激光干涉儀在華中8 型數(shù)控系統(tǒng)上的應用

弋 博

（中國航發(fā)西安動力控制科技有限公司，陜西西安 710077）

0 引言

華中8 型數(shù)控系統(tǒng)是武漢華中數(shù)控股份有限公司2010 年推出的新一代具有自主知識產權的總線式數(shù)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用全數(shù)字伺服控制，具有納米插補功能，可以實現(xiàn)高精度加工。現(xiàn)在數(shù)控機床對各部件精度要求越來越高，機床整體性能越來越好，其中定位精度和重復定位精度是評價數(shù)控機床關鍵性能的重要指標之一。激光干涉儀是檢測數(shù)控機床螺距誤差的重要檢測儀器，是向數(shù)控機床螺距補償提供補償數(shù)據(jù)的依據(jù)，對提高數(shù)控機床定位精度和重復定位精度有著重要的作用。華中8 型全數(shù)字高檔數(shù)控系統(tǒng)作為一項具有自主知識產權的重大技術成果，性能已接近國際高檔數(shù)控系統(tǒng)，目前華中8 型數(shù)控系統(tǒng)的市場份額不斷增加，研究其誤差補償技術就顯得十分迫切。利用激光干涉儀測量數(shù)控機床各運動軸的螺距誤差值，對不同的誤差曲線進行分析，基于華中8 型數(shù)控系統(tǒng)的螺距誤差補償功能對機床軸的定位精度和重復定位精度進行補償，從而提高數(shù)控機床的整體性能。

1 激光干涉儀測量原理

激光干涉儀是以干涉測量法為原理，利用激光作為長度基準，對數(shù)控機床的定位精度和重復定位精度進行測量的精密測量儀器。激光具有高強度、高度方向性等優(yōu)點，激光干涉儀作為一種檢測線性誤差的高精度儀器，分辨率可達納米，配合不同的光學組件，可以實現(xiàn)直線度、角度、平面度、垂直度等精度的測量。目前，使用激光干涉儀檢測數(shù)控機床的定位精度和重復定位精度已經成為一種重要的檢測手段，為數(shù)控機床螺距補償提供重要補償依據(jù)。

圖1 激光干涉儀測量原理

激光干涉儀工作原理如圖1 所示，激光頭發(fā)射光源射入線性干涉鏡，然后分成兩道光束，一道（參考光束）射向反射鏡，另一道透射光束（測量光束）通過分光鏡攝入第二個反射鏡，這兩道光束再反射回到分光鏡，重新匯聚之后返回激光頭，探測器監(jiān)控兩道光束之間的干涉，若光程差有變化，探測器會找到這些變化信號，這些信號被計算并用來測量兩個光程之間的差異變化。

2 激光干涉儀測量螺距誤差方法

在利用激光干涉儀檢測螺距誤差前，應在機床幾何精度調整后進行，減少幾何精度對機床定位精度的影響，確保該檢測軸上的誤差補償功能處于禁止狀態(tài)，或者清除該軸上的誤差補償值，檢測時該軸處于空載狀態(tài)。激光檢測螺距誤差的一般步驟為：

（1）安裝激光干涉儀。

（2）激光干涉儀對光調整，校準光束與所測量的軸。

（3）打開測量軟件，設置相關測量數(shù)據(jù)及參數(shù)。

（4）機床側編寫測量程序，啟動激光干涉儀測量，記錄測量數(shù)據(jù)。

（5）用測量軟件對測量數(shù)據(jù)進行分析，生成誤差補償文件。

2.1 激光干涉儀光束與軸的校準

激光干涉儀光束與軸移動方向的校準，目的是為了讓測量光束能準確返回激光干涉儀上，讓激光干涉儀得到準確的反饋信息，以便計算出真實的誤差值。機床激光檢測光束校準常有水平軸向測量，垂直軸向測量兩種形式。

下面以公司某改造設備的Y 軸為例，說明激光干涉在華中8 型數(shù)控系統(tǒng)上螺距誤差的測量方法，該軸為正向回參考點，正向軟限位為2 mm，負向軟限位為-452 mm。該軸采用線性軸測量方法，具體調整方法按以下步驟進行：

（1）架設三腳架，水平儀調整三腳架水平，盡可能使三腳上水平儀水泡處于中間位置。

（2）安裝好激光頭、反射鏡，粗略對準移動軸，反射鏡盡量靠近激光頭，使光束反射回標靶的白點上。

（3）移動軸使反射鏡至測量行程的最遠端，光束偏離標靶白點。

（4）調整激光頭的角度偏轉和光束的俯仰角度，調整光束到以標靶白點為中心的對稱點位置。

（5）水平移動激光頭，使光束回到中心線上，再調整三腳架使激光頭上下垂直移動，讓光束回到標靶中心白點上。

（6）移動反射鏡到靠近激光頭一側，若光束偏離標靶中心，則先水平方向平移激光頭，然后上下垂直移動激光頭，使光束依然回到標靶中心點上。

（7）重復步驟2～6，使光束在整個Y 軸行程范圍內都在標靶中心點上。

（8）在激光頭和反射鏡之間加入干射鏡，調整干涉鏡的位置以及角度，使反射回來的兩個光點重合，如果在近端不重合時，調整干涉鏡的位置，使之重合，如果在遠端不重合，調整激光頭的偏角及俯仰角使之重合。

