机床轴线位置精度检测技术

宋秀敏，李 雪

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京东 燕郊 065201)

数控机床的位置精度是一项很重要的技术指标，它表明所测量的机床各运动部件在数控装置控制下所能达到的准确度。也就是说根据位置误差的实测数值，可以判断出机床以后自动加工能达到最好的工件加工水平。因此对数控机床验收和定期校准时，位置精度的检测显得尤为重要。

1 数控机床位置精度测试常用的评定标准

位置精度主要评定项目包括：轴线的重复定位精度、轴线的定位精度和反向差值。

我国机床验收和定期校准通常采用GB/T17421.2-2000(等同于ISO230-2：1997)国家标准评定方法。

反向差值

·目标位置的反向差值：运动部件从2个方向趋近某一位置时，正向平均位置偏差减负向平均位置偏差：

·轴线反向差值B：运动部件沿轴线或绕轴线的各目标位置的反向差值的绝对值│Bi│中的最大值即为轴线反向差值B：

1.2 重复定位精度

·目标位置的单向重复定位精度Ri↑或Ri↓及双向重复定位精度Ri：

·轴线单向重复定位精度R↑或R↓以及双向重复定位精度R，则有：

1.3 定位精度

·轴线单向定位精度A↑或A↓:

·轴线双向定位精度A：由双向定位系统偏差和双向定位标准不确定度估算值的2倍的组合来确定的范围。即：

2 测量定位精度所需的工具和方法

2.1 测量工具的选择

由于激光具有高亮度、方向性强、单色性好和相干性高的特点，使双频激光干涉仪具有精度高、应用范围广、环境适应能力强、实时动态测速高等一系列无可比拟的优势，且该仪器为模块化结构,安装位置灵活,便于分析机床误差来源;测量时可以在工作部件运动过程中自动采集数据,更接近机床的实际使用状态。因此,用双频激光干涉仪检测机床位置精度是一种用传统测量手段难以实现的技术。

2.2 目标位置及循环方式的选择

用双频激光干涉仪测量位置精度时，首先应根据被测轴工作范围适当确定m个测量位置，每个目标位置Pi应随即选取，以便把周期误差也包含在内。目标位置按下式确定：

式中：i—现行目标位置的序号；

P—目标位置的间距，使测量行程内的目标位置之间有均匀的间距；

r—在各目标位置取不同的值，以获得全测量行程上各目标位置的不均匀间隔，以保证周期误差(例如滚珠丝杠导程遗迹直线或回转感应器的节距所引起的误差)被充分地采样。

循环方式一般按标准检验循环(见图1)在所有目标位置上进行测量。每个目标位置在每个方向上应测量5次。每个测量循环都从固定的零点开始。当测量开始，第一次对激光干涉仪清零后，在测量过程中不再清零，以免测量数据作废；并且在每个循环的起点和终点处返回以前，必须先作一定距离的“超越”，再返回原处，以保证在该循环中每个目标位置的趋近方向一致。

2.3 测量方法

(1)安装双频激光干涉仪测量系统各组件，并在需测量的机床坐标轴线方向安装光学测量装置。将反射镜置于机床运动部件的某个位置，让激光束经过反射镜形成一束反射光，将干涉镜置于激光器与反射镜之间，形成另一束反射光，两束光同时进入激光器的回光孔产生干涉；

图1 标准检验循环

(2)调整激光头，使双频激光干涉仪的光轴与机床移动的轴线在一条直线上，也就是将光路调准直；调整光路时先把反射镜固定好不动，调整激光器，当反射镜在机床零位和最大位移时，使激光器发出的激光束经过反射镜反射回的反射光都能射入激光器的回光孔内 (在电脑中显示射入回光孔内的光为100%时调整完毕)，然后在激光器和反射镜之间放上干涉镜，这时激光器和反射镜都固定不动，调整干涉镜使从干涉镜中反射回来的反射光也进入激光器的回光孔中 (同样在电脑中显示射入回光孔内的光为100%时调整完毕)，此时光路已调整好。

(3)根据定义的目标位置编制循环移动程序，记录各个位置的测量值(机器自动记录)；

(4)选择所选计算标准，进行数据处理与分析，计算出机床的位置精度。测量示意图如图2所示；用图线表示的位置精度测量结果图如图3所示。

图2 激光干涉仪测量示意图

图3 位置精度测量结果图

3 用双频激光干涉仪测量位置精度应考虑的误差来源及采取的措施

(1)激光波长引起的测量误差。这是因为作为长度基准的激光波长，受环境条件和激光器本身影响而产生波动，因此用双频激光干涉仪测量时必须对激光波长进行补偿。方法是将空气温度传感器尽量安放在测量区段，以保证自动补偿装置最大限度的补偿。

(2)材料温度的影响。机床本身的温度是影响机床测试精度的最重要的误差来源，所以在对机床进行检测时，一是尽量稳定机床的工作条件，使其接近机床工作状态；再就是必须将材料温度传感器安放在机床有代表性(一般放在反射镜所在的位置上)，使自动补偿装置能进行最大限度的材料补偿。

(3)死行程误差。激光测量行程的死行程区是指干涉镜至测量长度的零位之间的距离L1(如图4)。如果干涉镜和反射镜间没有运动，围绕激光束行程的大气压条件发生变化，则遍于整个光路(L1+L2)的波长将发生变化。测量系统只对测程L2而不对行程L1的光速进行补偿，结果造成基准位置(零点)的偏移。另外机床工作台的热膨胀也会造成同样的误差。工作台的温升使干涉镜相对反射镜移动，同样测量系统的材料温度补偿只考虑L2，这也会引起零点的偏移。因此为了减小死行程误差，必须将干涉镜尽量靠近零点。

(4)余弦误差。如果激光束和机床运动轴线没有对准，也就是测量轴线与机床移动的轴线不平行；这时实际移动距离不等于测出的距离。其偏差值与测量轴线与运动轴线之间夹角的余弦成比例。因此消除余弦误差的唯一方法是测量前精确调整光路，以确保很好的对准。

(5)阿贝误差。如果在一个偏离被测位移的位置上进行测量时，部件的任何角运动将产生一个误差，这个误差就是阿贝误差。要减小阿贝误差就必须减小阿贝偏移，也就是偏离距离。

图4 死行程误差

4 结束语

准确测量机床位置精度非常重要。为了能准确的对机床进行评价，测量前必须考虑使潜在的误差源达到最小；另外为了能使机床误差的测量代表工件的误差，测量时一般在刀具的安装处装置一个光学元件，而另一个光学元件安放在工件位置上。

[1]中华人民共和国国家标准GB/T17421.2-2000，机床检验通则(第2部分)：数控轴线的定位精度和重复定位精度的确定[S].

[2]国防科工委科技与质量司组织编写.几何量计量(下册)[M]，原子能出版社2002.