激光干涉儀在提高數(shù)控機床位置精度中的應(yīng)用

摘要：以激光干涉儀的結(jié)構(gòu)和工作原理為基礎(chǔ)，結(jié)合激光干涉儀測量誤差的原理，建立誤差測量的模型，通過激光干涉儀自帶的誤差補償系統(tǒng)對數(shù)控機床的誤差進行誤差補償，這種方法可以使數(shù)控機床的定位精度大幅度提高。文章對激光干涉儀在提高數(shù)控機床位置精度中的應(yīng)用進行了探討。

關(guān)鍵詞：Renishaw激光干涉儀；數(shù)控機床；定位精度；誤差補償；測量誤差 文獻標識碼：A

中圖分類號：TH744 文章編號：1009-2374（2015）22-0048-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.22.024

數(shù)控機床是精度高和效率高的自動控制的一類機床，其加工過程中的邏輯控制、刀具運動軌跡以及主軸轉(zhuǎn)速及其輔助功能，都是通過數(shù)字化信息自動控制的，操作人員在加工生產(chǎn)過程中無法干預(yù)，不能像在傳統(tǒng)加工方式中的零件加工那樣，對機床本身的結(jié)構(gòu)特點中的薄弱環(huán)節(jié)進行人工操作，所以數(shù)控機床幾乎在任何方面均要求比傳統(tǒng)加工方式中的機床設(shè)計得更為完善、制造得更為精密。隨著航天、航空以及國防工業(yè)的發(fā)展，對數(shù)控機床的加工精度要求越來越高，其中位置精度是高精度的一個重要表現(xiàn)，因此通過激光干涉儀這樣的檢測手段，對數(shù)控機床的定位誤差進行分析并加以誤差補償，對提高數(shù)控機床的加工精度具有十分重要的意義。

1 激光干涉儀對數(shù)控機床定位精度測量的基本原理

線性位置精度的測量是通過一個光學(xué)元件相對于另一個光學(xué)元件間的相對運動，激光干涉儀對數(shù)控機床線性位置精度的測量是通過激光頭的干涉條紋計數(shù)電路來確定兩個光學(xué)元件間的距離變化，并與被測機器的光柵尺讀數(shù)相比較來確定精度誤差。

激光干涉儀對數(shù)控機床線性測量的原理是：如圖1所示，線性干涉鏡放置在激光頭和線性反射鏡之間的光路上，兩束相干光束在線性干涉鏡處分開，一束光束要經(jīng)過反射鏡反射回到激光頭，而另一束光束從附加在線性干涉鏡上的反射鏡反射回到激光頭。兩束光束的干涉情況由激光頭內(nèi)的檢波器監(jiān)控。在線性測量中，一個光學(xué)元件沿著坐標軸移動而另一個光學(xué)元件固定不動。最終參考光束和測量光束之間的光程差的變化來實現(xiàn)位置測量。換言之，位置測量是兩個光學(xué)元件的差動測量，與激光頭的位置無關(guān)。在數(shù)控機床的位置精度檢測中，機床被檢測軸線的固定部件上放置線性干涉鏡，移動運動部件上放置反射鏡，然后使運動部件沿著數(shù)控機床軸線上正反方向往復(fù)運動到預(yù)先選擇設(shè)置好的目標點。數(shù)控機床的精度誤差通過測量值與被測機床的坐標讀數(shù)比較。

2 數(shù)控機床線性測量的數(shù)學(xué)模型

用激光干涉儀檢測數(shù)控機床時，在每個坐標軸的行程內(nèi)均勻地選取10個測量點，測量點的選擇以線性循環(huán)、擺動或階梯循環(huán)方式。采用正負坐標軸循環(huán)5次的方法，沿軸線方向往復(fù)運動來編制數(shù)控程序。在編程時到采集點的時候要留有一定的停頓時間，以便激光干涉儀有足夠的時間去采集數(shù)據(jù)。根據(jù)GB 10931-89標準，位置精度由三項決定，分別是重復(fù)定位精度（Repeatability of Positioning of an Axis）R、雙向定位精度（Bidirectional Accuracy of Positioning）A和反向偏差（Reversal Value of卸Axis）B。

機床的位置精度采用雙向計算方法進行評定。目標位置為，下標i表示移動目標位置中的指定位置。實際位置為Pij，下標j表示移動第j次向第i個目標位置移動時實際到達的位置。目標位置偏差為Xij，Xij=Pij-Pi。

以上數(shù)學(xué)處理過程是由激光干涉儀的補償軟件來完成的，通過數(shù)控系統(tǒng)中的誤差補償參數(shù)修正每一目標位置的反向偏差B和雙向平均位置偏差。

