一种转角精度检测方法及检测装置设计*

谢泽兵，麦丽菊，阮 毅

（广东省机械研究所有限公司，广州 510635）

0 引言

随着技术的发展及对柔性加工、小批量复杂工件加工的需求越来多，多轴机床特别是五轴数控机床越来越普及。五轴机床由于相对三轴机床增加了两个旋转轴，使其具有许多普通三轴机床无法比拟的优点，例如其具有刀具姿态灵活性，使在加工中可以避免被工件多次装夹，减少工件装夹误差，同时加工刀具可以从最优角度进行加工，减少切削力，提高刀具寿命，从而极大地提高了加工效率和刀具寿命，再有五轴联动加工中心可以完成其他机床无法加工的产品，例如叶轮、叶片、大型转子、涡轮等[1]。为使五轴机床在具备以上加工优点的同时，保证加工精度，那么保证其旋转轴的转角精度尤为重要，因此对于多轴机床特别是五轴机床旋转轴的转角精度检测、补偿，是机床在制造、使用过程中精度保证的关键[2]。此外，一些精密仪器设备常常配有分度功能旋转台或具有转角功能的检测部件，那么定期检测或校对这些精密仪器设备的旋转台或转角检测部件的转角精度误差，是管理和维护仪器设备以满足工作需求的必要手段。

1 需求分析

目前，国内外针对转角精度检测，特别是机床旋转轴的转角精度检测，已发展了多种方法[3-5]。激光干涉仪测量法的原理是将待测旋转轴的不准确度（精度）与主旋转校验器已知的不准确度（精度）作比较，特点是操作简便，且具有较高的检测精度，但主旋转校验器昂贵；激光跟踪仪测量法的原理是利用激光跟踪仪对机床作业未端，进行空间精度的检测、建模，特点是设备测量误差大，难以实现高精度检测；基于机器视觉检测法的原理是采用双目视觉的原理，对机床进行精度的检测，特点是设备成本低，操作复杂，检测过程繁琐，辨识过程计算复杂[6-8]。以上各类检测方法中，激光干涉仪测量法是目前使用最广泛的一种，但由于设备昂贵，现实中难以普及应用（工厂一般只购买其中直线位移精度检测部分用于机床直线轴检测，较少购买转角精度检测部分）[9-11]，其余的检测方法均由于自身无直线位移精度检测功能，且与其它的直线位移精度检测系统互不兼容，难以适用需求，所以较少应用。因此针对现实需求及普及应用问题，迫切需研发一种新的转角精度检测方法，该方法应满足：（1）无需昂贵的主旋转校验器；（2）测量精度高；（3）设备操作简单可靠、造价便宜；（4）系统自身具有直线位移精度检测功能。

2 转角精度检测方法

2.1 检测理论

通过不断的研究和试验，发现双光束激光多普勒检测系统，可以用于转角精度。激光多普勒检测系统是采用多普勒效应和光外差原理来进行被测物的线性位移测量，双光束激光多普勒检测系统是把两个激光头集成在一起，使该系统在具有双频道测量功能，其激光器可同时发出两束激光源，两束光源在经双反射镜反射返回激光器且被接收后，系统可以得到两个位移数据[12]。由于系统的两激光束均由同一激光器发出，且两光束平行，所以当双反射镜的工作平面与光束不垂直，形成夹角时，两个反射镜的位移数据将不相等，那么该夹角的角度θ可由两反射镜的位移差量所推导出：

或：

式中：Δ为两反射镜的位移差量；d为两反射镜间的间距（为已知固定值）。

由以上公式可知，式中变量为Δ，检测过程只要记录每个夹角θ的Δ值，即可计算出该夹角θ。如图1所示。

图1 检测方法原理

再由式（1）可见，获取夹角θ过程中并不会受非旋转测量影响，如侧向或纵向位移，而影响夹角θ精度的主要误差源如下。

（1）两反射镜间的间离可能改变，当在测量过程中间离改变，测量结果将会包含误差。例如当测量中双反射镜外壳的温度改变时，间离将会改变。

（2）过多的反射镜横转运动将会产生误差。

（3）环境中的温度梯度或空气紊流将会扭曲激光光束，为了减少这些效应，确认分隔距离尽可能缩短，来避免造成气流或接近热源或冷源。

（4）不垂直误差，主要因为初始设定的关系，当激光光束与双反射镜不垂直时，不垂直度误差εp可表示为：

式中：ε为与垂直度的角度差异量；θmax为最大旋转角度。

举例来说，假设ε＝30 arcminutes，θmax＝3°，那么，不垂直误差εp＝2.5 arcsec。通过良好的调校，不垂直角度可被减少，且本检测方法已将该误差纳入计算。

