基于激光干涉仪的数控机床位置精度检测方法.pdf

l 匐 地 基于激光干涉仪的数控机床位置精度检测方法 Po si t i on pr eci si on m eas ur i ng m et h od of CNC m achi ne b ase d on l a ser i n t er f er om et er 李振 ，花严红 L I Z h e n ．HUA Y _a n - h o n g 九江职业技术学院，九江 3 3 2 0 0 7 摘 要 为保证数控机床的高精度，需要对机床的位置精度进行检测和补偿。主要介绍如何利用激光干涉 关键词数控机床；激光干涉仪 ；位置精度 中图分类号T H 7 M, ． 3 文献标识码 A 文章编号1 0 0 9 -0 1 3 4 2 0 1 4 1 2 上 - 0 0 2 3 -0 2 D o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． 1 s s n ． 1 0 0 9 -0 1 3 4 ． 2 0 1 4 ． 1 2 上 ． 0 7 0 引言 数 控机 床 的 位置 精 度 决定 了机 床 的加 工 精 度 ，所 以在加工过程 中非常有必要对数控机床 的 位 置精度进行检测并加 以补偿 。数控机床位置精 度的主要检测项 目可分为直线运动精度检测和 回 转 运动精度检测两大类 。直线运动精度检测项 目 包括 直 线运 动位 置 精度 、直 线运 动 重复 定 位精 度 、直线运动反向 间隙测定 、直线运动 的原点返 回精 度 等 ，常用 的 检测 工具 有 测微仪 、成组 块 规 、标准长度刻度尺和光学读数显微镜等 。回转 运动 精度检测项 目包括 回转运动重复定位精度 、 回转 轴原 点的返 回精度和 回转运动反 向间隙测定 等 ，常用的检测工具有标准转台 、角度多面体 、 高精 度圆光栅及 平行光管等 。相对于上述传统检 测工具 ，利 用激 光干 涉仪 检测数控机床位置精度 具有高精度和高 效率等优点，但是也存在一些不 可 避免 的 问题 。 1 激光 干涉仪测 量数控 机床位 置精 度的原理 图1 为激光干涉仪 的线性测量光路 ，当激光干 涉仪工作时 ，激光 器产生的激 光经分光镜分成两 束光 ，一束照射到 固定反 射镜上 形成参考光束 ， 另一束 照射 到移动 反射镜 上形成测量光束 ，两束 光再次经分光镜 汇合后会发生干 涉 。如果两束光 相位相反 ，产生 暗条纹；如果两 束光相位相同 ， 产生 明条纹 。测量 光路 长度变化 时 ，干 涉光束的 相对相位发生变化 ，移动反射镜 每移动一个波长 的距离就会出现一个明一 暗一 明的光强度循环，通过 计算这些循环即可 测量移动 ，进 而可确 定机床 的 位置精度 。检测数控机床直线运动精度时 ，将 移 动反射镜 固定在机床导轨上与导轨一起运动，固 定反射镜 固定在刀架上 。检测回转运动精度时， 角度反射镜相对角度干涉镜的旋转会使两光束 的 光程差发生变化 ，据此可换算 出被测角度值 。 图1 激光干涉仪线性 测量光路 图 2 数控机床位 置精度检测的影响 因 素及其控制方法 1 环境 因素 激光干涉仪 的测量精 度会 受温 度、压 力和相 对湿度等 因素 的影响 。相关资料数 据显示，环境 温度变化 l ℃ 、空气压 力变化0 ． 3 KP a 、相对 湿度 变化3 0 ％均会产 生大 约1 l a m的误 差。此外 ，振动 也是一个不能忽视 的环境 因素 ，对测量结果的影 响非常大 ，会扩大测量数据的分散程度 ，影响测 量 的重复性 。当振动过于强烈时 ，测量无法正常 进行 。为减小温度 、压力和相对湿度等因素的影 响 ，可采用环境监测补偿装置对温度 、压力、湿 度进行监测并 自动补偿 。同时 ，还要做到以下 几 点 一是尽量保持环境的相对稳定。二是对激光 发射器的发热温度进行控制 ，延长激光器 的使用 寿命 。三是避免车间内其他仪 器设 备产生较大 的 振动。四是尽可能使 用短的加长杆 安装附件来 固 收稿日期2 0 1 4 - 0 8 -1 3 作者 简介 李振 1 9 8 5一，男，讲 师，硕士 ，研 究方 向为精密测量 。 