王志偉

（揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué)，江蘇揚(yáng)州 225009）

0 引言

數(shù)控機(jī)床的位置精度是機(jī)床性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，通過對(duì)傳動(dòng)反向間隙、絲杠螺距誤差及其他誤差的有效補(bǔ)償，提高機(jī)床的加工精度。其檢測(cè)儀器主要有步距規(guī)、線紋尺和激光干涉儀。激光干涉儀由于檢測(cè)精度高、速度快、無接觸等特點(diǎn)，常用于數(shù)控機(jī)床位置精度的精密測(cè)量[1-2]。為了保證數(shù)控機(jī)床位置精度檢測(cè)補(bǔ)償?shù)恼_性，本文利用MCV500激光干涉儀在某一數(shù)控機(jī)床位置精度檢測(cè)和補(bǔ)償過程中的應(yīng)用，介紹其使用技術(shù)要點(diǎn)。

1 MCV500激光干涉儀簡介

MCV-500激光干涉儀（如圖1）是由美國光動(dòng)公司生產(chǎn)的一款精密直線位移測(cè)量儀器，主要應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、測(cè)長機(jī)和三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等設(shè)備的定位精度檢測(cè)與補(bǔ)償。該激光干涉儀是在王正平博士的LDDM（Laser Doppler Displacement Me?ter）專利技術(shù)上研制而成[3-4]，具有響應(yīng)速度快、測(cè)量精度高等特點(diǎn)，同時(shí)可以自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)進(jìn)行溫度、濕度和壓力的補(bǔ)償。

圖1 MCV-500激光多普勒干涉儀

MCV-500擁有完整的激光測(cè)量系統(tǒng)，采用模塊化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，如配以不同的附件可測(cè)量靜態(tài)定位精度（21項(xiàng)剛體誤差中的18項(xiàng)，即幾何誤差）和動(dòng)態(tài)循圓誤差，并可在在一天內(nèi)完成所有誤差的測(cè)量。MCV-500激光頭外形尺寸小，無三腳架及干涉鏡、結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、攜帶方便。對(duì)國際主流控制器自動(dòng)生成螺距誤差補(bǔ)償程序進(jìn)行螺距誤差補(bǔ)償。主要性能指標(biāo)如表1。

表1 MCV-500主要性能指標(biāo)

2 MCV500激光干涉儀原理

MCV500激光干涉儀設(shè)計(jì)制造應(yīng)用了雷達(dá)原理、多普勒效應(yīng)及光學(xué)外差原理來進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)激光束經(jīng)由反射鏡反射時(shí)，因反射鏡的移動(dòng)而造成多普勒的頻率偏移現(xiàn)象，可用公式Δf=(2f/c)Δv或 Δθ=2π(2f/c)Δz來表示。其中， Δf、 Δθ分別為頻率偏移量和相位偏移量，Δv、Δz分別為反射鏡的速度和位移量，f為激光束頻率，c為光速。當(dāng)相位傳感器檢測(cè)到因反射鏡移動(dòng)造成的相位變化時(shí)，若位移量＞λ/2(λ為激光束波長)，計(jì)數(shù)器會(huì)記錄全部的相位偏移量Δθ=2πN+?，其中，N為半波長度，?為小于2π的相位角，則位移量Δz可以表示為Δz=c/2f(N+?/2π)。計(jì)算處理器通過讀取的相位角，計(jì)算后轉(zhuǎn)換成移動(dòng)量[5-6]。其中系統(tǒng)最小分辨率為最小可測(cè)的?，而最大速度則取決于相位傳感器及計(jì)數(shù)器的頻寬。MCV500激光干涉儀主要組成部分和光學(xué)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 3MCV500激光干涉儀組成及光學(xué)系統(tǒng)

3 數(shù)控機(jī)床檢測(cè)參數(shù)設(shè)定

數(shù)控機(jī)床位置精度檢測(cè)時(shí)，各軸要以快速定位，進(jìn)給倍率100%的方式運(yùn)行，且每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的定位速度（不包含方向）必須保持一致性。某一數(shù)控機(jī)床采用FANUC（發(fā)那科）系統(tǒng)，其檢測(cè)運(yùn)行程序在通電調(diào)試階段已輸入數(shù)控系統(tǒng)中，設(shè)定O6001、O6002、O6003為X軸、Y軸和Z軸的檢測(cè)運(yùn)行程序?，F(xiàn)以FANUC 0i系列為例說明其檢測(cè)過程，與螺距誤差補(bǔ)償相關(guān)的直線軸參數(shù)分別是1800#4、 1851、 1852、 3620、 3621、 3622、3623、3624。其中1800#4為切削進(jìn)給和快速移動(dòng)時(shí)是否分別進(jìn)行反向間隙補(bǔ)償，一般情況下1800#4=1，需分別對(duì)進(jìn)給和快速移動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償；1851為各機(jī)床軸的切削進(jìn)給反向間隙，用于設(shè)置插補(bǔ)指令的反向間隙，其參數(shù)為變量，不同的進(jìn)給速度需要設(shè)置不同的參數(shù)值，通常以圓的試切并達(dá)到廠標(biāo)（圓度在0.02 mm以內(nèi)）要求進(jìn)行設(shè)定；1852為各機(jī)床軸的快速定位反向間隙，用于設(shè)置一般意義的反向間隙即快速反向間隙；3620為各機(jī)床軸參考點(diǎn)的螺距誤差補(bǔ)償號(hào)；3621為各機(jī)床軸負(fù)向最小值的螺距誤差補(bǔ)償號(hào)；3622為各機(jī)床軸正向最大值的螺距誤差補(bǔ)償號(hào)；3623為各機(jī)床軸螺距誤差補(bǔ)償倍率；3624為各機(jī)床軸的螺距誤差補(bǔ)償點(diǎn)的間距。

