激光干涉儀在數控機床位置精度檢測補償中的應用

王志偉

（揚州市職業大學，江蘇揚州 225009）

0 引言

數控機床的位置精度是機床性能的一項重要指標，通過對傳動反向間隙、絲杠螺距誤差及其他誤差的有效補償，提高機床的加工精度。其檢測儀器主要有步距規、線紋尺和激光干涉儀。激光干涉儀由于檢測精度高、速度快、無接觸等特點，常用于數控機床位置精度的精密測量[1-2]。為了保證數控機床位置精度檢測補償的正確性，本文利用MCV500激光干涉儀在某一數控機床位置精度檢測和補償過程中的應用，介紹其使用技術要點。

1 MCV500激光干涉儀簡介

MCV-500激光干涉儀（如圖1）是由美國光動公司生產的一款精密直線位移測量儀器，主要應用于數控機床、測長機和三坐標測量機等設備的定位精度檢測與補償。該激光干涉儀是在王正平博士的LDDM（Laser Doppler Displacement Me?ter）專利技術上研制而成[3-4]，具有響應速度快、測量精度高等特點，同時可以自動采集數據，動態進行溫度、濕度和壓力的補償。

圖1 MCV-500激光多普勒干涉儀

MCV-500擁有完整的激光測量系統，采用模塊化設計結構，如配以不同的附件可測量靜態定位精度（21項剛體誤差中的18項，即幾何誤差）和動態循圓誤差，并可在在一天內完成所有誤差的測量。MCV-500激光頭外形尺寸小，無三腳架及干涉鏡、結構簡單、重量輕、攜帶方便。對國際主流控制器自動生成螺距誤差補償程序進行螺距誤差補償。主要性能指標如表1。

表1 MCV-500主要性能指標

2 MCV500激光干涉儀原理

MCV500激光干涉儀設計制造應用了雷達原理、多普勒效應及光學外差原理來進行測量。當激光束經由反射鏡反射時，因反射鏡的移動而造成多普勒的頻率偏移現象，可用公式Δf=(2f/c)Δv或 Δθ=2π(2f/c)Δz來表示。其中， Δf、 Δθ分別為頻率偏移量和相位偏移量，Δv、Δz分別為反射鏡的速度和位移量，f為激光束頻率，c為光速。當相位傳感器檢測到因反射鏡移動造成的相位變化時，若位移量＞λ/2(λ為激光束波長)，計數器會記錄全部的相位偏移量Δθ=2πN+?，其中，N為半波長度，?為小于2π的相位角，則位移量Δz可以表示為Δz=c/2f(N+?/2π)。計算處理器通過讀取的相位角，計算后轉換成移動量[5-6]。其中系統最小分辨率為最小可測的?，而最大速度則取決于相位傳感器及計數器的頻寬。MCV500激光干涉儀主要組成部分和光學系統如圖2所示。

圖2 3MCV500激光干涉儀組成及光學系統

3 數控機床檢測參數設定

數控機床位置精度檢測時，各軸要以快速定位，進給倍率100%的方式運行，且每個檢測點的定位速度（不包含方向）必須保持一致性。某一數控機床采用FANUC（發那科）系統，其檢測運行程序在通電調試階段已輸入數控系統中，設定O6001、O6002、O6003為X軸、Y軸和Z軸的檢測運行程序。現以FANUC 0i系列為例說明其檢測過程，與螺距誤差補償相關的直線軸參數分別是1800#4、 1851、 1852、 3620、 3621、 3622、3623、3624。其中1800#4為切削進給和快速移動時是否分別進行反向間隙補償，一般情況下1800#4=1，需分別對進給和快速移動進行補償；1851為各機床軸的切削進給反向間隙，用于設置插補指令的反向間隙，其參數為變量，不同的進給速度需要設置不同的參數值，通常以圓的試切并達到廠標（圓度在0.02 mm以內）要求進行設定；1852為各機床軸的快速定位反向間隙，用于設置一般意義的反向間隙即快速反向間隙；3620為各機床軸參考點的螺距誤差補償號；3621為各機床軸負向最小值的螺距誤差補償號；3622為各機床軸正向最大值的螺距誤差補償號；3623為各機床軸螺距誤差補償倍率；3624為各機床軸的螺距誤差補償點的間距。

