机械工程综合实
践 实验报告
课程名称 机械工程综合实践 专 业 精密工程 指导教师 彭小强 小组成员 刘强 14033006
谌贵阳 吴志明 实验日期 2012.4.2—2011.6.25
国防科学技术大学机电工程与自动化学院
目 录
1激光干涉仪 1.1激光干涉仪介绍 1.2激光干涉仪原理
2 激光干涉仪测量机床的直线度 2.1实验器材以及平台的搭建 2.2激光干涉仪的调试 2.3直线度的测量
3 激光干涉仪测量机床的重复定位精度 3.1实验器材以及平台的搭建 3.2激光干涉仪的调试 3.3重复定位精度的测量 4 实验分析与总结
目录
一、实验目的与任务 .......................................... 4 二、实验内容与要求 .......................................... 4 三、实验条件与设备 .......................................... 4 四．实验原理 ................................................ 5 1.定位精度测量 ........................................... 5 2.直线度测量 ............................................. 6 五、实验步骤 ................................................ 7 1.设定激光测量系统 ....................................... 7 2.调整激光光束，使之与机器运动轴准直。 ................... 7 3.数据记录与数据处理 ..................................... 8 六、实验过程和结果 ........................... 错误!未定义书签。 1.X轴定位精度 ............................ 错误!未定义书签。 2.X轴直线度 .............................. 错误!未定义书签。 3.误差分析 ................................ 错误!未定义书签。 七、实验总结与体会 ........................... 错误!未定义书签。 1.实验总结 ................................ 错误!未定义书签。 2.实验心得体会 ............................ 错误!未定义书签。 3.对课程的一些建议 ........................ 错误!未定义书签。
综合实践3 伺服系统运动精度建模与评价
一、实验目的与任务
通过对三轴机床的X轴进行定位误差实验，使学生掌握一般机构空间运动精度的测量与分析评价方法。主要内容包括了解双频激光干涉仪测量位移的基本原理，掌握利用双频激光干涉仪测量机床进给轴的定位误差的方法，深刻理解轴运动的精度的概念。在对机床进给轴运动定位误差测量的基础上，分析机床的运动误差。
二、实验内容与要求
（1）直线轴运动误差测量。利用双频激光干涉仪建立直线轴定位精度、直线度、姿态误差的测量系统，并对机床典型三维进给机构各轴的运动误差进行测量，分析测量结果的不确定度；
（2）垂直度测量。任选进给机构两轴，利用双频激光干涉仪建立两轴垂直度的测量系统，并对垂直度进行测量，并对测量结果进行评价；
（3）典型三维进给机构的精度建模。在分析多轴进给机构拓扑结构的基础上，用多体系统理论和变分法建立多轴进给机构运动空间各点的运动误差传递模型；
（4）典型三维进给机构的精度分析与评价。在测量得到的进给机构轴运动误差的基础上，利用所建立的精度模型，对机构的典型运动轨迹如直线、圆弧、平面等的运动误差进行分析，并对分析结果的不确定度进行评价。
三、实验条件与设备
双频激光干涉仪，含直线度、定位精度测量组件。具体如图1所示。
（图1 定位精度测量组件 直线度测量组件）
四．实验原理
1.定位精度测量
（图2 测量光路图）
来自XL激光头的光束进入线性干涉镜，在此光束被分成两束。一束光（称为参考光束）被引向装在分光镜上的反射镜，另一束光（测量光束）则穿过分光镜到达第二个反射镜。然后，两束光都被反射回分光镜，在此它们重新组合并被导回到激光头，激光头内的探测器监测两束光之间的干涉。
