機床軸線位置精度檢測技術

宋秀敏，李 雪

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京東 燕郊 065201)

數控機床的位置精度是一項很重要的技術指標，它表明所測量的機床各運動部件在數控裝置控制下所能達到的準確度。也就是說根據位置誤差的實測數值，可以判斷出機床以后自動加工能達到最好的工件加工水平。因此對數控機床驗收和定期校準時，位置精度的檢測顯得尤為重要。

1 數控機床位置精度測試常用的評定標準

位置精度主要評定項目包括：軸線的重復定位精度、軸線的定位精度和反向差值。

我國機床驗收和定期校準通常采用GB/T17421.2-2000(等同于ISO230-2：1997)國家標準評定方法。

反向差值

·目標位置的反向差值：運動部件從2個方向趨近某一位置時，正向平均位置偏差減負向平均位置偏差：

·軸線反向差值B：運動部件沿軸線或繞軸線的各目標位置的反向差值的絕對值│Bi│中的最大值即為軸線反向差值B：

1.2 重復定位精度

·目標位置的單向重復定位精度Ri↑或Ri↓及雙向重復定位精度Ri：

·軸線單向重復定位精度R↑或R↓以及雙向重復定位精度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：由雙向定位系統偏差和雙向定位標準不確定度估算值的2倍的組合來確定的范圍。即：

2 測量定位精度所需的工具和方法

2.1 測量工具的選擇

由于激光具有高亮度、方向性強、單色性好和相干性高的特點，使雙頻激光干涉儀具有精度高、應用范圍廣、環境適應能力強、實時動態測速高等一系列無可比擬的優勢，且該儀器為模塊化結構,安裝位置靈活,便于分析機床誤差來源;測量時可以在工作部件運動過程中自動采集數據,更接近機床的實際使用狀態。因此,用雙頻激光干涉儀檢測機床位置精度是一種用傳統測量手段難以實現的技術。

2.2 目標位置及循環方式的選擇

用雙頻激光干涉儀測量位置精度時，首先應根據被測軸工作范圍適當確定m個測量位置，每個目標位置Pi應隨即選取，以便把周期誤差也包含在內。目標位置按下式確定：

式中：i—現行目標位置的序號；

P—目標位置的間距，使測量行程內的目標位置之間有均勻的間距；

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

循環方式一般按標準檢驗循環(見圖1)在所有目標位置上進行測量。每個目標位置在每個方向上應測量5次。每個測量循環都從固定的零點開始。當測量開始，第一次對激光干涉儀清零后，在測量過程中不再清零，以免測量數據作廢；并且在每個循環的起點和終點處返回以前，必須先作一定距離的“超越”，再返回原處，以保證在該循環中每個目標位置的趨近方向一致。

2.3 測量方法

(1)安裝雙頻激光干涉儀測量系統各組件，并在需測量的機床坐標軸線方向安裝光學測量裝置。將反射鏡置于機床運動部件的某個位置，讓激光束經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，兩束光同時進入激光器的回光孔產生干涉；

圖1 標準檢驗循環

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

(3)根據定義的目標位置編制循環移動程序，記錄各個位置的測量值(機器自動記錄)；

(4)選擇所選計算標準，進行數據處理與分析，計算出機床的位置精度。測量示意圖如圖2所示；用圖線表示的位置精度測量結果圖如圖3所示。

圖2 激光干涉儀測量示意圖

圖3 位置精度測量結果圖

3 用雙頻激光干涉儀測量位置精度應考慮的誤差來源及采取的措施

(1)激光波長引起的測量誤差。這是因為作為長度基準的激光波長，受環境條件和激光器本身影響而產生波動，因此用雙頻激光干涉儀測量時必須對激光波長進行補償。方法是將空氣溫度傳感器盡量安放在測量區段，以保證自動補償裝置最大限度的補償。

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

(3)死行程誤差。激光測量行程的死行程區是指干涉鏡至測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動，圍繞激光束行程的大氣壓條件發生變化，則遍于整個光路(L1+L2)的波長將發生變化。測量系統只對測程L2而不對行程L1的光速進行補償，結果造成基準位置(零點)的偏移。另外機床工作臺的熱膨脹也會造成同樣的誤差。工作臺的溫升使干涉鏡相對反射鏡移動，同樣測量系統的材料溫度補償只考慮L2，這也會引起零點的偏移。因此為了減小死行程誤差，必須將干涉鏡盡量靠近零點。

(4)余弦誤差。如果激光束和機床運動軸線沒有對準，也就是測量軸線與機床移動的軸線不平行；這時實際移動距離不等于測出的距離。其偏差值與測量軸線與運動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量前精確調整光路，以確保很好的對準。

(5)阿貝誤差。如果在一個偏離被測位移的位置上進行測量時，部件的任何角運動將產生一個誤差，這個誤差就是阿貝誤差。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 結束語

準確測量機床位置精度非常重要。為了能準確的對機床進行評價，測量前必須考慮使潛在的誤差源達到最小；另外為了能使機床誤差的測量代表工件的誤差，測量時一般在刀具的安裝處裝置一個光學元件，而另一個光學元件安放在工件位置上。

[1]中華人民共和國國家標準GB/T17421.2-2000，機床檢驗通則(第2部分)：數控軸線的定位精度和重復定位精度的確定[S].

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