宋秀敏，李 雪

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京東 燕郊 065201)

數(shù)控機床的位置精度是一項很重要的技術(shù)指標，它表明所測量的機床各運動部件在數(shù)控裝置控制下所能達到的準確度。也就是說根據(jù)位置誤差的實測數(shù)值，可以判斷出機床以后自動加工能達到最好的工件加工水平。因此對數(shù)控機床驗收和定期校準時，位置精度的檢測顯得尤為重要。

1 數(shù)控機床位置精度測試常用的評定標準

位置精度主要評定項目包括：軸線的重復(fù)定位精度、軸線的定位精度和反向差值。

我國機床驗收和定期校準通常采用GB/T17421.2-2000(等同于ISO230-2：1997)國家標準評定方法。

反向差值

·目標位置的反向差值：運動部件從2個方向趨近某一位置時，正向平均位置偏差減負向平均位置偏差：

·軸線反向差值B：運動部件沿軸線或繞軸線的各目標位置的反向差值的絕對值│Bi│中的最大值即為軸線反向差值B：

1.2 重復(fù)定位精度

·目標位置的單向重復(fù)定位精度Ri↑或Ri↓及雙向重復(fù)定位精度Ri：

·軸線單向重復(fù)定位精度R↑或R↓以及雙向重復(fù)定位精度R，則有：

1.3 定位精度

·軸線單向定位精度A↑或A↓:

·軸線雙向定位精度A：由雙向定位系統(tǒng)偏差和雙向定位標準不確定度估算值的2倍的組合來確定的范圍。即：

2 測量定位精度所需的工具和方法

2.1 測量工具的選擇

由于激光具有高亮度、方向性強、單色性好和相干性高的特點，使雙頻激光干涉儀具有精度高、應(yīng)用范圍廣、環(huán)境適應(yīng)能力強、實時動態(tài)測速高等一系列無可比擬的優(yōu)勢，且該儀器為模塊化結(jié)構(gòu),安裝位置靈活,便于分析機床誤差來源;測量時可以在工作部件運動過程中自動采集數(shù)據(jù),更接近機床的實際使用狀態(tài)。因此,用雙頻激光干涉儀檢測機床位置精度是一種用傳統(tǒng)測量手段難以實現(xiàn)的技術(shù)。

2.2 目標位置及循環(huán)方式的選擇

用雙頻激光干涉儀測量位置精度時，首先應(yīng)根據(jù)被測軸工作范圍適當確定m個測量位置，每個目標位置Pi應(yīng)隨即選取，以便把周期誤差也包含在內(nèi)。目標位置按下式確定：

式中：i—現(xiàn)行目標位置的序號；

P—目標位置的間距，使測量行程內(nèi)的目標位置之間有均勻的間距；

r—在各目標位置取不同的值，以獲得全測量行程上各目標位置的不均勻間隔，以保證周期誤差(例如滾珠絲杠導(dǎo)程遺跡直線或回轉(zhuǎn)感應(yīng)器的節(jié)距所引起的誤差)被充分地采樣。

循環(huán)方式一般按標準檢驗循環(huán)(見圖1)在所有目標位置上進行測量。每個目標位置在每個方向上應(yīng)測量5次。每個測量循環(huán)都從固定的零點開始。當測量開始，第一次對激光干涉儀清零后，在測量過程中不再清零，以免測量數(shù)據(jù)作廢；并且在每個循環(huán)的起點和終點處返回以前，必須先作一定距離的“超越”，再返回原處，以保證在該循環(huán)中每個目標位置的趨近方向一致。

2.3 測量方法

(1)安裝雙頻激光干涉儀測量系統(tǒng)各組件，并在需測量的機床坐標軸線方向安裝光學(xué)測量裝置。將反射鏡置于機床運動部件的某個位置，讓激光束經(jīng)過反射鏡形成一束反射光，將干涉鏡置于激光器與反射鏡之間，形成另一束反射光，兩束光同時進入激光器的回光孔產(chǎn)生干涉；

圖1 標準檢驗循環(huán)

