激光雙頻干涉儀實驗.doc

實驗十一 雙頻激光干涉議測試數控機床位移精度及補償實驗一、實驗目的與要求1了解數控機床的傳動結構。2了解雙頻激光干涉議的工作原理。3掌握雙頻激光干涉議的的使用方法。4掌握數控機床的定位精度、重復定位精度的測量方法。5掌握數控機床定位誤差數據的處理方法。6掌握數控機床螺距誤差單向和反向間隙的補償方法，并驗證補償效果。二、實驗儀器與設備1HP5528A雙頻激光干涉議一臺。2加工中心（VMC-850 FANUC）一臺。三、相關知識概述1數控機床進給傳動裝置的結構在數控機床進給傳動裝置中，一般由電動機通過聯軸器帶動滾珠絲杠旋轉，由滾珠絲杠螺母機構將回轉運動轉換為直線運動。(1)滾珠絲杠螺母機構的結構滾珠絲杠螺母機構的工作原理如圖11-1所示，在絲杠1和螺母2上各加工有圓弧形螺旋槽，將它們套裝起來形成螺旋形滾道，在滾道內裝滿滾珠3。當絲杠相對螺母旋轉時，絲杠的旋轉面通過滾珠推動螺母軸向移動，同時滾珠沿螺旋形滾道滾動，使絲杠和螺母之間的滑動摩擦轉變?yōu)闈L珠與絲杠、螺母之間的滾動摩擦。螺母螺旋槽的兩端用回珠管4連接起來，使?jié)L珠能 圖11-1 滾珠絲杠螺母機構夠從一端重新回到另一端，構成 1.絲杠；2.螺母；3.滾珠；4.回珠管一個閉合的循環(huán)回路。(2)進給傳動誤差由于滾珠絲杠副在加工和安裝過程中存在誤差，因此滾珠絲杠副將回轉運動轉換為直線運動時存在以下兩種誤差。 螺距誤差，即絲杠導程的實際值與理論值的偏差。例如P級滾珠絲杠的螺距公差為O.012mm300mm。反向間隙，即絲杠和螺母無相對轉動時，絲杠和螺母之間的最大竄動。由于絲杠和螺母之間有磨損，滾珠絲杠螺母機構存在軸向間隙；該軸向間隙在絲杠反向轉動時表現為絲杠轉動角，而螺母未移動，形成了反向間隙。但反向間隙過大將嚴重影響機床精度。2. 雙頻激光干涉儀的工作原理雙頻激光干涉儀其雙頻激光測量系統(tǒng)由氦氖雙頻遙置激光干涉儀和電子實時分解系統(tǒng)所組成。它具有以下優(yōu)點：穩(wěn)定性好，抗干擾能力強，可在較快的位移速度下測量較大的距離，使用范圍廣，使用方便，測量精度高。基本原理：如圖11-2所示，激光雙頻干涉儀的氦氖激光管，在外加直流軸向磁場的作用下，產生塞曼效應，將激光分成頻率為f1和f2，旋向相反的兩圓偏振光，經/4波片變?yōu)榫€偏振光。調整/4玻片的旋轉角度，使fl和f2的振動平面相 互垂直，以互垂直，以 圖11-2 雙頻激光干涉儀的工作原理圖作激光干涉 1.激光管2./4波片3. 參考分光鏡4. 偏振分光棱境5. 基準錐體棱鏡6.移動測量棱體7.10.12.檢偏振鏡8.9.11.光電管13.光電調制器儀的光源。當兩個線偏振光經過參考分光鏡3時(見圖11-2)，大部分則由偏振分光棱境4分成兩束。偏振面垂直入射面的f2全反射到與分光鏡固定在一起的基準錐體棱鏡上；偏振面在入射面內的fl則全部通過而射到移動測量棱體6上。由這兩個錐體棱鏡反射回來的光束在偏振分光鏡上合并，并在檢偏振鏡上混頻。當移動錐體棱鏡時，由于多普勒效應，f1變成f1 +f，因而光電元件8所得到的信號是(f1+f)-f2。在可逆計數器中與參考信號(f1-f2)相減，棱鏡每移動半個波長，光程變化是整個波長。測得的位移是l=/2N，經計算機處理，所測得的位移值可在計算機顯示器上讀出。位移量測量原理如圖11-3所示。圖11-3 位移量測量原理圖四、實驗內容及步驟1使機床各軸回參考點2按圖所示擺放儀器。圖11-4 激光干涉儀的使用示意圖3決定反射鏡（Linear retroreflector）安放位置，并固定在機床上。