激光干涉儀在華中8 型數(shù)控系統(tǒng)上的應(yīng)用

弋 博

（中國航發(fā)西安動力控制科技有限公司，陜西西安 710077）

0 引言

華中8 型數(shù)控系統(tǒng)是武漢華中數(shù)控股份有限公司2010 年推出的新一代具有自主知識產(chǎn)權(quán)的總線式數(shù)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用全數(shù)字伺服控制，具有納米插補(bǔ)功能，可以實現(xiàn)高精度加工。現(xiàn)在數(shù)控機(jī)床對各部件精度要求越來越高，機(jī)床整體性能越來越好，其中定位精度和重復(fù)定位精度是評價數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵性能的重要指標(biāo)之一。激光干涉儀是檢測數(shù)控機(jī)床螺距誤差的重要檢測儀器，是向數(shù)控機(jī)床螺距補(bǔ)償提供補(bǔ)償數(shù)據(jù)的依據(jù)，對提高數(shù)控機(jī)床定位精度和重復(fù)定位精度有著重要的作用。華中8 型全數(shù)字高檔數(shù)控系統(tǒng)作為一項具有自主知識產(chǎn)權(quán)的重大技術(shù)成果，性能已接近國際高檔數(shù)控系統(tǒng)，目前華中8 型數(shù)控系統(tǒng)的市場份額不斷增加，研究其誤差補(bǔ)償技術(shù)就顯得十分迫切。利用激光干涉儀測量數(shù)控機(jī)床各運(yùn)動軸的螺距誤差值，對不同的誤差曲線進(jìn)行分析，基于華中8 型數(shù)控系統(tǒng)的螺距誤差補(bǔ)償功能對機(jī)床軸的定位精度和重復(fù)定位精度進(jìn)行補(bǔ)償，從而提高數(shù)控機(jī)床的整體性能。

1 激光干涉儀測量原理

激光干涉儀是以干涉測量法為原理，利用激光作為長度基準(zhǔn)，對數(shù)控機(jī)床的定位精度和重復(fù)定位精度進(jìn)行測量的精密測量儀器。激光具有高強(qiáng)度、高度方向性等優(yōu)點(diǎn)，激光干涉儀作為一種檢測線性誤差的高精度儀器，分辨率可達(dá)納米，配合不同的光學(xué)組件，可以實現(xiàn)直線度、角度、平面度、垂直度等精度的測量。目前，使用激光干涉儀檢測數(shù)控機(jī)床的定位精度和重復(fù)定位精度已經(jīng)成為一種重要的檢測手段，為數(shù)控機(jī)床螺距補(bǔ)償提供重要補(bǔ)償依據(jù)。

圖1 激光干涉儀測量原理

激光干涉儀工作原理如圖1 所示，激光頭發(fā)射光源射入線性干涉鏡，然后分成兩道光束，一道（參考光束）射向反射鏡，另一道透射光束（測量光束）通過分光鏡攝入第二個反射鏡，這兩道光束再反射回到分光鏡，重新匯聚之后返回激光頭，探測器監(jiān)控兩道光束之間的干涉，若光程差有變化，探測器會找到這些變化信號，這些信號被計算并用來測量兩個光程之間的差異變化。

2 激光干涉儀測量螺距誤差方法

在利用激光干涉儀檢測螺距誤差前，應(yīng)在機(jī)床幾何精度調(diào)整后進(jìn)行，減少幾何精度對機(jī)床定位精度的影響，確保該檢測軸上的誤差補(bǔ)償功能處于禁止?fàn)顟B(tài)，或者清除該軸上的誤差補(bǔ)償值，檢測時該軸處于空載狀態(tài)。激光檢測螺距誤差的一般步驟為：

（1）安裝激光干涉儀。

（2）激光干涉儀對光調(diào)整，校準(zhǔn)光束與所測量的軸。

（3）打開測量軟件，設(shè)置相關(guān)測量數(shù)據(jù)及參數(shù)。

（4）機(jī)床側(cè)編寫測量程序，啟動激光干涉儀測量，記錄測量數(shù)據(jù)。

（5）用測量軟件對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，生成誤差補(bǔ)償文件。

2.1 激光干涉儀光束與軸的校準(zhǔn)

