激光干涉仪和数控机床几何误差的方法探究

杨亚

摘 要：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： 激光干涉仪；数控机床；几何误差

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.23.086

1 前言

数控机床是一种集自动控制、计算机技术、电机运动和自动检测等多项技术于一体的技术，在日常的使用和维护中，工作人员如何能够准确快速确定故障和误差原因，并采取有效手段，纠正误差，是影响数控机床工作效率的关键因素之一。激光干涉仪能够实现对于数控机床多种参数的测量，并辅助进行几何误差的矫正。

2 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。

3 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。在经过第一分光器之后，几部分光将被发射，这部分反射光在检偏器的检测下变为两束频率不同的信号，接收器将这两束光接收，作为参考信号。另一部分通过分光器的偏振光进入偏振分光器，这其中平行方向的光完全透过，到达反射镜，经过两个反射镜的偏振光在分光面汇合，之后经过转向棱镜和偏振期，并最终被接受为测量信号。测量信号和参考信号经过一定的数学处理就能得到测量距离。

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。

4 激光干涉仪几何误差分析

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個几何误差分量，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。

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。由此看来，软件补偿的实质是充分考虑理想条件和实际工况条件下，两者的运动误差，并用优化后的模型进行修正，最终达到精确控制数控机床刀具运动的目的。

5 结语

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：

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