4選擇透射鏡（Interferometer）安放位置，使反射鏡和透射鏡保持在同一高度。5調整激光頭使其與反射鏡及透射鏡保持在同一直線和同一高度。6接通激光頭的電源，預熱5分鐘后，調整光路使反射光幾乎全部進入激光頭的入口。7移動機床，使其移動一個步距（從機械原點即零點計算起），按下RECORD鍵，從而記錄機床實際移動數值及其移動誤差。如X軸方向的位移測量示意圖5。圖11-5 位移測量示意圖8每隔一個步距移動一次機床，按下RECORD鍵，重復該步五次。五、實驗總結通過雙頻激光干涉議測試數控機床位置精度補償實驗：1進一步認識了數控機床的傳動系統(tǒng)工作原理。2掌握了測量數控機床位置精度的精密測量儀器的使用方法。3通過對坐標軸X、Y、Z三個方向位移測量記錄下來的數據，與機床顯示的數值對比所產生的誤差結果，為機床參數中的間隙補償提供了可靠的依據。六、實驗報告實驗名稱 班級 姓名 學號1實驗目的與要求2實驗儀器與設備3實驗內容在測量數控機床的位置精度時，測量移動的步距（兩個測量點的距離）要根據數控機床系統(tǒng)參數來定，加工中心（VMC-850 FANUC系統(tǒng)）參數中定義的步距為30mm。根據對坐標軸X、Y、Z三個方向位移測量記錄下來的數據：單向和反向測量的數據，繪制誤差曲線圖（橫坐標為測量點的位置長度mm，縱坐標為步距的誤差m）。數控機床工作軸移動的尺寸填入下表：（1）實際測量工作臺上給定點Pi沿X運動軸單向的運動定位誤差(i=0,l,2,3,4,5)曲線圖數控機床工作移動的尺寸填入下表：負向移動位置起點坐標P0P1P2P3P4P5位移尺寸（mm）激光測量尺寸（mm）誤差值（um）m0 0 30 60 90 120 150（mm）根據五個測量點的誤差，計算平均誤差，輸入到數控機床參數的單向間隙補償中。（2）實際測量工作臺上給定點Pi沿X運動軸反向的運動定位誤差(i=0,l,2,3,4,5)曲線圖數控機床工作移動的尺寸填入下表：正向移動位置起點坐標P0P1P2P3P4P5位移尺寸（mm）激光測量尺寸（mm）誤差值（um）m0 0 30 60 90 120 150（mm）根據五個測量點的誤差，計算平均誤差，輸入到數控機床參數的反向間隙補償中。（3）實際測量工作臺上給定點Pj沿Y運動軸單向的運動定位誤差（j=0,l,2,3,4,5)曲線圖數控機床工作移動的尺寸填入下表：負向移動位置起點坐標P0P1P2P3P4P5位移尺寸（mm）激光測量尺寸（mm）誤差值（um）m0 0 30 60 90 120 150（mm）根據五個測量點的誤差，計算平均誤差，輸入到數控機床參數的單向間隙補償中。（4）實際測量工作臺上給定點Pj沿Y運動軸反向的運動定位誤差（j=0,l,2,3,4,5)曲線圖數控機床工作移動的尺寸填入下表：正向移動位置起點坐標P0P1P2P3P4P5位移尺寸（mm）激光測量尺寸（mm）誤差值（um）m0 0 30 60 90 120 150（mm）根據五個測量點的誤差，計算平均誤差，輸入到數控機床參數的反向間隙補償中。（5）實際測量主軸上給定點Pk沿Z運動軸單向的運動定位誤差(k=0,l,2,3,4,5)曲線圖數控機床工作移動的尺寸填入下表：負向移動位置起點坐標P0P1P2P3P4P5位移尺寸（mm）激光測量尺寸（mm）誤差值（um）m0 0 30 60 90 120 150（mm）根據五個測量點的誤差，計算平均誤差，輸入到數控機床參數的單向間隙補償中。（6）實際測量主軸上給定點Pk沿Z運動軸反向的運動定位誤差(k=0,l,2,3,4,5)曲