张馨予
齐齐哈尔二机床（集团）有限责任公司 黑龙江 齐齐哈尔 161005
摘要：数控机床是一种高精度工业加工母机，为了保证数控机床的高精度，需要使用检测仪器进行精度检测与校正。随着生产质量的提升，对于数控机床的误差容忍度越来越小，控制精度要求越来越高。激光干涉仪作为一种检测和辨识几何误差的先进仪器，对于检测数控机床故障，查明数控机床故障原因，提升机床工作效率，具有重要意义。
关键词：创新实验；激光干涉仪；精度检测；误差补偿
1数控机床精度控制方法分析
现阶段提升数控机床加工精度主要有误差预防法和误差补偿法两种方案，这其中误差预防法的原理是通过设计和制造途径消除或减少可能的误差源。误差预防法的经济成本高昂，同时在使用中也存在很大的局限性，通过预防的手段实现误差的消除几乎是不可能的。与此相反的，误差补偿法通过分析误差可能发生的原因和发生部位，并提出针对性的反向误差进行消除，该项技术需要借助于计算机技术。可以看出，误差补偿法对于设备的要求较低，同时调整简便，成本可控，已成为相关研究人员最为青睐的技术。在误差补偿的过程中，需要经过误差检测、误差建模和误差补偿三个主要阶段。误差补偿法中如何准确识别误差是最基本的一步，在众多识别方法中，激光干涉仪是效果最好的一种。
2激光干涉仪测量原理分析
激光干涉检测几何误差主要是利用多普勒效应和干涉原理，具体来看，当两束振幅相同、频率不同的左右圆偏振光由同一个激光发射器发射，在一定距离之后转变为垂直方向震动的线偏振光。
激光干涉仪具体测量过程分为：（1）安装双频激光干涉仪测量系统各组件，测量系统；（2）在需测量的机床坐标轴线方向安装光学测量装置；（3）调整激光头，使测量轴线与机床位移轴线重合或平行，即将光路预调准直；（4）待激光预热后输入测量参数；（5）按规定的测量程序运动机床进行测量。
3实验原理及系统组成
3.1实验原理
同一频率的两波叠加使某些区域的振动加强，部分区域的振动减弱，振动强化与弱化的区域相互隔开。这种现象称为波的干涉。以ML-10激光干涉仪为例，其工作原理如图1所示。激光束是由激光毛发产生的。单频激光波长633nm。在真空中，波长稳定性比在长时间范围内，高于100nm。当光束到达干涉仪中的光分束器时，光束被分成两束，其中一束是反射光，另一束是透射光。光束的两个光束到它们的反射镜并在光分光镜的相同位置反射。光分束器在两束光调制后直接将光束传输到接收器，从而将光束直接发送到接收器。两束光在受体中产生干涉条纹。根据光的叠加和干涉的原理，当光程差等于波长的整数倍，振动增强，产生明亮的条纹；当光程差等于半波长的奇数倍时，振动减弱，产生暗条纹。当用激光干涉仪测量线性定位误差时，干涉镜或反射镜中的一个保持静止，另一个沿线性轴移动。当干涉仪和反射镜之间的距离改变时，检波器在每次光程改变时，都在明暗条纹的两极之间找到变化的信号，由干涉条纹数计算光程的变化d，检波器中出现的明条纹数为m，则有：
d=m×λ/2
式中λ为激光波长。
图2测量与误差补偿系统组成图
4激光干涉仪对数控机床误差分析
4.1数控机床几何误差分析
对三轴空间坐标系统来说，若物体沿某一坐标轴运动，其运动有6个自由度，那么就有6个几何误差分量，即沿3个坐标轴的直线度误差和3个坐标轴相对应的转动误差。从这一角度来看，三周运动的机床存在18个误差分量，如果将三轴之间可能存在的垂直度误差考虑在内，将会导致出现21项误差分量。具体来看，沿着X方向看，存在线性位移误差、两项直线度误差、偏摆误差、滚转误差和俯仰误差；沿着Y方向看，存在线性位移误差、两项直线度误差、偏摆误差、滚转误差和俯仰误差；沿着Z方向看，存在线性位移误差、两项直线度误差、偏摆误差、滚转误差和俯仰误差。每个坐标轴方向都有6个误差分量。
图3 线法辨识示意图
4.2数控机床几何误差辨识
激光干涉仪几何误差辨识有15线法、22线法、9线法和14线法，其中9线法的测量效率较高，侧两光路调整便捷，误差便于控制，建模较为交单，已经成为使用最多，精度最高的误差辨识方法。在数控机床几何误差的辨识中没应用9线法还能够降低不确定假设条件和光路调整难度，减少不必要的工作量。
通过9线法，在坐标轴之间的角度大于90°情况下，使用正值表示垂直误差，小于90°条件下使用负值。在实际使用中，直接测量X轴在Y方向上的直线度误差和Y轴沿着X轴方向的直线度误差，就能够求得垂直度误差。同理，能够求得各个方向上的垂直度误差。
4.3基于干涉仪的数控机床误差补偿
现阶段数控机床误差补偿经常使用硬件补偿和软件补偿两种方式，考虑到硬件补偿自身的不确定性，本次研究使用软件补偿的方式。刀具路线是工作条件下指定的刀具中心位置线的变化轨迹，与机床的运动无关。刀具轨迹是工况条件下数控机床刀具中心线实际运动的轨迹，刀具轨迹和道路路线一般情况下会出现微小的差别，理想状态下两者是重合的。
5结束语
总体来看，利用激光干涉仪对数控机床的几何误差进行检测和辨识，并辅助进行矫正，是一项设备要求较低、操作简单、成本低廉、效率较高的手段。理论分析和实践操作都证明，该种方法能够有效降低仪器设备测量和维护的难度和时间，具有广阔的市场前景。
参考文献
[1]叶俊.基于激光干涉仪的数控机床精度参数化测量通用方法实现[J].机床与液压，2016(08).
[2]张金权.激光干涉仪调光技巧及数控机床典型误差曲线分析[J].金属加工，2016(08).
论文作者:张馨予
论文发表刊物:《防护工程》2018年第10期
论文发表时间:2018/9/29
标签：误差论文; 干涉仪论文; 激光论文; 数控机床论文; 测量论文; 机床论文; 坐标轴论文; 《防护工程》2018年第10期论文;