激光干涉儀和數(shù)控機(jī)床幾何誤差的方法探究

楊亞

摘 要：隨著生產(chǎn)質(zhì)量的提升，對(duì)于數(shù)控機(jī)床的誤差容忍度越來越小，控制精度要求越來越高。激光干涉儀作為一種檢測(cè)和辨識(shí)幾何誤差的先進(jìn)儀器，對(duì)于檢測(cè)數(shù)控機(jī)床故障，查明數(shù)控機(jī)床故障原因，提升機(jī)床工作效率，具有重要意義。

關(guān)鍵詞： 激光干涉儀；數(shù)控機(jī)床；幾何誤差

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.23.086

1 前言

數(shù)控機(jī)床是一種集自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電機(jī)運(yùn)動(dòng)和自動(dòng)檢測(cè)等多項(xiàng)技術(shù)于一體的技術(shù)，在日常的使用和維護(hù)中，工作人員如何能夠準(zhǔn)確快速確定故障和誤差原因，并采取有效手段，糾正誤差，是影響數(shù)控機(jī)床工作效率的關(guān)鍵因素之一。激光干涉儀能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于數(shù)控機(jī)床多種參數(shù)的測(cè)量，并輔助進(jìn)行幾何誤差的矯正。

2 數(shù)控機(jī)床精度控制方法分析

現(xiàn)階段提升數(shù)控機(jī)床加工精度主要有誤差預(yù)防法和誤差補(bǔ)償法兩種方案，這其中誤差預(yù)防法的原理是通過設(shè)計(jì)和制造途徑消除或減少可能的誤差源。誤差預(yù)防法的經(jīng)濟(jì)成本高昂，同時(shí)在使用中也存在很大的局限性，通過預(yù)防的手段實(shí)現(xiàn)誤差的消除幾乎是不可能的。與此相反的，誤差補(bǔ)償法通過分析誤差可能發(fā)生的原因和發(fā)生部位，并提出針對(duì)性的反向誤差進(jìn)行消除，該項(xiàng)技術(shù)需要借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)?？梢钥闯觯`差補(bǔ)償法對(duì)于設(shè)備的要求較低，同時(shí)調(diào)整簡(jiǎn)便，成本可控，已成為相關(guān)研究人員最為青睞的技術(shù)。在誤差補(bǔ)償?shù)倪^程中，需要經(jīng)過誤差檢測(cè)、誤差建模和誤差補(bǔ)償三個(gè)主要階段。誤差補(bǔ)償法中如何準(zhǔn)確識(shí)別誤差是最基本的一步，在眾多識(shí)別方法中，激光干涉儀是效果最好的一種。

3 激光干涉儀測(cè)量原理分析

激光干涉檢測(cè)幾何誤差主要是利用多普勒效應(yīng)和干涉原理，具體來看，當(dāng)兩束振幅相同、頻率不同的左右圓偏振光由同一個(gè)激光發(fā)射器發(fā)射，在一定距離之后轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪狈较蛘饎?dòng)的線偏振光。在經(jīng)過第一分光器之后，幾部分光將被發(fā)射，這部分反射光在檢偏器的檢測(cè)下變?yōu)閮墒l率不同的信號(hào)，接收器將這兩束光接收，作為參考信號(hào)。另一部分通過分光器的偏振光進(jìn)入偏振分光器，這其中平行方向的光完全透過，到達(dá)反射鏡，經(jīng)過兩個(gè)反射鏡的偏振光在分光面匯合，之后經(jīng)過轉(zhuǎn)向棱鏡和偏振期，并最終被接受為測(cè)量信號(hào)。測(cè)量信號(hào)和參考信號(hào)經(jīng)過一定的數(shù)學(xué)處理就能得到測(cè)量距離。