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因激光光束与未与旋转台表面平行时所造成的余弦误差，余弦误差εc可表示为：

式中：Ψ为激光光束平面与旋转台表面间隙的角度，通常这项误差可忽略。

2.2 功能实现

通过检测理论研究，掌握了双光束激光多普勒检测系统获取夹角θ的计算方法，及检测的理论可行性，但要实现转角精度检测功能，还要掌握双光束激光多普勒检测系统的调校裕度，即双反射镜的工作平面与光束在一定夹角范围内时，两束激光仍能准确获取位移动数据。

通过不断的试验和摸索，发现双反射镜偏角度在±5°范围内时，两束激光同时测量，两频道的直线位移数据精度与在0°时，几乎没有精度偏差。掌握了双光束激光多普勒检测系统的调校裕度，这样就可利用双光束激光多普勒检测系统具有较大的调校裕度与同时作双频道测量，可在反射镜偏转角度达到±5°的同时测量两频道的直线位移的特性，用来精确测量±5°内的反射镜偏转角度。且通过以上理论可知，使用双光束激光多普勒检测系统，测量角度不会受到旋转轴的偏摆、摇摆、平行度与共轴调校影响，反射镜安装与调校并不严苛，测量的准确度由激光系统本身精度来决定等特点，而双光束激光多普勒检测系统（直线位移检测）的系统精度可达0.01 μm，用该系统其进行角度位移测量，准确度可达系统分辨率0.2 arcsec的0.2%。

2.3 检测方法操作

明确了双光束激光多普勒检测系统，可在反射镜偏转角度±5°内时，用来进行角度测量。那么利用该特性，设计一种检测方法，具体的操作：首先将双光束激光多普勒检测系统的反射镜固定于被测转轴上，且使反射镜旋转中心与被测转轴同心；然后将双光束激光多普勒检测系统的激光器固定于被测转轴外，且光束与反射镜面垂直。设备架设好后，启动双光束激光多普勒检测系统，同时使显示的两个位移数据均复位清零，随后被测转轴转动一个角度（例如3°），转轴转动后，上方的反射镜也跟着同步转动，由于反射镜与两束激光形成夹角，此时激光多普勒检测系统将显示两个不同的位移数值，将此两个位移数值的差值，按照式（1）的计算，即可获得夹角数值，该夹角数值即为被测转轴在转动3°时的实际转角角度，实际转角角度值与目标转角角度值的偏差，即为转轴转角精度误差。

从以上检测方法操作过程可见，虽然双光束激光多普勒检测系统可以对被测轴进行转角精度精确检测，但本检测方法只能检测±5°内的转角精度，实际使用价值不大，应用范围不广，现实中如对机床旋转轴的转角精度检测，一般均大于5°，甚至需要到360°范围检测。还有在实际操作中，人工要将反射镜旋转中心与被测转轴放置至同心比较困难，操作技能要求高，为此需研究一种检测装置，该装置结合的双光束激光多普勒检测系统，可以扩大转角精度检测范围，甚至伸至360°，同时降低操作难度，以实现双光束激光多普勒检测系统在更大范围检测转角精度的应用价值。

3 转角精度检测装置

综上所述，需研究一种检测装置，该装置可以使双光束激光多普勒检测系统的转角检测功能伸至360°，同时降低操作难度，以实现应用价值，且该检测装置应区别于主旋转校验器，具有与激光干涉仪昂贵的主旋转校验器相比具有制造精密度要求较低、制造方便简单、造价便宜等优点。

