機(jī)床軸線位置精度檢測(cè)技術(shù)

宋秀敏，李 雪

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京東 燕郊 065201)

數(shù)控機(jī)床的位置精度是一項(xiàng)很重要的技術(shù)指標(biāo)，它表明所測(cè)量的機(jī)床各運(yùn)動(dòng)部件在數(shù)控裝置控制下所能達(dá)到的準(zhǔn)確度。也就是說根據(jù)位置誤差的實(shí)測(cè)數(shù)值，可以判斷出機(jī)床以后自動(dòng)加工能達(dá)到最好的工件加工水平。因此對(duì)數(shù)控機(jī)床驗(yàn)收和定期校準(zhǔn)時(shí)，位置精度的檢測(cè)顯得尤為重要。

1 數(shù)控機(jī)床位置精度測(cè)試常用的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

位置精度主要評(píng)定項(xiàng)目包括：軸線的重復(fù)定位精度、軸線的定位精度和反向差值。

我國機(jī)床驗(yàn)收和定期校準(zhǔn)通常采用GB/T17421.2-2000(等同于ISO230-2：1997)國家標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定方法。

反向差值

·目標(biāo)位置的反向差值：運(yùn)動(dòng)部件從2個(gè)方向趨近某一位置時(shí)，正向平均位置偏差減負(fù)向平均位置偏差：

·軸線反向差值B：運(yùn)動(dòng)部件沿軸線或繞軸線的各目標(biāo)位置的反向差值的絕對(duì)值│Bi│中的最大值即為軸線反向差值B：

1.2 重復(fù)定位精度

·目標(biāo)位置的單向重復(fù)定位精度Ri↑或Ri↓及雙向重復(fù)定位精度Ri：

·軸線單向重復(fù)定位精度R↑或R↓以及雙向重復(fù)定位精度R，則有：

1.3 定位精度

·軸線單向定位精度A↑或A↓:

·軸線雙向定位精度A：由雙向定位系統(tǒng)偏差和雙向定位標(biāo)準(zhǔn)不確定度估算值的2倍的組合來確定的范圍。即：

2 測(cè)量定位精度所需的工具和方法

2.1 測(cè)量工具的選擇

由于激光具有高亮度、方向性強(qiáng)、單色性好和相干性高的特點(diǎn)，使雙頻激光干涉儀具有精度高、應(yīng)用范圍廣、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)速高等一系列無可比擬的優(yōu)勢(shì)，且該儀器為模塊化結(jié)構(gòu),安裝位置靈活,便于分析機(jī)床誤差來源;測(cè)量時(shí)可以在工作部件運(yùn)動(dòng)過程中自動(dòng)采集數(shù)據(jù),更接近機(jī)床的實(shí)際使用狀態(tài)。因此,用雙頻激光干涉儀檢測(cè)機(jī)床位置精度是一種用傳統(tǒng)測(cè)量手段難以實(shí)現(xiàn)的技術(shù)。

2.2 目標(biāo)位置及循環(huán)方式的選擇

用雙頻激光干涉儀測(cè)量位置精度時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)被測(cè)軸工作范圍適當(dāng)確定m個(gè)測(cè)量位置，每個(gè)目標(biāo)位置Pi應(yīng)隨即選取，以便把周期誤差也包含在內(nèi)。目標(biāo)位置按下式確定：

式中：i—現(xiàn)行目標(biāo)位置的序號(hào)；

P—目標(biāo)位置的間距，使測(cè)量行程內(nèi)的目標(biāo)位置之間有均勻的間距；

r—在各目標(biāo)位置取不同的值，以獲得全測(cè)量行程上各目標(biāo)位置的不均勻間隔，以保證周期誤差(例如滾珠絲杠導(dǎo)程遺跡直線或回轉(zhuǎn)感應(yīng)器的節(jié)距所引起的誤差)被充分地采樣。

循環(huán)方式一般按標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)循環(huán)(見圖1)在所有目標(biāo)位置上進(jìn)行測(cè)量。每個(gè)目標(biāo)位置在每個(gè)方向上應(yīng)測(cè)量5次。每個(gè)測(cè)量循環(huán)都從固定的零點(diǎn)開始。當(dāng)測(cè)量開始，第一次對(duì)激光干涉儀清零后，在測(cè)量過程中不再清零，以免測(cè)量數(shù)據(jù)作廢；并且在每個(gè)循環(huán)的起點(diǎn)和終點(diǎn)處返回以前，必須先作一定距離的“超越”，再返回原處，以保證在該循環(huán)中每個(gè)目標(biāo)位置的趨近方向一致。

2.3 測(cè)量方法

(1)安裝雙頻激光干涉儀測(cè)量系統(tǒng)各組件，并在需測(cè)量的機(jī)床坐標(biāo)軸線方向安裝光學(xué)測(cè)量裝置。將反射鏡置于機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的某個(gè)位置，讓激光束經(jīng)過反射鏡形成一束反射光，將干涉鏡置于激光器與反射鏡之間，形成另一束反射光，兩束光同時(shí)進(jìn)入激光器的回光孔產(chǎn)生干涉；

圖1 標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)循環(huán)