激光干涉儀光束與軸移動方向的校準(zhǔn)，目的是為了讓測量光束能準(zhǔn)確返回激光干涉儀上，讓激光干涉儀得到準(zhǔn)確的反饋信息，以便計算出真實的誤差值。機(jī)床激光檢測光束校準(zhǔn)常有水平軸向測量，垂直軸向測量兩種形式。

下面以公司某改造設(shè)備的Y 軸為例，說明激光干涉在華中8 型數(shù)控系統(tǒng)上螺距誤差的測量方法，該軸為正向回參考點(diǎn)，正向軟限位為2 mm，負(fù)向軟限位為-452 mm。該軸采用線性軸測量方法，具體調(diào)整方法按以下步驟進(jìn)行：

（1）架設(shè)三腳架，水平儀調(diào)整三腳架水平，盡可能使三腳上水平儀水泡處于中間位置。

（2）安裝好激光頭、反射鏡，粗略對準(zhǔn)移動軸，反射鏡盡量靠近激光頭，使光束反射回標(biāo)靶的白點(diǎn)上。

（3）移動軸使反射鏡至測量行程的最遠(yuǎn)端，光束偏離標(biāo)靶白點(diǎn)。

（4）調(diào)整激光頭的角度偏轉(zhuǎn)和光束的俯仰角度，調(diào)整光束到以標(biāo)靶白點(diǎn)為中心的對稱點(diǎn)位置。

（5）水平移動激光頭，使光束回到中心線上，再調(diào)整三腳架使激光頭上下垂直移動，讓光束回到標(biāo)靶中心白點(diǎn)上。

（6）移動反射鏡到靠近激光頭一側(cè)，若光束偏離標(biāo)靶中心，則先水平方向平移激光頭，然后上下垂直移動激光頭，使光束依然回到標(biāo)靶中心點(diǎn)上。

（7）重復(fù)步驟2～6，使光束在整個Y 軸行程范圍內(nèi)都在標(biāo)靶中心點(diǎn)上。

（8）在激光頭和反射鏡之間加入干射鏡，調(diào)整干涉鏡的位置以及角度，使反射回來的兩個光點(diǎn)重合，如果在近端不重合時，調(diào)整干涉鏡的位置，使之重合，如果在遠(yuǎn)端不重合，調(diào)整激光頭的偏角及俯仰角使之重合。

（9）使重合光點(diǎn)在整個測量行程內(nèi)都滿足要求，在全行程內(nèi)檢測光線強(qiáng)度，光線強(qiáng)度超過50%光束校準(zhǔn)完成，可以開始測量。

2.2 測量軟件的設(shè)置

打開Renishaw LaserXL Capture 測量軟件，首先對測量的環(huán)境溫度，以及測量物體的熱膨脹系數(shù)進(jìn)行設(shè)置，再根據(jù)以下進(jìn)行測量軸數(shù)據(jù)設(shè)定。

（1）測量目標(biāo)設(shè)定。第一定位點(diǎn)：-450（測量的起點(diǎn)）；最終定位點(diǎn)：0（測量的終點(diǎn)）；間距值：30（測量間距）；目標(biāo)數(shù)：16（測量行程上的測量點(diǎn)數(shù)）。

（2）自動采集數(shù)據(jù)設(shè)定。自動采集數(shù)據(jù)設(shè)定主要需要對越程量大小進(jìn)行設(shè)定，本次設(shè)置為1。

（3）在激光干涉儀軟件中按下“預(yù)置零點(diǎn)”按鍵，在彈出的對話框中輸入測量起始坐標(biāo)“-450”。

2.3 螺距誤差補(bǔ)償示例

（1）相關(guān)螺距誤差補(bǔ)償參數(shù)設(shè)定如下：

301020 螺距誤差補(bǔ)償類型：2（雙向補(bǔ)償）

301021 螺距誤差補(bǔ)償起點(diǎn)坐標(biāo)：-450

301022 螺距誤差補(bǔ)償點(diǎn)數(shù)：16

301023 螺距誤差補(bǔ)償點(diǎn)間距：30

301024 螺距誤差取模補(bǔ)償使能：0

301026 螺距誤差補(bǔ)償表起始參數(shù)號：700100（補(bǔ)償值=指令-實際）

（2）激光干涉儀測量誤差程序如下：

%0001

G53 G90 G0 Y-450；到達(dá)測量起點(diǎn)