图2 检测装置结构

该套检测装置结构简单，制造容易，造价便宜，且容易操作、保养和携带。其中主装置的基座下方配置的强力磁座，可以方便吸附在被测设备上，基座上方设置有旋转台，旋转台可以360°旋转。为方便转动操作，转台一侧安装有转动拨杆，同时基座两侧设计有2套螺杆微调机构，可微调旋转台在基座上的纵向和横向位置；另外旋转台上设置有反射镜座，该镜座用于固定和定位双光束激光多普勒检测系统的双反射镜，使反射镜旋转中心与转台同心。独立的转角定位杆，使用中与转动拨杆配合，起到定位旋转台转角起始点，转角定位杆也配置有强力磁座，以方便灵活使用。本转角精度检测装置结合本文所述的转角精度检测方法，即可实现被测转轴的360°范围转角测量，当将检测装置固定于机床旋转轴上时，即可为机床旋转轴的进行转角精度检测。

4 机床旋转轴应用

用机床旋转轴转角精度检测，对转角精度检测装置结合转角精度检测方法的具体应用及工作原理作进一步说明，如图3所示。

图3 机床旋转轴检测

机床旋转轴转角精度检测时，首先将转角精度检测装置的主装置固定于被测旋转轴上，并使转台与旋转轴粗略同心；然后将双光束激光多普勒检测系统的反射镜固定于主装置的反射镜座上，双光束激光器固定于转轴外，且光束与反射镜面接近垂直；再后启动双光束激光多普勒检测系统，并使两个位移数据均复位清零；随后转动被测旋转轴，使其±5°旋转，转动的同时，通过两个位移数据的显示值，调动检测装置的2套螺杆微调机构，逐步将检测装置的转台与被测旋转轴调至同心。根据检测理论本检测方法对于检测装置或待测机床转轴的偏摆、摇摆、平行度与光束垂直度调校并不敏感，因此光束与反射镜面接近垂直即可，在检测装置的转台与被测旋转轴同心后，被测旋转轴转至0°位置，再次将两个位移数据均清零，即起始位的两反射镜位移差量设为0，随后将转角定位杆固定在转轴外的一固定点上，并且与检测装置的转动拨杆贴合，定位转动拨杆的起始位。然后待测转轴撰写程序（或手动）作角度的分段增量（例如5°增量），在第一个分段动作结束后，记录下两光束反射镜位移差量，根据此差量，即可计算得出机床待测旋转轴真实角度增量，真实角度增量与设定角度增量的偏差即为被测机床旋转轴的转角精度误差；再相反方向旋转检测装置的转台回到原起始位置；机床转轴再动作一段角度增量，并再记录下两反射镜位移差量，重复此工作，即可获得机床旋转轴0°～360°的转角定位精度。当检测至360°时，机床旋转轴作相反方向运动，即可记录机床旋转轴反方向的转角定位精度，机床旋转轴正反方向的角度增量位置偏差即为机床旋转轴的转角重复定位精度误差。

5 结束语

本文研究的转角精度检测装置及检测方法，其具有以下优点。

（1）检测装置一种操作简单可靠、设备造价便宜的转角精度检测装置，利用该检测装置即可以在检测不确定度很低的条件下，对多轴机床的旋转轴定位精度或仪器设备转角精度进行检测，为转角精度检测提供一种易获得且精度更高的可行的检测方法。

（2）转角精度检测方法利用双光束激光多普勒检测系统的特性，使该系统获得更大的功能扩展，使该系统在具备机床直线轴的直线位移精度测量的同时，又获得了机床旋转轴的转角位移精度测量功能，从而使一套系统就具备多轴机床所有的位移精度检测需求，且无需昂贵的主旋转校验器，降低了测量成本。

（3）此转角精度检测装置及检测方法，不仅可以应于各类结构的多轴机床旋转轴转角精度检测，还可应用于仪器设备上的转角精度检测，适用范围广。该方法的应用和普及，将满足现代高端机床特别是多轴数控机床、精密仪器设备在制造、使用、计量检验方面对转角精度检测的需求，助推高端工业母机战略规划。本研究已申请国家专利。