光4自由度、5自由度、6自由度误差同时测量系统,所研制的基于单根单模光纤传输的双频激光6自由度运动误差同时测量仪器,在国家自然科学基金科学仪器基础研究专款项目的结题验收中被评为A。2015年,研究团队创新性地提出数控机床三直线轴1步3线21项几何运动误差自动测量方法,以及转轴6自由度误差同时测量方法,从而实现对五轴数控机床42项误差和坐标测量机各种误差的高精度、高效率测量。
 
2 研究内容
项目主要开展了单直线轴6自由度几何误差同时测量、数控机床三直线轴21项误差的自动测量、转轴360°全周6自由度误差同时测量等方面的研究。
2.1 基于单根保偏光纤传输双频激光的单直线轴6自由度几何误差同时测量
研究单根保偏光纤与He-Ne双频激光器的耦合方法,以及在单根光纤内传输相互正交的两种偏振光的偏振方向控制的最佳途径和实施工艺,获得频率稳定、功率稳定、偏振方向稳定、空间光线稳定的两个正交线偏振光输出,实现基于单根光纤耦合双频激光的外差干涉测长,并为准直与自准直测量提供了理想光线基准。
提出激光干涉和准直相结合的方法,攻克滚转角高精度测量且易于与其他自由度误差测量相集成的测量方法,提出共路光线漂移与补偿方法,实现单直线轴6自由度误差的高精度同时测量。
2.2 数控机床三直线轴21项误差的高效率、高精度自动测量
提出数控机床三直线轴误差1步3线的高效自动测量方法,攻克18误差同时敏感与光束精确转向的难题,设计了18误差敏感靶镜与光束精确转向系统,研制三直线轴21项误差高效率、高精度测量仪样机。测量仪由激光器、光纤耦合的测量头、18误差敏感靶镜、光线转向系统以及测量软件组成,没有其他附件,仪器构成简单仅需1次安装调整仪器后,即可通过与数控机床联动,分3步自动测量数控机床的3个直线轴的18项误差(即3线)(每个轴存在6个自由度误差参量)并计算3项垂直度误差,实现21项几何误差的自动测量。
测量仪与Renishaw XL80激光干涉仪以及电子水平仪对一立式加工中心(500 mm×350 mm×250 mm)进行对比测量,测量精度相当,而测量效率提升了30倍,从安装、调整到测量,耗时仅半个小时。
2.3 转轴360°全周6自由度误差同时测量
攻克光线自动对准对中、激光伺服跟踪等难题,研究转轴6自由度运动误差测量中测量单元、敏感单元、伺服转轴和待测转轴之间的运动关系,建立转轴6自由度运动误差测量模型,实现转轴360°全周6自由度误差(转角误差、平移跳动、径向跳动、轴向跳动以及两个倾斜角误差)的同时测量。经过特别分析与设计,使得转轴测量的测头部分与直线轴测量的测头部分相同,从而实现五轴数控机床误差测量仪主体的统一与集成。
 
3 测量仪特点
目前,用于数控机床误差测量的仪器主要为单参数激光干涉仪,近年来英国雷尼绍(Renishaw)公司的激光6维测量仪可同时测量单直线轴的6个误差参量。但是尚未有能自动测量三直线轴21项误差的测量仪器,五轴数控机床42项误差测量更是空白。
该项目研制的多轴多参数高精度快速综合测量仪可实现三轴21项、五轴42项误差的高精度高效测量。其显著特点:①测量参数全,能够直接测量获得五轴数控机床42项几何运动误差。②测量效率高。相比国内外各种单参数激光干涉仪,测量数控机床3个直线轴21项几何运动误差的效率可提高数十倍。③综合测量精度高,所有误差参数全部为直接测量,无需解耦,无解耦误差;测量中无需更换附件,无需多次重新调整仪器,减少人工调整误差;测量时间短,减少环境变化对测量带来的误差。④组件少,仪器集成度高,测量仪仅由光源、测头、靶镜、转向系统组成,无其他组件。
 
4 创新成果
研究团队攻克了单根光纤耦合双频激光的外差式干涉测长、单直线轴6自由度几何运动误差同时测量、转轴6自由度几何运动误差同时测量、3直线轴21项误差1步3线自动测量、测量误差自动补偿,以及5轴42项误差高效测量等一系列技术难题,成功研制了面向五轴数控机床的激光高精度多参数快速综合测量仪样机,技术指标处于国际领先水平。获得美国授权专利3件(System for simultaneously measuring six-degree-of-freedom errors in way that double-frequency lasers are coupled by single optical fiber,US9857161B2;Laser measurement system and method for measuring 21 GMEs,US9982997B2等)、欧洲授权专利2件(System for simultaneously measuring six-degree-of-freedom errors by way of dual-frequency lasers being coupled into a single optical fiber,EP3190381B1;Laser measurement system capable of detecting 21 geometric errors,EP3249350B1)、中国授权发明专利10件(单根光纤耦合双频激光六自由度误差同时测量系统,ZL201480077557.3;用于测量转轴六自由度几何误差的激光测量系统及方法,ZL201611131183.6等)。在Optics Express等学术期刊上发表SCI收录论文40余篇。测量仪器关键零部件完全国产化,技术集成程度高。所研制的测量样机获得第21届中国国际高新技术成果交易会、第22届中国国际工业博览会优秀产品奖。基于共路漂移补偿的6自由度误差同时测量方法与仪器被应用于星敏感器位姿与形变测量中,解决了航天应用中的关键问题。
 
5 应用情况
激光高精度多参数快速综合测量仪适用于数控机床、三坐标测量机的空间几何误差测量、补偿与校准。可应用于机器制造业、机械加工、航天航空、军工、交通运输及机电等行业数控机床、加工中心、三坐标测量机等大型贵重设备的检测、修正、验收与维护;可替代各类激光干涉仪、激光准直仪、光电自准直仪等仪器,实现各种应用场合下的长度和角度精密测量,广泛应用于企业、学校、科研部门的教学与科研。
项目研制的高精度多参数快速综合测量仪已在交通运输部公路科学研究院、宁波天瑞精工机械有限公司(SKY MASTER)、海克斯康测量技术(青岛)有限公司进行了数控机床、三坐标测量机的现场检定。
北京交通大学冯其波教授领导的研究团队立足中国制造业发展的重大需求,服务于“自主创新、制造强国”的战略规划,围绕数控机床误差高精度高效率测量关键技术与系统开展长期研究,取得一系列创新成果,研制出针对五轴数控机床的激光高精度多参数快速综合测量仪,为数控机床、坐标测量机等精密制造与测量设备的设计、制造、运用、维修和管理提供科学决策的依据,将助力企业进一步提高数控机床制造与加工精度。