（9）使重合光點在整個測量行程內都滿足要求，在全行程內檢測光線強度，光線強度超過50%光束校準完成，可以開始測量。

2.2 測量軟件的設置

打開Renishaw LaserXL Capture 測量軟件，首先對測量的環(huán)境溫度，以及測量物體的熱膨脹系數(shù)進行設置，再根據(jù)以下進行測量軸數(shù)據(jù)設定。

（1）測量目標設定。第一定位點：-450（測量的起點）；最終定位點：0（測量的終點）；間距值：30（測量間距）；目標數(shù)：16（測量行程上的測量點數(shù)）。

（2）自動采集數(shù)據(jù)設定。自動采集數(shù)據(jù)設定主要需要對越程量大小進行設定，本次設置為1。

（3）在激光干涉儀軟件中按下“預置零點”按鍵，在彈出的對話框中輸入測量起始坐標“-450”。

2.3 螺距誤差補償示例

（1）相關螺距誤差補償參數(shù)設定如下：

301020 螺距誤差補償類型：2（雙向補償）

301021 螺距誤差補償起點坐標：-450

301022 螺距誤差補償點數(shù)：16

301023 螺距誤差補償點間距：30

301024 螺距誤差取模補償使能：0

301026 螺距誤差補償表起始參數(shù)號：700100（補償值=指令-實際）

（2）激光干涉儀測量誤差程序如下：

%0001

G53 G90 G0 Y-450；到達測量起點

G91 G0 Y-1；越量程

G4 P2000；暫停2s

G91 Y1；Y 軸到達正向測量起點

G4 P4000；暫停4s

M98 P100 L15；調用正向子程序

Y1；越量程

G4 P2000；暫停2s

Y-1；Y 軸到達負向測量起點

G4 P4000；暫停4s

M98 P200 L15;調用負向子程序

%100;正向子程序

G91 G0 Y30

G4 P4000

M99

%200;負向子程序

G91 G0 Y-30

G4 P4000

M99

將所測量的檢測結果按下面方式輸入?yún)?shù)中：將Y 軸正向測量點處的補償值按順序輸入?yún)?shù)號700100 到參數(shù)號700115中，將Y 軸負方向測量點處的補償值按順序輸入700116 到參數(shù)號700131 中。

3 誤差分析與補償方法

3.1 螺距誤差產生原因

（1）滾珠絲杠和絲母之間的間隙誤差，絲杠在生產制造過程中螺距累計誤差，造成機床目標值與是實際值產生偏差。

（2）滾珠絲杠在裝配過程中，由于絲杠兩端軸承預緊力調整不恰當，使絲杠螺距誤差增加，造成機床目標值與實際值產生偏差。預緊力不足，絲杠軸向產生竄動，造成絲杠傳動誤差；預緊力過大，絲杠軸向被拉長，造成絲杠螺距誤差增大。

（3）在機床整體裝配過程中，由于絲杠軸線與機床導軌不平行，使軸在移動過程中導致絲杠彎曲，造成目標值與實際值產生偏差。

3.2 測量誤差分析與補償方法

采用激光干涉儀測量螺距誤差時，誤差測量曲線會有所不同，分析不同的誤差測量曲線造成的原因可以有效幫助選擇相應的螺距誤差補償方法。

當測量曲線如圖2 時，正向和負向兩條曲線基本是平行狀態(tài)，兩條曲線之間的間距即為該軸的反向間隙值。這種情況下可以修改系統(tǒng)的反向間隙補償值使正、反方向曲線接近，選擇單項螺距誤差補償方式對該軸進行補償即可達到補償效果。

當測量曲線如圖3 和圖4 時，反映出正反向時在全行程內反向間隙的大小是不一致的，甚至出現(xiàn)在某一點時反向間隙值的符號都相反。一般來說出現(xiàn)這種情況，是絲杠的裝配精度不符合要求造成的，此時需要對機械結構重新裝配，或使用數(shù)控系統(tǒng)螺距雙向補償功能進行補償，來提高該軸的定位精度。

數(shù)控系統(tǒng)的誤差補償是有一定限度的，如果誤差過大，需要檢查機床的機械精度和裝配精度。通過激光干涉儀測量機床螺距誤差，通過數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)螺距誤差補償，從而實現(xiàn)機床指令值與實際值接近，提高機床的定位精度和重復定位精度。

圖2 螺距誤差測量曲線1

圖3 螺距誤差測量曲線2

圖4 螺距誤差測量曲線3