图3为ISO230-1-1996(E) 5.212.15规定的测量设备组建和标准光路。
（图3：ISO标准光路）
一般在线性测量过程中，一个光学组件保持静止不动，另一个光学组件沿线性轴移动。通过监测测量光束和参考光束之间的光路差异的变化，产生定位精度测量值（注意，它是两个光学组件之间的差异测量值，与XL激光头的位置无关）。此测量值可以与被测机器定位系统上的读数比较，获得机器的精度误差。
通常，将反射镜设定为移动光学部件，将干涉镜设定为静止部件，如图4所示。二者可以反过来使用。
（图4 定位精度测量光路示意图）
2.直线度测量
激光通过直线度干涉仪后，分开成具有小角度的两束光，这两束光被直线度反射镜反射后沿新的路径返回直线度干涉仪，在这里两束光汇聚在一起返回到激光头内。在测量过程中干涉仪随工作台一起运动，反射镜固定。干涉仪和反射镜之间的横向偏差会导致光程差的变化，通过监测测量光束和参考光束之间的光路差异的变化，产生直线度测量值。
下图是测量水平方向的直线度，当把同时旋转90°时就可以测量竖直方向的直线度。由于两束光束受到环境同样的影响，所以不需要进行环境补偿。
图 直线度测量光路示意图
图 ISO230-1中直线度测量光路示意图
五、实验步骤
定位精度测量所需的步骤如下： 1.设定激光测量系统
将线性光学镜组连接到要校准的机床上；在三角架上安装XL激光头；用USB电缆将XL激光头连接到PC机上，将电缆的一端插到XL激光头尾部的USB插槽中，另一端插到PC机上；为安全起见，开始时XL激光头的光闸应转至关闭位置，如下图5所示。
图5 XL光闸位置(不发出任何光束) 图6 定位精度测量光路原理图
2.调整激光光束，使之与机器运动轴准直。
本文所述准直步骤是假定按图6所示进行光学镜组设定，其中线性干涉镜为固定光学镜，反射镜为移动光学镜。
（1）线性干涉镜和反射镜定位
对三脚架和激光进行定位，使之垂直指向测量光学镜组。用机架作为目测视线，使激光和运动轴线二者大致准直。
（2）旋转激光光闸，使激光输出光束直径减小，如图7所示：
图7 激光干涉仪光闸 图8 激光头标靶
（3）移动机床被测轴，使线性反射镜靠近激光头，将标靶安装在前面，白点在上。平移激光器或机床轴，直到光束射到标靶上的白点。
（4）去除标靶，检查从反射镜上反射回的光束是否射到XL激光光闸上标靶的中心。如果没有，则平移激光器或机器，直到激光光束射到标靶的中心。
（5）使线性干涉镜尽量靠近反射镜，如图9所示。如果二者靠近，则余下的准直工作仅仅是调整激光头。
图9 干涉镜靠近反射镜示意图
（6）确保干涉镜和反射镜的外表面与机器垂直，而且彼此保持准直。如果干涉镜歪斜，可能出现精度降低并无法检测到光束是否被挡。一般说来，在滚摆 （roll）、俯仰 （pitch） 和扭摆 （yaw） 方向上，最好使干涉镜的准直角度小于±2°，这通常可通过目测完成。
（7）将标靶安装在干涉镜的入射光孔中，然后，垂直和水平平移干涉仪，使光束射到标靶。
（8）从线性干涉镜上取下标靶，检查干涉镜反射回的光束是否射到XL激光光闸的中心并位于反射镜反射回的光束的上方。如果不是，则平移干涉镜直到光束射到白色标靶的中心。注：一个有效的方法是，在干涉镜和反射镜之间放置一个卡片，挡住反射镜上反射回的光束。
图10 激光干涉仪光闸上反射光示意图 图11 调整后的准直光路图
（9）调整好光路准直后，调整干涉镜大约在光路的中间. 最终准直好的光路如下图所示： 3.数据记录与数据处理
使用自动采集数据功能，可自动触发激光记录读数。它或是定时采集数据或是在测量线性位移时，系统检测到所测机器停止在预定目标位置上而采集数据。
“自动数据采集设置”选项是通过从“采集”菜单内选择自动采集设置而定义的。选中了所需选项后，单击“确定”，退出“自动数据采集设置”对话框。
图12 自动采集数据设定窗口 图13 数据采集主窗口
当从Renishaw LaserXLTM浏览器窗口中选择一个测量图标时，将显示数据采集主窗口。系统在线性测量模式下的典型屏幕画面如图13所示。不同测量模式的显示屏幕与之相似，但为了更清楚明了，这里仅说明线性测量屏幕。
1激光干涉仪
1.1激光干涉仪介绍