G91 G0 Y-1；越量程

G4 P2000；暫停2s

G91 Y1；Y 軸到達(dá)正向測量起點(diǎn)

G4 P4000；暫停4s

M98 P100 L15；調(diào)用正向子程序

Y1；越量程

G4 P2000；暫停2s

Y-1；Y 軸到達(dá)負(fù)向測量起點(diǎn)

G4 P4000；暫停4s

M98 P200 L15;調(diào)用負(fù)向子程序

%100;正向子程序

G91 G0 Y30

G4 P4000

M99

%200;負(fù)向子程序

G91 G0 Y-30

G4 P4000

M99

將所測量的檢測結(jié)果按下面方式輸入?yún)?shù)中：將Y 軸正向測量點(diǎn)處的補(bǔ)償值按順序輸入?yún)?shù)號700100 到參數(shù)號700115中，將Y 軸負(fù)方向測量點(diǎn)處的補(bǔ)償值按順序輸入700116 到參數(shù)號700131 中。

3 誤差分析與補(bǔ)償方法

3.1 螺距誤差產(chǎn)生原因

（1）滾珠絲杠和絲母之間的間隙誤差，絲杠在生產(chǎn)制造過程中螺距累計誤差，造成機(jī)床目標(biāo)值與是實際值產(chǎn)生偏差。

（2）滾珠絲杠在裝配過程中，由于絲杠兩端軸承預(yù)緊力調(diào)整不恰當(dāng)，使絲杠螺距誤差增加，造成機(jī)床目標(biāo)值與實際值產(chǎn)生偏差。預(yù)緊力不足，絲杠軸向產(chǎn)生竄動，造成絲杠傳動誤差；預(yù)緊力過大，絲杠軸向被拉長，造成絲杠螺距誤差增大。

（3）在機(jī)床整體裝配過程中，由于絲杠軸線與機(jī)床導(dǎo)軌不平行，使軸在移動過程中導(dǎo)致絲杠彎曲，造成目標(biāo)值與實際值產(chǎn)生偏差。

3.2 測量誤差分析與補(bǔ)償方法

采用激光干涉儀測量螺距誤差時，誤差測量曲線會有所不同，分析不同的誤差測量曲線造成的原因可以有效幫助選擇相應(yīng)的螺距誤差補(bǔ)償方法。

當(dāng)測量曲線如圖2 時，正向和負(fù)向兩條曲線基本是平行狀態(tài)，兩條曲線之間的間距即為該軸的反向間隙值。這種情況下可以修改系統(tǒng)的反向間隙補(bǔ)償值使正、反方向曲線接近，選擇單項螺距誤差補(bǔ)償方式對該軸進(jìn)行補(bǔ)償即可達(dá)到補(bǔ)償效果。

當(dāng)測量曲線如圖3 和圖4 時，反映出正反向時在全行程內(nèi)反向間隙的大小是不一致的，甚至出現(xiàn)在某一點(diǎn)時反向間隙值的符號都相反。一般來說出現(xiàn)這種情況，是絲杠的裝配精度不符合要求造成的，此時需要對機(jī)械結(jié)構(gòu)重新裝配，或使用數(shù)控系統(tǒng)螺距雙向補(bǔ)償功能進(jìn)行補(bǔ)償，來提高該軸的定位精度。

數(shù)控系統(tǒng)的誤差補(bǔ)償是有一定限度的，如果誤差過大，需要檢查機(jī)床的機(jī)械精度和裝配精度。通過激光干涉儀測量機(jī)床螺距誤差，通過數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)螺距誤差補(bǔ)償，從而實現(xiàn)機(jī)床指令值與實際值接近，提高機(jī)床的定位精度和重復(fù)定位精度。

圖2 螺距誤差測量曲線1

圖3 螺距誤差測量曲線2

圖4 螺距誤差測量曲線3