激光測試技術下數控機床誤差識別與補償的探究

韓輝輝

摘 要：為提高數控機床精度，誤差補償方法得到了廣泛的應用。而使用激光測試技術進行機床誤差識別和補償，則能完成各種誤差的有效識別，從而使機床的精度得到有效提高。基于這種認識，本文對激光測試技術進行介紹，然后對該技術下的數控機床誤差識別與補償問題展開了探究，以期為關注這一話題的人們提供參考。

關鍵詞：激光測試技術；數控機床誤差；識別；補償

引言：在應用數控機床進行機械零件加工的過程中，機床自身誤差將對加工精度產生較大影響。為解決這一問題，各種誤差補償方法逐漸被人們提出。而應用激光測試技術實現誤差補償，則能使數控加工精度得到顯著提高。因此，相關人員還應加強該種誤差補償方法的研究，以便更好的促進數控加工行業的發展。

1激光測試技術原理

所謂的激光測試技術，實際就是應用激光干涉儀進行位置測量的一種技術。應用該技術，其實就是利用光的干涉原理和多普勒效應，能夠通過檢測頻差完成位置的測量。在實際測量時，可以利用激光器進行兩束振幅相同但頻率不同的左右圓偏振光的發射。而經過λ/4片后，這些偏振光就會轉變為振動方向垂直的線偏振光。利用分光器，則能完成部分光束的反射。反射的光束經過檢偏器，則可以形成兩個頻率的信號。在接收器完成信號接收后，另一部分光束會通過分光器進入偏振分光器。其中，與分光面平行的光束會完全通過，并到達可動反射鏡。而由反射鏡發射回的光束會經過偏振分光器，然后與分光面匯合。經過轉向棱鏡的偏振器，則會被接收器接收。將測量得到的信號與參考信號相比較，則能夠得到多普率頻差，然后進行位置計算。

2激光測試技術下數控機床誤差識別與補償

2.1數控機床運動分析

應用激光測試技術進行數控機床運動誤差的測量，還應將機床假設為剛體模型，以簡化其運動分析過程。結合數控機床實際工作特點，可知機床由封閉運動鏈構成，在切削點有兩個開環。而數控機床的機座需要分別在兩個環的末端進行刀具和工件的支撐，所以可以利用多剛體間位姿關系表示刀具相對工件的運動[1]。假設運動空間內有兩組剛體，并且每個剛體上有一個基點，還要進行各基點坐標系的設置，然后利用參考坐標系進行各坐標系間位姿轉換關系矩陣的求取，從而完成兩個剛體的位姿關系分析。

2.2機床運動誤差建模

在實際進行機床運動誤差分析時，還應明確機床組件運動誤差由桿件本身形狀尺寸誤差和運動副誤差和構成。利用奇次坐標的轉動變換和平移變換，則可以進行這兩種誤差的表示。假設誤差產生的運動為無限小的轉動及平動，則可以進行誤差的線性疊加。在兩個誤差的坐標系間，存在T這一理想轉換矩陣，相應的誤差運動則為WT，所以實際運動誤差矩陣Tα=T+WT。沿著x，y，z軸的平動誤差可分別設為Wx，Wy，Wz，刀具切削點在工件坐標系為Tw=（xw，yw，zw，1）T，則切削點誤差矢量為△W=（△Wx，△Wy，△Wz，1）T。

2.3機床運動誤差識別

在實際進行數控機床運動誤差識別時，還應先明確影響機床運動精度的幾何誤差參數的組成。以三軸數控機床為例，影響其運動精度的幾何誤差參數多達21項，如y軸對x軸的垂直度誤差等。利用激光測試技術，可以完成絕大多數誤差的直接測量。在這些誤差中，在其它誤差參數已知的條件下，對角線坐標誤差△y和△z將隨著水平軸和垂直軸的誤差參數變化而變化。在yz平面內沿著直線測量，則能夠得到該平面內保持有適當間距的兩條平行對角線的位移誤差。采取該種方法，也能完成其他誤差的測量，如直線度誤差、位移誤差和轉動誤差等。在實際測量時，需要利用三腳架支撐設備的光源，并在預熱20min后進行光源對正，以確保光路與測量運動軸保持平行[2]。在此基礎上，需進行反射鏡和干涉鏡的安裝，然后使機床歸零，并完成數據采集點坐標和運動循環次數的設置，設備就可以自行完成誤差測量。

2.4機床運動誤差補償

完成誤差識別后，可以利用“華中I型”數控系統的三軸立式加工中心進行誤差補償試驗。而利用激光測試技術識別的誤差會以文件形式存入計算機，所以可以直接利用計算機控制系統進行誤差模型計算編程子程序的調用，從而進行各運動軸在目標點誤差的預報。在這一過程中，系統會進行插補運算，即每8ms進行一次中斷，然后利用子程序進行控制指令修正，并利用修正得到的指令進行機床各個驅動軸的同時控制，繼而實現運動誤差的聯動補償[3]。從試驗結果來看，采用激光測試技術進行數控機床誤差識別和補償，能夠改善機床圓周運動軌跡的不圓度，并且提高機床運動傾斜直線的位移精度。此外，系統的誤差的70%能夠得到減小，因此使用該方法能夠獲得顯著的運動誤差補償效果。

結論：通過研究可以發現，使用激光測試技術進行數控機床誤差識別，能夠利用對角線位移測量方法使機床誤差測量問題得到解決，并且完成全部參數誤差的測量。而使用該技術進行機床運動誤差補償，則能使機床的加工精度得到有效提高，并且通過刷新誤差參數表再現機床精度。因此，相信本文對激光測試技術下數控機床誤差識別與補償方法展開的研究，可以為相關工作的開展帶來啟示。

參考文獻

[1]朱嘉，李醒飛，譚文斌等.基于激光干涉儀的測量機幾何誤差檢定技術[J].機械工程學報，2010，10：25-30.

[2]孫克，沈興全.激光干涉儀在數控機床幾何誤差檢測與識別技術中的應用[J].現代制造工程，2010，01：100-103.

[3]楊拴強，沈振輝.數控機床空間幾何誤差識別與檢測[J].價值工程，2013，31：34-36.