第3 6 卷第1 2 期2 0 1 4 - 1 2 上 1 2 3 ] 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 参l 訇 化 定光学元件 。五是直接将磁力表座吸在机床床身 或刀架等表面 。 2 数控机床表面温度 材料和零件的尺寸会随温度的变化而变化 ， 从而引起 测量误差 。数控机床工作过程 中，当表 面温度偏 离2 0 ℃这一标准温度时 ，需要利用材料 温度传感器来测量温度变化情况，同时输入正确 的机器热膨胀 系数 ，利用软件进行 补偿 。因此 ， 建议使用高精度的材料温度传感器 ，同时必须输 入正确的机器热膨胀系数 。 3 测量方法 如图2 所示，在定零点位置过程 中，固定光学 镜与移动光学镜之间存在一定的距 离L ，该距离 称为死程误差 。死程误差无法通过 自动补偿装置 进行补偿 。当固定光学镜和移动光 学镜处于 同一 位置时 ，死程误差可忽略不计 。将移动光学镜放 在坐标轴零点位置上 、利用激光干涉仪定零点、 使两个光学镜尽量接近 等方法均可有效避免潜 在 的死程误差。 零点位 置 镜 ‘L 1 L 2 l ■ i ． 死程 测量光路 图2 死程误差 如图3 所示 ，激光光束 与运动坐标轴线之间的 误差夹 角 e会引起测量距离 L s 和实际运动距 离 L m不一致 ，误差值与 1 一 C O S 0 成正比， 称之为余弦误差 。为减小余弦误 差，可对光路进 行 细调 校准 ，尽 可能减 小 0值 。 柬 图3 余弦误差 由前面的讨论可知 ，当激光光束与指定运动 坐标轴平行时 0 0 ，余弦误差可忽略不计。但 是光学元件的偏置 安装会 引起角度运动 ，从而产 【 2 4 】 第3 6 卷第1 2 期2 0 1 4 1 2 上 生阿贝测量误差。为减小 阿贝测量误差 ，应将移 动光学镜 紧固以减 少偏置 角度的变化 ，并且使测 量轴线与机器光栅尺轴线尽可能靠近以减少偏置 距离。 4 光学元件 测量过程 中还要 注意保持光学 元件表面 的光 洁，否则会导致信号强度减弱，影 响测量精度 ， 尤其是在测量较长距离的场合 。所 以，要正确使 用 、保管和清理干涉镜 、 反射镜等光学元件 ，保 证光学元件光洁度符合测量要求 。如需清理光学 元件 ，要使用高质量 的透镜拭纸和专用清洁液， 按使用说明清洁光学元件。 3 误差曲线分析 利 用激 光 干 涉仪 检 测数控 机 床 的位 置精 度 时 ，不 同数控机床的精度检测曲线是不一致的 。 为 了提高数控机床 的位置精度 ，需要对不 同的测 试结果和曲线进行全面科学的分析。 进行数控机床精度检测时常出现的误 差曲线 有负坡 度、正坡度 、周期性 曲线、偏移 、燕尾状 曲线、正反向交叉线、锯齿形、花瓣形、三角形、 台阶形等。如果数控机床本身的精度不高，很有可 能会出现上述曲线。而激光干涉仪的设置与操作不 当也会带来较大误差，引起误差曲线变化。 4 结束语 虽然激光干 涉仪具 有测量精 度高、应用范 围 广、环境适应能力较强 、测速高且能实现动 态测 量等优 点，但是在检测过程中仍 需要注意各种 因 素的干扰 ，并对误差 曲线进行分析 和处理 ，提高 检测结果的准确度。 参考文献 【 l 】王朝 阳． 激光干 涉仪补偿机 床定位精 度的测量不确 定度 分析 【 J ] ． 福建质量信息， 2 0 0 8 6 7 7 ． 【 2 】王壁， 孙程成， 钱锋， 王玮， 郑巍． 基于激光干涉仪的数控 机 床 定 位 精 度 检 测 与 误 差补 偿 方 法 【 J 】 ． 航 空 制 造 技 术， 2 0 1 0 2 1 9 0 9 3 ． 【 3 】李玉 文， 刘 戈锋 ． 激 光干涉仪 测量数 控机床位 置精 度【 J 】 ． 金属加工 冷加工 ， 2 0 1 1 1 2 6 4 6 6 ． 【 4 】王申银． 浅谈数控机床的验收【 J ] _ 设备管理与维修， 2 0 0 6 9 6 7 ． 【 5 】赵宗智． 提高激光干涉仪检测数控机床位置准确度的方 法【 J 】 ． 中国计量， 2 0 0 5 6 6 2 6 3 ． 【 6 】高育 强． 数 控机床 的高精 度线性 测量 ⋯ ． 数 控机床市 场， 2 0 0 7 ， 2 1 1 8 1 1 9 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m