激光具有高强度、高度方向性、空间同调性、窄带宽和高度单色性等优点。目前常用来测量长度的干涉仪，主要是以迈克尔逊干涉仪为主，并以稳频氦氖激光为光源，构成一个具有干涉作用的测量系统。激光干涉仪可配合各种折射镜、反射镜等来作线性位置、速度、角度、真平度、真直度、平行度和垂直度等测量工作，并可作为精密工具机或测量仪器的校正工作。 1.2激光干涉仪原理
干涉仪是以激光波长为已知长度、利用迈克耳逊干涉系统测量位移的通用长度测量工具。激光干涉仪有单频的和双频的两种。本实验使用的是双频干涉仪。
在氦氖激光器上，加上一个约0.03特斯拉的轴向磁场。由于塞曼分裂效应和频率牵引效应, 激光器产生1和2两个不同频率的左旋和右旋圆偏振光。经1/4波片后成为两个互相垂直的线偏振光,再经分光镜分为两路。一路经偏振片1后成为含有频率为f1-f2的参考光束。
另一路经偏振分光镜后又分为两路：一路成为仅含有f1的光束,另一路成为仅含有f2的光束。当可动反射镜移动时,含有f2的光束经可动反射镜反射后成为含有f2 ±Δf的光束，Δf是可动反射镜移动时因多普勒效应产生的附加频率,正负号表示移动方向(多普勒效应是奥地利人C.J.多普勒提出的，即波的频率在波源或接受器运动时会产生变化)。这路光束和由固定反射镜反射回来仅含有f1的光的光束经偏振片2后会合成为f1-(f2±Δf）的测量光束。测量光束和上述参考光束经各自的光电转换元件、放大器、整形器后进入减法器相减,输出成为仅含有±Δf的电脉冲信号。经可逆计数器计数后，由电子计算机进行当量换算（乘 1/2激光波长）后即可得出可动反射镜的位移量。双频激光干涉仪是应用频率变化来测量位移的，这种位移信息载于f1和f2的频差上，对由光强变化引起的直流电平变化不敏感，所以抗干扰能力强。它常用于检定测长机、三坐标测量机、光刻机和加工中心等的坐标精度，也可用作测长机、高精度三坐标测量机等的测量系统。利用相应附件，还可进行高精度直线度测量、平面度测量和小角度测量。
2激光干涉仪测量机床的直线度
2.1实验器材以及平台的搭建
器材：激光干涉仪、三脚架、XC补偿单元、试验平台（磁流变机床）、直线度反射镜、直线度光学镜组、笔记本电脑、安装组件、传感器
平台搭建步骤：
1 清理好试验平台（磁流变机床）
2按要求将干涉仪、电脑、传感器、补偿单元的线路连接。 3 将直线度光学镜组、直线度反射镜大概固定在平台上。
（本实验中，光学镜组固定在运动轴上，反射镜则放置在光路的末端） 2.2激光干涉仪的调试 1波长补偿
周围环境参数温度、相对湿度、气压将会影响激光光束的波长，如果不对波长的变化进行补偿，实验将会产生一定的测量误差。在本实验中，我们选取了XC补偿单元，温度和相对湿度传感器对激光光束波
长进行补偿，基本上消除了由于周围环境变化引起的测量误差。
2光路的调试 激光调光基本步骤
1，确定测量轴方向，并选择好干涉镜组合方式，干涉镜，反射镜安装地点（确保测量顺利完成，镜组安全）。
2，确定测量行程，并根据行程编辑好测量程序。并测试程序能安全运行。（此处查考激光测量软件生成的测量程序。）
3，放置三脚架，激光头，补偿单元，材料传感器，空气传感器等测量设备。注意：三脚架在放置激光头后，尽量调平。
4，让机床运行到两镜组靠近的极限位置，根据选择的安装位置，放置磁力表座，安装干涉镜和反射镜，确保由激光头发射出的激光通过干涉镜（固定反射镜）以及反射镜（运动），返回到激光头接受孔并重合。
5，控制机床到两镜组远离的极限，观察激光束的位置，是否偏离移动反射镜位置，如果偏离，可通过调整三脚架让其回到反射镜，两束反射光在激光头接受孔重合。（上下偏离可通过先俯仰后垂直移动三脚架调整，左右偏离可通过先扭摆后水平移动三脚架调整） 6，再控制机床到两镜组靠近的极限，调整干涉镜和反射镜位置，保证两束反射光在激光头接受孔重合。
7，反复在近端和远端调整，达到两端光强满足测量要求既完成调光工作。
注意：有时在调整俯仰、扭摆或水平、垂直移动的过程中会发生到极限无法调整的情况，可适当运动三脚架支架来辅助完成调光。
2.3直线度的测量
1打开LaserXL测量软件中相对应的“直线度测量”
2打开软件，首先通过时间取平均状态。
取平均转换开关，转换到“处于短
3接着通过按钮开始测试设置：共计9个点，间距100mm，
从0~800mm。
4进入采集数据界面，按照设定距离进行数据采集。
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