表2 某機床相關設定值

該機床相關參數設定值（如表2）：1690X軸采樣點距離為66.666、Y軸采樣點距離為33.333，補償間隔為11.111，Z軸采樣點距離為30.453，補償間隔為10.151。各軸采樣最遠行程分別是：X軸為1599.984，Y軸為-899.991，Z軸為-669.966。

4 MCV500激光干涉儀檢測要點

（1）按序正確連接MCV500激光干涉儀的相關線纜（如圖3所示），并連接干涉儀和機床間的地線，再連接干涉儀的電源線，最后開啟電源，使干涉儀能產生激光束。

（2）對光，移動被測定的直線軸。在拉長光束時，調節鐳射源端的兩調節螺栓，使光束在中心圈中，這樣的調節保持至被測軸的最遠端。然后將被測軸往相反方向移動，縮短光束，在這一過程中，要不斷移動工作臺使光束在中心圈中，直到光束被縮為最短即被測軸達到某一方向的極限。這一對光調節過程可能需要重復幾個來回，直到在某一方向移動被測軸時不需要調節鐳射光源或工作臺。

（3）依據激光軟件頁面提示要求設定激光參數，并保存。要求設定的補償系數為11.7，壓力為50。

（4）等待鐳射源上的綠燈亮起，進行測定，選擇相應軸的激光程序。

（5）在第一個雙來回采樣后，依據分析軟件，補償測定軸的反向間隙1852所補的值應為測量的最大間隙值加最小間隙值除以2。

圖3 MCV500激光干涉儀連接圖

（6）在第二個雙來回采樣后，依據分析軟件，形成螺距誤差，并進行補償在螺距誤差補償結束后進行一次五個來回的采樣，分析機床的綜合誤差，雙向定位重復性。

（7）1852反向間隙補償值不得大于30微米（1580和大于1580機床的償值不得大于35微米），測量的綜合誤差與雙向定位重復誤差根據過程檢查卡的要求進行控制。

注意事項：在檢測過程中若存在某一指標不合格，應及時反映并解決。在檢測結束后進行機床數據的備份，防止有操作不當引起數據丟失。檢測結束后應有序整理好所有的線纜、器具，不應亂放以保證儀器的長久有效使用。

5 結束語

數控機床的位置精度是指所測量機床運動結構在數控系統控制下能夠達到的精度，是數控機床區別于普通機床的一項重要性能指標，直接影響工件的加工精度和加工質量。通常數控機床在空運行、調試、強力切削或伺服優化后需要進行必要位置精度檢測和誤差補償。本文通過MCV500激光干涉儀對數控機床位置精度檢測補償，可用于實際操作指導，提高設備使用價值。

參考文獻：

［1］金建國，王冬.數控機床螺距誤差補償技術研究［J］.制造業自動化，2015（1）：18-21.

［2］羨一民.激光干涉儀的應用（激光干涉儀技術綜述之五）［J］.工具技術，2015（2）：79-85.

［3］中國儀表網.MCV-500激光多普勒測量儀應用介紹［EB/OL］. http：//www.ybzhan.cn/Tech_news/Detail/3284.html，2007.12.18.

［4］美國光動公司.MCV-500系列產品性能參數介紹［EB/OL］. http：//www.optodyne.com.cn/product/show.asp？Id=133&Path=0|4|16|，2015.5.7.

［5］程亮.激光外差干涉長行程精密導軌直線度測量及補償方法研究［D］.杭州：浙江理工大學，2017.

［6］白恩遠.現代數控機床伺服及檢測技術（第二版）［M］.北京：國防工業出版社，2005.