(2)調(diào)整激光頭，使雙頻激光干涉儀的光軸與機(jī)床移動(dòng)的軸線在一條直線上，也就是將光路調(diào)準(zhǔn)直；調(diào)整光路時(shí)先把反射鏡固定好不動(dòng)，調(diào)整激光器，當(dāng)反射鏡在機(jī)床零位和最大位移時(shí)，使激光器發(fā)出的激光束經(jīng)過反射鏡反射回的反射光都能射入激光器的回光孔內(nèi) (在電腦中顯示射入回光孔內(nèi)的光為100%時(shí)調(diào)整完畢)，然后在激光器和反射鏡之間放上干涉鏡，這時(shí)激光器和反射鏡都固定不動(dòng)，調(diào)整干涉鏡使從干涉鏡中反射回來的反射光也進(jìn)入激光器的回光孔中 (同樣在電腦中顯示射入回光孔內(nèi)的光為100%時(shí)調(diào)整完畢)，此時(shí)光路已調(diào)整好。

(3)根據(jù)定義的目標(biāo)位置編制循環(huán)移動(dòng)程序，記錄各個(gè)位置的測(cè)量值(機(jī)器自動(dòng)記錄)；

(4)選擇所選計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，計(jì)算出機(jī)床的位置精度。測(cè)量示意圖如圖2所示；用圖線表示的位置精度測(cè)量結(jié)果圖如圖3所示。

圖2 激光干涉儀測(cè)量示意圖

圖3 位置精度測(cè)量結(jié)果圖

3 用雙頻激光干涉儀測(cè)量位置精度應(yīng)考慮的誤差來源及采取的措施

(1)激光波長引起的測(cè)量誤差。這是因?yàn)樽鳛殚L度基準(zhǔn)的激光波長，受環(huán)境條件和激光器本身影響而產(chǎn)生波動(dòng)，因此用雙頻激光干涉儀測(cè)量時(shí)必須對(duì)激光波長進(jìn)行補(bǔ)償。方法是將空氣溫度傳感器盡量安放在測(cè)量區(qū)段，以保證自動(dòng)補(bǔ)償裝置最大限度的補(bǔ)償。

(2)材料溫度的影響。機(jī)床本身的溫度是影響機(jī)床測(cè)試精度的最重要的誤差來源，所以在對(duì)機(jī)床進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，一是盡量穩(wěn)定機(jī)床的工作條件，使其接近機(jī)床工作狀態(tài)；再就是必須將材料溫度傳感器安放在機(jī)床有代表性(一般放在反射鏡所在的位置上)，使自動(dòng)補(bǔ)償裝置能進(jìn)行最大限度的材料補(bǔ)償。

(3)死行程誤差。激光測(cè)量行程的死行程區(qū)是指干涉鏡至測(cè)量長度的零位之間的距離L1(如圖4)。如果干涉鏡和反射鏡間沒有運(yùn)動(dòng)，圍繞激光束行程的大氣壓條件發(fā)生變化，則遍于整個(gè)光路(L1+L2)的波長將發(fā)生變化。測(cè)量系統(tǒng)只對(duì)測(cè)程L2而不對(duì)行程L1的光速進(jìn)行補(bǔ)償，結(jié)果造成基準(zhǔn)位置(零點(diǎn))的偏移。另外機(jī)床工作臺(tái)的熱膨脹也會(huì)造成同樣的誤差。工作臺(tái)的溫升使干涉鏡相對(duì)反射鏡移動(dòng)，同樣測(cè)量系統(tǒng)的材料溫度補(bǔ)償只考慮L2，這也會(huì)引起零點(diǎn)的偏移。因此為了減小死行程誤差，必須將干涉鏡盡量靠近零點(diǎn)。

(4)余弦誤差。如果激光束和機(jī)床運(yùn)動(dòng)軸線沒有對(duì)準(zhǔn)，也就是測(cè)量軸線與機(jī)床移動(dòng)的軸線不平行；這時(shí)實(shí)際移動(dòng)距離不等于測(cè)出的距離。其偏差值與測(cè)量軸線與運(yùn)動(dòng)軸線之間夾角的余弦成比例。因此消除余弦誤差的唯一方法是測(cè)量前精確調(diào)整光路，以確保很好的對(duì)準(zhǔn)。

(5)阿貝誤差。如果在一個(gè)偏離被測(cè)位移的位置上進(jìn)行測(cè)量時(shí)，部件的任何角運(yùn)動(dòng)將產(chǎn)生一個(gè)誤差，這個(gè)誤差就是阿貝誤差。要減小阿貝誤差就必須減小阿貝偏移，也就是偏離距離。

圖4 死行程誤差

4 結(jié)束語

準(zhǔn)確測(cè)量機(jī)床位置精度非常重要。為了能準(zhǔn)確的對(duì)機(jī)床進(jìn)行評(píng)價(jià)，測(cè)量前必須考慮使?jié)撛诘恼`差源達(dá)到最小；另外為了能使機(jī)床誤差的測(cè)量代表工件的誤差，測(cè)量時(shí)一般在刀具的安裝處裝置一個(gè)光學(xué)元件，而另一個(gè)光學(xué)元件安放在工件位置上。

[1]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T17421.2-2000，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[S].

[2]國防科工委科技與質(zhì)量司組織編寫.幾何量計(jì)量(下冊(cè))[M]，原子能出版社2002.