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(cè)量誤差的原理，建立誤差測(cè)量的模型，通過激光干涉儀自帶的誤差補(bǔ)償系統(tǒng)對(duì)數(shù)控機(jī)床的誤差進(jìn)行誤差補(bǔ)償，這種方法可以使數(shù)控機(jī)床的定位精度大幅度提高。文章對(duì)激光干涉儀在提高數(shù)控機(jī)床位置精度中的應(yīng)用進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：Renishaw激光干涉儀；數(shù)控機(jī)床；定位精度；誤差補(bǔ)償；測(cè)量誤差 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

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

數(shù)控機(jī)床是精度高和效率高的自動(dòng)控制的一類機(jī)床，其加工過程中的邏輯控制、刀具運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(duì)機(jī)床本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)中的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行人工操作，所以數(shù)控機(jī)床幾乎在任何方面均要求比傳統(tǒng)加工方式中的機(jī)床設(shè)計(jì)得更為完善、制造得更為精密。隨著航天、航空以及國(guó)防工業(yè)的發(fā)展，對(duì)數(shù)控機(jī)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(gè)重要表現(xiàn)，因此通過激光干涉儀這樣的檢測(cè)手段，對(duì)數(shù)控機(jī)床的定位誤差進(jìn)行分析并加以誤差補(bǔ)償，對(duì)提高數(shù)控機(jī)床的加工精度具有十分重要的意義。

1 激光干涉儀對(duì)數(shù)控機(jī)床定位精度測(cè)量的基本原理

線性位置精度的測(cè)量是通過一個(gè)光學(xué)元件相對(duì)于另一個(gè)光學(xué)元件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，激光干涉儀對(duì)數(shù)控機(jī)床線性位置精度的測(cè)量是通過激光頭的干涉條紋計(jì)數(shù)電路來確定兩個(gè)光學(xué)元件間的距離變化，并與被測(cè)機(jī)器的光柵尺讀數(shù)相比較來確定精度誤差。

激光干涉儀對(duì)數(shù)控機(jī)床線性測(cè)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(cè)量中，一個(gè)光學(xué)元件沿著坐標(biāo)軸移動(dòng)而另一個(gè)光學(xué)元件固定不動(dòng)。最終參考光束和測(cè)量光束之間的光程差的變化來實(shí)現(xiàn)位置測(cè)量。換言之，位置測(cè)量是兩個(gè)光學(xué)元件的差動(dòng)測(cè)量，與激光頭的位置無關(guān)。在數(shù)控機(jī)床的位置精度檢測(cè)中，機(jī)床被檢測(cè)軸線的固定部件上放置線性干涉鏡，移動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件上放置反射鏡，然后使運(yùn)動(dòng)部件沿著數(shù)控機(jī)床軸線上正反方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)到預(yù)先選擇設(shè)置好的目標(biāo)點(diǎn)。數(shù)控機(jī)床的精度誤差通過測(cè)量值與被測(cè)機(jī)床的坐標(biāo)讀數(shù)比較。

2 數(shù)控機(jī)床線性測(cè)量的數(shù)學(xué)模型

用激光干涉儀檢測(cè)數(shù)控機(jī)床時(shí)，在每個(gè)坐標(biāo)軸的行程內(nèi)均勻地選取10個(gè)測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量點(diǎn)的選擇以線性循環(huán)、擺動(dòng)或階梯循環(huán)方式。采用正負(fù)坐標(biāo)軸循環(huán)5次的方法，沿軸線方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)來編制數(shù)控程序。在編程時(shí)到采集點(diǎn)的時(shí)候要留有一定的停頓時(shí)間，以便激光干涉儀有足夠的時(shí)間去采集數(shù)據(jù)。根據(jù)GB 10931-89標(biāo)準(zhǔn)，位置精度由三項(xiàng)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(jī)床的位置精度采用雙向計(jì)算方法進(jìn)行評(píng)定。目標(biāo)位置為，下標(biāo)i表示移動(dòng)目標(biāo)位置中的指定位置。實(shí)際位置為Pij，下標(biāo)j表示移動(dòng)第j次向第i個(gè)目標(biāo)位置移動(dòng)時(shí)實(shí)際到達(dá)的位置。目標(biāo)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(bǔ)償軟件來完成的，通過數(shù)控系統(tǒng)中的誤差補(bǔ)償參數(shù)修正每一目標(biāo)位置的反向偏差B和雙向平均位置偏差。

