數控機床位置精度的檢測與補償

摘要：現代數字精密加工技術已經成為當前主流加工技術，精度成為現代工業最重要的技術要求。為此，在數控機床上對數控機床位置精度進行檢測和補償是提高數控機床的工作精度最直觀有效的途徑。本文主要介紹當前數控機床上常用的幾種誤差測量方法與儀器的原理。

關鍵詞：數控機床 激光干涉儀 精度檢測

高精度是現代工業最主要的技術要求，隨著數控機床在現代化工業技術中的應用越來越廣泛，對數控機床在精度上的要求也越來越嚴格。提高數控機床位置精度是提高數控機床加工精度的前提保障和最為直觀有效的方法。

目前數控機床位置精度檢驗標準主要采用國際標準（IS0230-2）或（國家標準GBl0931-89）或國際上公認的VDI3441標準等。同一臺機床檢測時如果采用了不同的標準，可能會得到不同的位置精度值，因此要注意根據需要選擇相應標準的數控機床的精度指標，或者參考數控機床購買合同技術書上注明的驗收標準。

下面具體探討應用激光干涉儀對數控機床的幾何精度以及各數控軸的反向偏差和定位精度的檢測。

1 激光干涉儀檢測數控機床精度的原理及方法

激光干涉儀的工作原理是在氦氖激光器上添加一個約0.03特斯拉的軸向磁場。根據塞曼分裂效應和頻率牽引效應，激光器會產生出“1”和“2”兩個不同頻率的左旋和右旋圓偏振光。其中一路在經過了偏振分光鏡后又分成了僅含有f1的光束和僅含有f2的光束。當可移動反射鏡發生位移的時侯，含有f2的光束在經過可移動反射鏡的反射后成為含有f2±Δf的光束(Δf是可動反射鏡移動時因多普勒效應產生的附加頻率，正負號表示移動方向)并與由固定反射鏡反射回來的，僅含有f1的光束在經過偏振片2后會合成為測量光束f1-(f2±Δf）。測量光束和參考光束f1-f2經過各自的光電轉換組件、放大器組件、整形器組件后進入減法器相減后輸出，成為僅含有±Δf的電脈沖信號。經可逆計數器計數后，進行當量換算（乘1/2激光波長）后，即可得出可動反射鏡的位移量。

雙頻激光干涉儀的優勢除了精確度高，還表現在其是應用頻率變化來測量位移的，這種位移信息載于f1和f2的頻差上，對由光強變化引起的直流電平變化不敏感，所以抗干擾能力強。

測量方法：將雙頻激光干涉儀安裝在需測量的機床坐標軸線方向使雙頻激光干涉儀的光軸與需要測量的軸線在一條直線上，然后安裝與其搭配的光學測量裝置。在光頭預熱后輸入測量參數后按規定的測量程序運動機床進行測量。

2 反向偏差的檢測

在數控機床上各坐標軸進給傳動鏈上，由驅動部件存在反向死區以及副反向間隙等誤差，而形成的各坐標軸在由正向運動轉為反向運動時形成反向偏差，稱為反向間隙或矢動量。反向偏差會影響到采用半閉環伺服系統數控機床的定位、重復定位精度，對產品的加工精度產生負面影響。比如反向偏差會降低GO1切削運動時插補刀運動的精度，甚至造成“圓不夠圓，方不夠方”的情形。而在G00快速定位運動中，反向偏差會使 “孔加工”時各孔間的位置精度降低。同時，隨著設備投入運行時間的增長，磨損造成運動副間隙的逐漸增大，反向偏差還會而增加，因此必須定期檢測數控機床各坐標軸的反向偏差并進行補償。

除了使用雙頻激光干涉儀對直線運動軸的反向偏差進行測量外測量設備也可以采用千分表或百分表。當采用千分表或百分表進行測量時注意表座和表桿如果伸出過高過長有些情況下會使表座受力移動，測量時容易造成計數不準而影響補償值真實度。為了能使測量過程變得更便捷更精確，在測量前通常在所測量數控機床坐標軸的行程內先移動一個距離設置為基準點，再輸入指令在相同方向移動一段距離，然后再往相反方向移動相同的距離，測量停止位置與基準位置之差。在靠近行程的中點及兩端的三個位置分別進行多次檢測(一般為七次)并分別計算三個位置上的平均值，其中的最大值為反向偏差測量值。需要特別注意測量之前一定要先移動一段距離，否則無法得到正確的反向偏差值。

3 定位精度的檢測

數控機床的定位精度是指所數控機床運動部件在數控系統控制下運動所能達到的坐標位置精度，即軸在其行程內任意點的定位穩定性，其中涵蓋了分散度，一般雙向取值。機床的定位精度、再定位精度和幾何精度是決定數控機床切削作業和孔作業精度的最重要參數之一，尤其對孔隙加工中的孔距誤差具有決定性的影響。定位精度可以決定數控機床的最高加工精度，由此可見對數控機床進行定位精度檢測和補償的重要性，數控機床定位精度檢測主要包括直線運動精度位置（包括X，Y，Z，U，V，W軸向）、直線運動重復定位精度、直線運動失動量測定、直線運動返回原點精度測定、回轉運動定位精度（轉臺A，B，C軸）、回轉運動重復定位精度、回轉運動返回原點精度、回轉運動失動量測定。

利用雙頻激光干涉儀對機床進行定位精度檢測和處理分析方法如下圖所示。

4 幾何精度的檢測

數控機床的幾何精度是指關鍵機械零部件(如工作臺，主軸等)的幾何形狀誤差或者其組裝再調整后的幾何形狀誤差，包括工作臺的水平程度和臺面的平面程度，工作臺主軸在各坐標方向上移動的相互垂直度、平行度，主軸的同軸率、主軸沿軸向位移垂直度、平行度。

數控機床的幾何精度的檢測方法與普通機床的類似但是檢測要求更加嚴格。數控機床的幾何精度檢測之前應該確保機床的基座已經完全固化完畢，在檢測時要盡量提高檢測精度并減小使用檢測工具（比如：因為數控機床精度本來就高于傳統的普通機床，因此應該使用專業檢測工具檢測）和因為檢測方法（被測數控機床在精調后一次檢測完成，不可以多次調解多次測量，導致幾何精度值相互關聯從而影響檢測的真實度）所產生的誤差，檢查前還要對數控機床進行預熱，并控制主軸沿個軸向往復運動，在主軸以中速穩定運行數分鐘以后再進行檢測。檢測大型數控機床的幾何精度參數時必須實施載負荷檢測，通過在有負荷狀態下各機構運動以及工作時機床運動機構的平穩度、精準度等可靠性參數達標情況決定機床是否達到設計時規劃的承載能力以及對各項高精度參數滿足情況。

5 結論

我國現代化工業和數控機床還正處在向高精度轉型階段，但是在提高精度的時，對于消除各項誤差（如：熱誤差、主軸制造和各部件應力誤差）的方法還并不完善。特別是對于熱誤差，其可占數控機床加工精度總誤差的70％。因此對于數控機床的精度檢測和相關精度補償就尤為重要，使數控機床的可編程以及高精度優勢得到更充分和更廣泛的應用。