激光干涉儀和數控機床幾何誤差的方法探究

楊亞

摘 要：隨著生產質量的提升，對于數控機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和辨識幾何誤差的先進儀器，對于檢測數控機床故障，查明數控機床故障原因，提升機床工作效率，具有重要意義。

關鍵詞： 激光干涉儀；數控機床；幾何誤差

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

1 前言

數控機床是一種集自動控制、計算機技術、電機運動和自動檢測等多項技術于一體的技術，在日常的使用和維護中，工作人員如何能夠準確快速確定故障和誤差原因，并采取有效手段，糾正誤差，是影響數控機床工作效率的關鍵因素之一。激光干涉儀能夠實現對于數控機床多種參數的測量，并輔助進行幾何誤差的矯正。

2 數控機床精度控制方法分析

現階段提升數控機床加工精度主要有誤差預防法和誤差補償法兩種方案，這其中誤差預防法的原理是通過設計和制造途徑消除或減少可能的誤差源。誤差預防法的經濟成本高昂，同時在使用中也存在很大的局限性，通過預防的手段實現誤差的消除幾乎是不可能的。與此相反的，誤差補償法通過分析誤差可能發生的原因和發生部位，并提出針對性的反向誤差進行消除，該項技術需要借助于計算機技術。可以看出，誤差補償法對于設備的要求較低，同時調整簡便，成本可控，已成為相關研究人員最為青睞的技術。在誤差補償的過程中，需要經過誤差檢測、誤差建模和誤差補償三個主要階段。誤差補償法中如何準確識別誤差是最基本的一步，在眾多識別方法中，激光干涉儀是效果最好的一種。

3 激光干涉儀測量原理分析

激光干涉檢測幾何誤差主要是利用多普勒效應和干涉原理，具體來看，當兩束振幅相同、頻率不同的左右圓偏振光由同一個激光發射器發射，在一定距離之后轉變為垂直方向震動的線偏振光。在經過第一分光器之后，幾部分光將被發射，這部分反射光在檢偏器的檢測下變為兩束頻率不同的信號，接收器將這兩束光接收，作為參考信號。另一部分通過分光器的偏振光進入偏振分光器，這其中平行方向的光完全透過，到達反射鏡，經過兩個反射鏡的偏振光在分光面匯合，之后經過轉向棱鏡和偏振期，并最終被接受為測量信號。測量信號和參考信號經過一定的數學處理就能得到測量距離。

激光干涉儀具體測量過程分為：（1）安裝雙頻激光干涉儀測量系統各組件，測量系統；（2）在需測量的機床坐標軸線方向安裝光學測量裝置；（3）調整激光頭，使測量軸線與機床位移軸線重合或平行，即將光路預調準直；（4）待激光預熱后輸入測量參數；（5）按規定的測量程序運動機床進行測量。

4 激光干涉儀幾何誤差分析

4.1 數控機床幾何誤差分析

對三軸空間坐標系統來說，若物體沿某一坐標軸運動，其運動有6個自由度，那么就有6個幾何誤差分量，即沿3個坐標軸的直線度誤差和3個坐標軸相對應的轉動誤差。從這一角度來看，三周運動的機床存在18個誤差分量，如果將三軸之間可能存在的垂直度誤差考慮在內，將會導致出現21項誤差分量。具體來看，沿著X方向看，存在線性位移誤差、兩項直線度誤差、偏擺誤差、滾轉誤差和俯仰誤差；沿著Y方向看，存在線性位移誤差、兩項直線度誤差、偏擺誤差、滾轉誤差和俯仰誤差；沿著Z方向看，存在線性位移誤差、兩項直線度誤差、偏擺誤差、滾轉誤差和俯仰誤差。每個坐標軸方向都有6個誤差分量。

4.2 數控機床幾何誤差辨識

激光干涉儀幾何誤差辨識有15線法、22線法、9線法和14線法，其中9線法的測量效率較高，側兩光路調整便捷，誤差便于控制，建模較為交單，已經成為使用最多，精度最高的誤差辨識方法。在數控機床幾何誤差的辨識中沒應用9線法還能夠降低不確定假設條件和光路調整難度，減少不必要的工作量。

通過9線法，在坐標軸之間的角度大于90°情況下，使用正值表示垂直誤差，小于90°條件下使用負值。在實際使用中，直接測量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，能夠求得各個方向上的垂直度誤差。

4.3 基于干涉儀的數控機床誤差補償

現階段數控機床誤差補償經常使用硬件補償和軟件補償兩種方式，考慮到硬件補償自身的不確定性，本次研究使用軟件補償的方式。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，與機床的運動無關。刀具軌跡是工況條件下數控機床刀具中心線實際運動的軌跡，刀具軌跡和道路路線一般情況下會出現微小的差別，理想狀態下兩者是重合的。由此看來，軟件補償的實質是充分考慮理想條件和實際工況條件下，兩者的運動誤差，并用優化后的模型進行修正，最終達到精確控制數控機床刀具運動的目的。

5 結語

總體來看，利用激光干涉儀對數控機床的幾何誤差進行檢測和辨識，并輔助進行矯正，是一項設備要求較低、操作簡單、成本低廉、效率較高的手段。理論分析和實踐操作都證明，該種方法能夠有效降低儀器設備測量和維護的難度和時間，具有廣闊的市場前景。

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