3 數(shù)控機(jī)床的測(cè)量流程

3.1 數(shù)控機(jī)床的測(cè)量流程圖

數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償方法主要有軟件補(bǔ)償和硬件補(bǔ)償。由于硬件補(bǔ)償要對(duì)機(jī)床進(jìn)行改造等，使得困難重重，更多的誤差補(bǔ)償是采用軟件補(bǔ)償?shù)姆绞?。軟件補(bǔ)償是對(duì)數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行修正，通過修正后的數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)值驅(qū)動(dòng)數(shù)控機(jī)床，使機(jī)床運(yùn)動(dòng)精度提高，實(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償。在實(shí)際加工中，刀具的實(shí)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(dòng)刀具精確運(yùn)動(dòng)，不存在誤差；而實(shí)際情況是理論值與實(shí)際存在加工誤差。因此，軟件誤差補(bǔ)償是在考慮實(shí)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(yùn)動(dòng)。數(shù)控機(jī)床的誤差測(cè)量及補(bǔ)償流程圖如圖2所示。

3.2 數(shù)控機(jī)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(jī)床采用全閉環(huán)控制系統(tǒng)或半閉環(huán)控制系統(tǒng)。對(duì)于采用全閉環(huán)的數(shù)控機(jī)床，反向間隙可以忽略不計(jì)，參數(shù)為零；對(duì)于采用半閉的數(shù)控機(jī)床，可通過修改參數(shù)的數(shù)值來補(bǔ)償反向間隙誤差。若絲杠的反向間隙過大，為了有效提高補(bǔ)償?shù)木群脱a(bǔ)償效果可先在數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)中修正反向間隙補(bǔ)償值，再進(jìn)行每個(gè)點(diǎn)的誤差補(bǔ)償。為避免測(cè)量時(shí)機(jī)床原始補(bǔ)償值仍生效，把寄存器中所有X軸補(bǔ)償值都設(shè)為零。

3.3 編制誤差測(cè)量程序

線性循環(huán)方式是誤差測(cè)量中采用最多的方法。編制機(jī)床數(shù)控程序使運(yùn)動(dòng)部件沿著坐標(biāo)軸勻速運(yùn)動(dòng)到各個(gè)目標(biāo)位置，設(shè)定測(cè)量循環(huán)次數(shù)為5次。在編制機(jī)床數(shù)控程序過程中，防止移動(dòng)光學(xué)部件振動(dòng)引起測(cè)量光信號(hào)不穩(wěn)應(yīng)注意運(yùn)動(dòng)部件的進(jìn)給速度不宜過快；在編程時(shí)到采集點(diǎn)的時(shí)候要留有一定的停頓時(shí)間，便于激光干涉儀的數(shù)據(jù)采集；數(shù)控程序編寫的時(shí)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(gè)目標(biāo)位置的數(shù)據(jù)。在用激光干涉儀測(cè)量采集數(shù)據(jù)前應(yīng)先按已編完的數(shù)控程序進(jìn)行試運(yùn)行，防止碰壞測(cè)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(jī)床，運(yùn)行測(cè)量軟件并根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置測(cè)量軟件的初始參數(shù)，機(jī)床返回參考點(diǎn)后運(yùn)行程序，當(dāng)程序運(yùn)行到X0程序段時(shí)在測(cè)量軟件中按“設(shè)定基準(zhǔn)清零”并點(diǎn)擊“開始測(cè)量”，繼續(xù)運(yùn)行測(cè)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(bǔ)償

根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，確定誤差補(bǔ)償方案。

3.5.1 手動(dòng)補(bǔ)償：根據(jù)測(cè)量結(jié)果，操作者對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、確定補(bǔ)償值，并人工輸入補(bǔ)償值到系統(tǒng)中。對(duì)于一些數(shù)控系統(tǒng)不兼容激光干涉儀的自動(dòng)補(bǔ)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(shí)會(huì)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(shí)際意義。

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

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

3.6 誤差結(jié)果分析

經(jīng)過補(bǔ)償后所得誤差曲線見圖3，該機(jī)床X軸所測(cè)各項(xiàng)誤差指標(biāo)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(biāo)與誤差補(bǔ)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(bǔ)償?shù)姆椒梢源蟠蟾纳茢?shù)控機(jī)床的精度。

4 結(jié)語

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

參考文獻(xiàn)

[1] 周漢輝.如何提高數(shù)控機(jī)床定位精度——激光干涉儀常見測(cè)試曲線[J].新技術(shù)新工藝，2006，（12）.

[2] 王先逵.機(jī)械制造工藝學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[3] 全國(guó)金屬切削機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).機(jī)床檢驗(yàn)通則第2部分：數(shù)控軸線的定位精度和重復(fù)定位精度的確定（GB/T 17421.2-2000）[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2000.

[4] 陳芳.數(shù)控機(jī)床螺距誤差測(cè)量與補(bǔ)償[J].機(jī)床與液壓，2009，（9）.

作者簡(jiǎn)介：宮博娜（1982-），女，山東萊陽(yáng)人，大連市技師學(xué)院講師，研究方向：數(shù)控、機(jī)械工程。

（責(zé)任編輯：陳 倩）