(2)調(diào)整激光頭，使雙頻激光干涉儀的光軸與機床移動的軸線在一條直線上，也就是將光路調(diào)準直；調(diào)整光路時先把反射鏡固定好不動，調(diào)整激光器，當反射鏡在機床零位和最大位移時，使激光器發(fā)出的激光束經(jīng)過反射鏡反射回的反射光都能射入激光器的回光孔內(nèi) (在電腦中顯示射入回光孔內(nèi)的光為100%時調(diào)整完畢)，然后在激光器和反射鏡之間放上干涉鏡，這時激光器和反射鏡都固定不動，調(diào)整干涉鏡使從干涉鏡中反射回來的反射光也進入激光器的回光孔中 (同樣在電腦中顯示射入回光孔內(nèi)的光為100%時調(diào)整完畢)，此時光路已調(diào)整好。

(3)根據(jù)定義的目標位置編制循環(huán)移動程序，記錄各個位置的測量值(機器自動記錄)；

(4)選擇所選計算標準，進行數(shù)據(jù)處理與分析，計算出機床的位置精度。測量示意圖如圖2所示；用圖線表示的位置精度測量結(jié)果圖如圖3所示。

圖2 激光干涉儀測量示意圖

圖3 位置精度測量結(jié)果圖

3 用雙頻激光干涉儀測量位置精度應(yīng)考慮的誤差來源及采取的措施

(1)激光波長引起的測量誤差。這是因為作為長度基準的激光波長，受環(huán)境條件和激光器本身影響而產(chǎn)生波動，因此用雙頻激光干涉儀測量時必須對激光波長進行補償。方法是將空氣溫度傳感器盡量安放在測量區(qū)段，以保證自動補償裝置最大限度的補償。

(2)材料溫度的影響。機床本身的溫度是影響機床測試精度的最重要的誤差來源，所以在對機床進行檢測時，一是盡量穩(wěn)定機床的工作條件，使其接近機床工作狀態(tài)；再就是必須將材料溫度傳感器安放在機床有代表性(一般放在反射鏡所在的位置上)，使自動補償裝置能進行最大限度的材料補償。

(3)死行程誤差。激光測量行程的死行程區(qū)是指干涉鏡至測量長度的零位之間的距離L1(如圖4)。如果干涉鏡和反射鏡間沒有運動，圍繞激光束行程的大氣壓條件發(fā)生變化，則遍于整個光路(L1+L2)的波長將發(fā)生變化。測量系統(tǒng)只對測程L2而不對行程L1的光速進行補償，結(jié)果造成基準位置(零點)的偏移。另外機床工作臺的熱膨脹也會造成同樣的誤差。工作臺的溫升使干涉鏡相對反射鏡移動，同樣測量系統(tǒng)的材料溫度補償只考慮L2，這也會引起零點的偏移。因此為了減小死行程誤差，必須將干涉鏡盡量靠近零點。

(4)余弦誤差。如果激光束和機床運動軸線沒有對準，也就是測量軸線與機床移動的軸線不平行；這時實際移動距離不等于測出的距離。其偏差值與測量軸線與運動軸線之間夾角的余弦成比例。因此消除余弦誤差的唯一方法是測量前精確調(diào)整光路，以確保很好的對準。

(5)阿貝誤差。如果在一個偏離被測位移的位置上進行測量時，部件的任何角運動將產(chǎn)生一個誤差，這個誤差就是阿貝誤差。要減小阿貝誤差就必須減小阿貝偏移，也就是偏離距離。

圖4 死行程誤差

4 結(jié)束語

準確測量機床位置精度非常重要。為了能準確的對機床進行評價，測量前必須考慮使?jié)撛诘恼`差源達到最??；另外為了能使機床誤差的測量代表工件的誤差，測量時一般在刀具的安裝處裝置一個光學(xué)元件，而另一個光學(xué)元件安放在工件位置上。

[1]中華人民共和國國家標準GB/T17421.2-2000，機床檢驗通則(第2部分)：數(shù)控軸線的定位精度和重復(fù)定位精度的確定[S].

[2]國防科工委科技與質(zhì)量司組織編寫.幾何量計量(下冊)[M]，原子能出版社2002.