3 數(shù)控機床的測量流程

3.1 數(shù)控機床的測量流程圖

數(shù)控機床誤差補償方法主要有軟件補償和硬件補償。由于硬件補償要對機床進行改造等，使得困難重重，更多的誤差補償是采用軟件補償?shù)姆绞?。軟件補償是對數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)進行修正，通過修正后的數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)值驅(qū)動數(shù)控機床，使機床運動精度提高，實現(xiàn)誤差補償。在實際加工中，刀具的實際走刀路徑與理論軌跡之間存在著偏差，通過數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)的修改使刀具路線、數(shù)控指令及刀具軌跡三者之間的偏差消除。在理想情況下，根據(jù)編制的數(shù)控程序可以驅(qū)動刀具精確運動，不存在誤差；而實際情況是理論值與實際存在加工誤差。因此，軟件誤差補償是在考慮實際加工中誤差存在的情況下，得出用模型修正后的數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)來控制刀具精確運動。數(shù)控機床的誤差測量及補償流程圖如圖2所示。

3.2 數(shù)控機床系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

使系統(tǒng)設(shè)置為具有更改NC參數(shù)的權(quán)限，把X軸的反向間隙設(shè)為零。一般數(shù)控機床采用全閉環(huán)控制系統(tǒng)或半閉環(huán)控制系統(tǒng)。對于采用全閉環(huán)的數(shù)控機床，反向間隙可以忽略不計，參數(shù)為零；對于采用半閉的數(shù)控機床，可通過修改參數(shù)的數(shù)值來補償反向間隙誤差。若絲杠的反向間隙過大，為了有效提高補償?shù)木群脱a償效果可先在數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)中修正反向間隙補償值，再進行每個點的誤差補償。為避免測量時機床原始補償值仍生效，把寄存器中所有X軸補償值都設(shè)為零。

3.3 編制誤差測量程序

線性循環(huán)方式是誤差測量中采用最多的方法。編制機床數(shù)控程序使運動部件沿著坐標軸勻速運動到各個目標位置，設(shè)定測量循環(huán)次數(shù)為5次。在編制機床數(shù)控程序過程中，防止移動光學(xué)部件振動引起測量光信號不穩(wěn)應(yīng)注意運動部件的進給速度不宜過快；在編程時到采集點的時候要留有一定的停頓時間，便于激光干涉儀的數(shù)據(jù)采集；數(shù)控程序編寫的時候要求要有一定的越程量使得激光干涉儀能夠采集到每個目標位置的數(shù)據(jù)。在用激光干涉儀測量采集數(shù)據(jù)前應(yīng)先按已編完的數(shù)控程序進行試運行，防止碰壞測量光學(xué)鏡組。

3.4 數(shù)據(jù)分析及采集

輸入編好的程序到數(shù)控機床，運行測量軟件并根據(jù)實際情況設(shè)置測量軟件的初始參數(shù)，機床返回參考點后運行程序，當(dāng)程序運行到X0程序段時在測量軟件中按“設(shè)定基準清零”并點擊“開始測量”，繼續(xù)運行測量程序激光干涉儀開始采集數(shù)據(jù)。利用激光干涉儀自帶的數(shù)據(jù)分析軟件，得到反向間隙為28um，數(shù)據(jù)采集分析表如表1所示：

3.5 誤差補償

根據(jù)測量數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析，確定誤差補償方案。

3.5.1 手動補償：根據(jù)測量結(jié)果，操作者對數(shù)據(jù)進行分析、確定補償值，并人工輸入補償值到系統(tǒng)中。對于一些數(shù)控系統(tǒng)不兼容激光干涉儀的自動補償軟件，人工操作能解決這樣的問題。另外，有些設(shè)備的系統(tǒng)修改參數(shù)時會引起NCK內(nèi)存重新分配，容易引起數(shù)據(jù)丟失，人工操作就有了實際意義。

3.5.2 自動補償：激光干涉儀自帶補償軟件，可對于常用的數(shù)控系統(tǒng)進行自動補償。激光干涉儀根據(jù)測量數(shù)據(jù)自動進行數(shù)據(jù)分析，生成誤差補償值，把誤差補償值通過接口傳輸?shù)綌?shù)控系統(tǒng)，系統(tǒng)自動完成定位誤差的補償。這種補償方式方便且節(jié)省量具，對技術(shù)人員的專業(yè)水平要求較低。

3.5.3 誤差補償包括反向間隙補償和絲杠螺距誤差補償，首先將系統(tǒng)參數(shù)里的各軸反向間隙補償量設(shè)為28，然后根據(jù)螺補表的補償值進行輸入。

3.6 誤差結(jié)果分析

經(jīng)過補償后所得誤差曲線見圖3，該機床X軸所測各項誤差指標為：

定位誤差A(yù)：10.587um（雙向定位）

重復(fù)精度R：8.408um（雙向定位）

反向偏差B：4.220um（雙向定位）

各誤差指標與誤差補償與之前相比都有很大提高，通過反向間隙和滾珠絲杠螺距誤差補償?shù)姆椒梢源蟠蟾纳茢?shù)控機床的精度。

4 結(jié)語

利用激光干涉儀所自帶的誤差補償軟件，通過修改數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)的方法來對誤差補償，可以大大提高數(shù)控機床的加工效率及加工精度。應(yīng)用該方法進行測量并進行誤差補償可節(jié)省大量的人力物力，便于在加工現(xiàn)場使用，有較好的市場前景。

參考文獻

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作者簡介：宮博娜（1982-），女，山東萊陽人，大連市技師學(xué)院講師，研究方向：數(shù)控、機械工程。

（責(zé)任編輯：陳 倩）