激光干涉仪在数控机床位置精度检测补偿中的应用

王志伟

（扬州市职业大学，江苏扬州 225009）

0 引言

数控机床的位置精度是机床性能的一项重要指标，通过对传动反向间隙、丝杠螺距误差及其他误差的有效补偿，提高机床的加工精度。其检测仪器主要有步距规、线纹尺和激光干涉仪。激光干涉仪由于检测精度高、速度快、无接触等特点，常用于数控机床位置精度的精密测量[1-2]。为了保证数控机床位置精度检测补偿的正确性，本文利用MCV500激光干涉仪在某一数控机床位置精度检测和补偿过程中的应用，介绍其使用技术要点。

1 MCV500激光干涉仪简介

MCV-500激光干涉仪（如图1）是由美国光动公司生产的一款精密直线位移测量仪器，主要应用于数控机床、测长机和三坐标测量机等设备的定位精度检测与补偿。该激光干涉仪是在王正平博士的LDDM（Laser Doppler Displacement Me⁃ter）专利技术上研制而成[3-4]，具有响应速度快、测量精度高等特点，同时可以自动采集数据，动态进行温度、湿度和压力的补偿。

图1 MCV-500激光多普勒干涉仪

MCV-500拥有完整的激光测量系统，采用模块化设计结构，如配以不同的附件可测量静态定位精度（21项刚体误差中的18项，即几何误差）和动态循圆误差，并可在在一天内完成所有误差的测量。MCV-500激光头外形尺寸小，无三脚架及干涉镜、结构简单、重量轻、携带方便。对国际主流控制器自动生成螺距误差补偿程序进行螺距误差补偿。主要性能指标如表1。

表1 MCV-500主要性能指标

2 MCV500激光干涉仪原理

MCV500激光干涉仪设计制造应用了雷达原理、多普勒效应及光学外差原理来进行测量。当激光束经由反射镜反射时，因反射镜的移动而造成多普勒的频率偏移现象，可用公式Δf=(2f/c)Δv或 Δθ=2π(2f/c)Δz来表示。其中， Δf、 Δθ分别为频率偏移量和相位偏移量，Δv、Δz分别为反射镜的速度和位移量，f为激光束频率，c为光速。当相位传感器检测到因反射镜移动造成的相位变化时，若位移量＞λ/2(λ为激光束波长)，计数器会记录全部的相位偏移量Δθ=2πN+ϕ，其中，N为半波长度，ϕ为小于2π的相位角，则位移量Δz可以表示为Δz=c/2f(N+ϕ/2π)。计算处理器通过读取的相位角，计算后转换成移动量[5-6]。其中系统最小分辨率为最小可测的ϕ，而最大速度则取决于相位传感器及计数器的频宽。MCV500激光干涉仪主要组成部分和光学系统如图2所示。

图2 3MCV500激光干涉仪组成及光学系统

3 数控机床检测参数设定

数控机床位置精度检测时，各轴要以快速定位，进给倍率100%的方式运行，且每个检测点的定位速度（不包含方向）必须保持一致性。某一数控机床采用FANUC（发那科）系统，其检测运行程序在通电调试阶段已输入数控系统中，设定O6001、O6002、O6003为X轴、Y轴和Z轴的检测运行程序。现以FANUC 0i系列为例说明其检测过程，与螺距误差补偿相关的直线轴参数分别是1800#4、 1851、 1852、 3620、 3621、 3622、3623、3624。其中1800#4为切削进给和快速移动时是否分别进行反向间隙补偿，一般情况下1800#4=1，需分别对进给和快速移动进行补偿；1851为各机床轴的切削进给反向间隙，用于设置插补指令的反向间隙，其参数为变量，不同的进给速度需要设置不同的参数值，通常以圆的试切并达到厂标（圆度在0.02 mm以内）要求进行设定；1852为各机床轴的快速定位反向间隙，用于设置一般意义的反向间隙即快速反向间隙；3620为各机床轴参考点的螺距误差补偿号；3621为各机床轴负向最小值的螺距误差补偿号；3622为各机床轴正向最大值的螺距误差补偿号；3623为各机床轴螺距误差补偿倍率；3624为各机床轴的螺距误差补偿点的间距。

表2 某机床相关设定值

该机床相关参数设定值（如表2）：1690X轴采样点距离为66.666、Y轴采样点距离为33.333，补偿间隔为11.111，Z轴采样点距离为30.453，补偿间隔为10.151。各轴采样最远行程分别是：X轴为1599.984，Y轴为-899.991，Z轴为-669.966。

4 MCV500激光干涉仪检测要点

（1）按序正确连接MCV500激光干涉仪的相关线缆（如图3所示），并连接干涉仪和机床间的地线，再连接干涉仪的电源线，最后开启电源，使干涉仪能产生激光束。

（2）对光，移动被测定的直线轴。在拉长光束时，调节镭射源端的两调节螺栓，使光束在中心圈中，这样的调节保持至被测轴的最远端。然后将被测轴往相反方向移动，缩短光束，在这一过程中，要不断移动工作台使光束在中心圈中，直到光束被缩为最短即被测轴达到某一方向的极限。这一对光调节过程可能需要重复几个来回，直到在某一方向移动被测轴时不需要调节镭射光源或工作台。

（3）依据激光软件页面提示要求设定激光参数，并保存。要求设定的补偿系数为11.7，压力为50。

（4）等待镭射源上的绿灯亮起，进行测定，选择相应轴的激光程序。

（5）在第一个双来回采样后，依据分析软件，补偿测定轴的反向间隙1852所补的值应为测量的最大间隙值加最小间隙值除以2。

图3 MCV500激光干涉仪连接图

（6）在第二个双来回采样后，依据分析软件，形成螺距误差，并进行补偿在螺距误差补偿结束后进行一次五个来回的采样，分析机床的综合误差，双向定位重复性。

（7）1852反向间隙补偿值不得大于30微米（1580和大于1580机床的偿值不得大于35微米），测量的综合误差与双向定位重复误差根据过程检查卡的要求进行控制。

注意事项：在检测过程中若存在某一指标不合格，应及时反映并解决。在检测结束后进行机床数据的备份，防止有操作不当引起数据丢失。检测结束后应有序整理好所有的线缆、器具，不应乱放以保证仪器的长久有效使用。

5 结束语

数控机床的位置精度是指所测量机床运动结构在数控系统控制下能够达到的精度，是数控机床区别于普通机床的一项重要性能指标，直接影响工件的加工精度和加工质量。通常数控机床在空运行、调试、强力切削或伺服优化后需要进行必要位置精度检测和误差补偿。本文通过MCV500激光干涉仪对数控机床位置精度检测补偿，可用于实际操作指导，提高设备使用价值。

参考文献：

［1］金建国，王冬.数控机床螺距误差补偿技术研究［J］.制造业自动化，2015（1）：18-21.

［2］羡一民.激光干涉仪的应用（激光干涉仪技术综述之五）［J］.工具技术，2015（2）：79-85.

［3］中国仪表网.MCV-500激光多普勒测量仪应用介绍［EB/OL］. http：//www.ybzhan.cn/Tech_news/Detail/3284.html，2007.12.18.

［4］美国光动公司.MCV-500系列产品性能参数介绍［EB/OL］. http：//www.optodyne.com.cn/product/show.asp？Id=133&Path=0|4|16|，2015.5.7.

［5］程亮.激光外差干涉长行程精密导轨直线度测量及补偿方法研究［D］.杭州：浙江理工大学，2017.

［6］白恩远.现代数控机床伺服及检测技术（第二版）［M］.北京：国防工业出版社，2005.