激光干涉儀具體測(cè)量過程分為：（1）安裝雙頻激光干涉儀測(cè)量系統(tǒng)各組件，測(cè)量系統(tǒng)；（2）在需測(cè)量的機(jī)床坐標(biāo)軸線方向安裝光學(xué)測(cè)量裝置；（3）調(diào)整激光頭，使測(cè)量軸線與機(jī)床位移軸線重合或平行，即將光路預(yù)調(diào)準(zhǔn)直；（4）待激光預(yù)熱后輸入測(cè)量參數(shù)；（5）按規(guī)定的測(cè)量程序運(yùn)動(dòng)機(jī)床進(jìn)行測(cè)量。

4 激光干涉儀幾何誤差分析

4.1 數(shù)控機(jī)床幾何誤差分析

對(duì)三軸空間坐標(biāo)系統(tǒng)來說，若物體沿某一坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)有6個(gè)自由度，那么就有6個(gè)幾何誤差分量，即沿3個(gè)坐標(biāo)軸的直線度誤差和3個(gè)坐標(biāo)軸相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)誤差。從這一角度來看，三周運(yùn)動(dòng)的機(jī)床存在18個(gè)誤差分量，如果將三軸之間可能存在的垂直度誤差考慮在內(nèi)，將會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)21項(xiàng)誤差分量。具體來看，沿著X方向看，存在線性位移誤差、兩項(xiàng)直線度誤差、偏擺誤差、滾轉(zhuǎn)誤差和俯仰誤差；沿著Y方向看，存在線性位移誤差、兩項(xiàng)直線度誤差、偏擺誤差、滾轉(zhuǎn)誤差和俯仰誤差；沿著Z方向看，存在線性位移誤差、兩項(xiàng)直線度誤差、偏擺誤差、滾轉(zhuǎn)誤差和俯仰誤差。每個(gè)坐標(biāo)軸方向都有6個(gè)誤差分量。

4.2 數(shù)控機(jī)床幾何誤差辨識(shí)

激光干涉儀幾何誤差辨識(shí)有15線法、22線法、9線法和14線法，其中9線法的測(cè)量效率較高，側(cè)兩光路調(diào)整便捷，誤差便于控制，建模較為交單，已經(jīng)成為使用最多，精度最高的誤差辨識(shí)方法。在數(shù)控機(jī)床幾何誤差的辨識(shí)中沒應(yīng)用9線法還能夠降低不確定假設(shè)條件和光路調(diào)整難度，減少不必要的工作量。

通過9線法，在坐標(biāo)軸之間的角度大于90°情況下，使用正值表示垂直誤差，小于90°條件下使用負(fù)值。在實(shí)際使用中，直接測(cè)量X軸在Y方向上的直線度誤差和Y軸沿著X軸方向的直線度誤差，就能夠求得垂直度誤差。同理，能夠求得各個(gè)方向上的垂直度誤差。

4.3 基于干涉儀的數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償

現(xiàn)階段數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償經(jīng)常使用硬件補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償兩種方式，考慮到硬件補(bǔ)償自身的不確定性，本次研究使用軟件補(bǔ)償?shù)姆绞?。刀具路線是工作條件下指定的刀具中心位置線的變化軌跡，與機(jī)床的運(yùn)動(dòng)無關(guān)。刀具軌跡是工況條件下數(shù)控機(jī)床刀具中心線實(shí)際運(yùn)動(dòng)的軌跡，刀具軌跡和道路路線一般情況下會(huì)出現(xiàn)微小的差別，理想狀態(tài)下兩者是重合的。由此看來，軟件補(bǔ)償?shù)膶?shí)質(zhì)是充分考慮理想條件和實(shí)際工況條件下，兩者的運(yùn)動(dòng)誤差，并用優(yōu)化后的模型進(jìn)行修正，最終達(dá)到精確控制數(shù)控機(jī)床刀具運(yùn)動(dòng)的目的。

5 結(jié)語

總體來看，利用激光干涉儀對(duì)數(shù)控機(jī)床的幾何誤差進(jìn)行檢測(cè)和辨識(shí)，并輔助進(jìn)行矯正，是一項(xiàng)設(shè)備要求較低、操作簡(jiǎn)單、成本低廉、效率較高的手段。理論分析和實(shí)踐操作都證明，該種方法能夠有效降低儀器設(shè)備測(cè)量和維護(hù)的難度和時(shí)間，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

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