基于光栅调节车床卡盘同轴度的研究
2020-5-14 来源： 中天科技精密材料有限公司 作者：钱本华；徐希凯；周慧；蒋新力
摘要：在光纤预制棒制造领域，预制棒的几何参数（不圆度、偏壁度、弓曲度）有着相当严格的要求。设备的精度直接影响到预制棒产品质量，而在设备精度中，同轴度参数又是其中最重要的参数之一。本文主要研究是根据非接触式的激光光栅检测方法，快速、准确地检测出设备的同轴度误差值，并且提供了一种车床上两个卡盘间的同轴度调节方法。该方法克服了传统通过读千分表示数来确定偏差值的速度慢、精度差、操作繁琐的缺点；利用光栅技术优化了调节方法，极大提升车床精度，提高了车床精度的调节效率、降低操作难度；进一步提升光纤预制棒的几何精度。
关键词：同轴度调节；光栅；预制棒加工车床
在预制棒制造领域，车床是最基本、最主要的生产设备之一。车床的精度直接决定了预制棒的产品质量，其中，两端卡盘的同轴度参数在车床精度中更是重中之重。
传统的调节车床同轴度精度的方法是，使用两根高精度的校准棒分别夹持在两端卡盘上，用千分表分别检测两根校准棒的精度，根据千分表的测量的示数进行车床精度的调节；具体方法主要包括 3 个步骤：①调节床身的水平度，②调节两卡盘的跳动，③调节两根校准棒的同心度；完成以上三个步骤即可算是完成了同轴度的调节工作。但由于采用接触式的千分表检测精度，不可避免地产生测量误差，导致车床调节精度较低，影响后期加工的产品质量；同时，千分表检测需要一定的空间及固定位置，很多情况下无法满足该条件，这也造成了传统调节方法的局限性。
本文的研究是针对上述传统检测方法的不足，而提供一种基于光栅调节车床卡盘同轴度的装置，以及调节的方法。
光栅传感器两端分别由投光器和接收器组成，投光器发出的光直射到接收器上，形成一个光幕平面，任何放置在光幕之间的物体将会阻挡一部分光线，使其不能射到相应的接收器上，通过检测这些未被接收的光线距离来测量物体外径。
同轴度检测装置如图 1 所示，主要由左侧三维调节支架、右侧三维调节支架、光栅传感器装置以及母线结构组成，如图 2 所示，传感器支架成圆筒空心结构，上部开4mm 线槽，用于穿过母线；两端焊接平板，焊好后加工两平面，保证两个面的平行度公差在 0.01mm 以内。
图 1 同轴度检测装置
左侧、右侧三维调节装置分别由 Z 轴向调节滑台、滑台支架、XY 轴向调节滑台组成，可实现；X、Y、Z 三方向高精度微调以及相应方向的锁死功能；
为了方便叙述，定义车床床身平行于地面的为水平面，即 XY 平面；定义垂直于水平面的为垂直面，即XZ 面。
图 2 传感器支架
具体实施方法如下：
①调节车床床身水平度：使用水平仪测量床身位置Ⅰ、位置Ⅱ、位置Ⅲ的 X方向及 Y 方向水平度，通过调节车床的调整垫块，使车床水平度偏差≤0.1mm/m；
②确定母线位置：从左向右移动右卡盘，通过调节光栅传感器示数，分别调节 Z 轴向调节滑台、XY 轴向调节滑台，使母线在 Z 方向及 Y 方向的最大值与最小值偏差＜0.15mm/m；若达不到该标准，则需对导轨水平度进行调节；
③调节左卡盘中心：光栅传感器 1 读数如图 3（a）所示，光栅传感器 2 读数如图 3（b）所示，分别在 A-1、B-1 测试点时将光栅传感器清零，以该点位作为零点位置，然后旋转卡盘，分别在 12 点、3 点、6 点、9 点钟方向读取四个值，并做记录；两个光栅传感器共 8 个值，经过对卡盘座调整螺栓调节后满足以下要求，方可视为左卡盘中心调节完成：
④调节导轨水平度：将右卡盘移动到位置Ⅰ后，在（C-Ⅰ-1）、（D-Ⅰ-1） 测试点将传感器清零，然后旋转卡盘，分别在 12 点、3 点、6 点、9 点钟方向读取光栅传感器3、4 的示数，如图 3（c）、（d）所示，将该组 8 个值与左卡盘的 8 个值相比较，需满足以下要求，否则对导轨进行 Y 方向、Z 方向继续调节：
图 3 传感器示数
表 1
表 2
图 4 测量位置
接着，将右卡盘移动到位置Ⅱ、位置Ⅲ，读取的相应示数，分别如图 3（e）、（f）、（g）、（h）所示；再将该值与之前的示数进行对比，需满足表 1 所示要求，否则对导轨继续调节。
⑤调节右卡盘中心位置：如图 4 所示，将右卡盘分别移动至位置Ⅰ、位置Ⅱ、位置Ⅲ，读取相应位置的光栅传感器示数，使其满足表 2 所示要求，否则继续对右卡盘的调整螺栓进行调节。
MCVD 车床是一种制作光纤预制棒的设备，由于产品的生产工艺对车床自身的两卡盘间同轴度精度要求很高；运用该装置及方法对车床进行精度调节，满足要求后使用该设备连续生产 2 个月多模芯棒（共 30 根棒），芯棒匹配套管在拉丝塔上制成光纤。对光纤产品进行测试，并统计、分析测试结果，多模光纤的芯/包层同心度误差标准要求在 1μm 以内，从数据中可以看出，所有芯棒参数均在该范围以内。
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