表2 某機(jī)床相關(guān)設(shè)定值

該機(jī)床相關(guān)參數(shù)設(shè)定值（如表2）：1690X軸采樣點(diǎn)距離為66.666、Y軸采樣點(diǎn)距離為33.333，補(bǔ)償間隔為11.111，Z軸采樣點(diǎn)距離為30.453，補(bǔ)償間隔為10.151。各軸采樣最遠(yuǎn)行程分別是：X軸為1599.984，Y軸為-899.991，Z軸為-669.966。

4 MCV500激光干涉儀檢測(cè)要點(diǎn)

（1）按序正確連接MCV500激光干涉儀的相關(guān)線纜（如圖3所示），并連接干涉儀和機(jī)床間的地線，再連接干涉儀的電源線，最后開啟電源，使干涉儀能產(chǎn)生激光束。

（2）對(duì)光，移動(dòng)被測(cè)定的直線軸。在拉長光束時(shí)，調(diào)節(jié)鐳射源端的兩調(diào)節(jié)螺栓，使光束在中心圈中，這樣的調(diào)節(jié)保持至被測(cè)軸的最遠(yuǎn)端。然后將被測(cè)軸往相反方向移動(dòng)，縮短光束，在這一過程中，要不斷移動(dòng)工作臺(tái)使光束在中心圈中，直到光束被縮為最短即被測(cè)軸達(dá)到某一方向的極限。這一對(duì)光調(diào)節(jié)過程可能需要重復(fù)幾個(gè)來回，直到在某一方向移動(dòng)被測(cè)軸時(shí)不需要調(diào)節(jié)鐳射光源或工作臺(tái)。

（3）依據(jù)激光軟件頁面提示要求設(shè)定激光參數(shù)，并保存。要求設(shè)定的補(bǔ)償系數(shù)為11.7，壓力為50。

（4）等待鐳射源上的綠燈亮起，進(jìn)行測(cè)定，選擇相應(yīng)軸的激光程序。

（5）在第一個(gè)雙來回采樣后，依據(jù)分析軟件，補(bǔ)償測(cè)定軸的反向間隙1852所補(bǔ)的值應(yīng)為測(cè)量的最大間隙值加最小間隙值除以2。

圖3 MCV500激光干涉儀連接圖

（6）在第二個(gè)雙來回采樣后，依據(jù)分析軟件，形成螺距誤差，并進(jìn)行補(bǔ)償在螺距誤差補(bǔ)償結(jié)束后進(jìn)行一次五個(gè)來回的采樣，分析機(jī)床的綜合誤差，雙向定位重復(fù)性。

（7）1852反向間隙補(bǔ)償值不得大于30微米（1580和大于1580機(jī)床的償值不得大于35微米），測(cè)量的綜合誤差與雙向定位重復(fù)誤差根據(jù)過程檢查卡的要求進(jìn)行控制。

注意事項(xiàng)：在檢測(cè)過程中若存在某一指標(biāo)不合格，應(yīng)及時(shí)反映并解決。在檢測(cè)結(jié)束后進(jìn)行機(jī)床數(shù)據(jù)的備份，防止有操作不當(dāng)引起數(shù)據(jù)丟失。檢測(cè)結(jié)束后應(yīng)有序整理好所有的線纜、器具，不應(yīng)亂放以保證儀器的長久有效使用。

5 結(jié)束語

數(shù)控機(jī)床的位置精度是指所測(cè)量機(jī)床運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)在數(shù)控系統(tǒng)控制下能夠達(dá)到的精度，是數(shù)控機(jī)床區(qū)別于普通機(jī)床的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)，直接影響工件的加工精度和加工質(zhì)量。通常數(shù)控機(jī)床在空運(yùn)行、調(diào)試、強(qiáng)力切削或伺服優(yōu)化后需要進(jìn)行必要位置精度檢測(cè)和誤差補(bǔ)償。本文通過MCV500激光干涉儀對(duì)數(shù)控機(jī)床位置精度檢測(cè)補(bǔ)償，可用于實(shí)際操作指導(dǎo)，提高設(shè)備使用價(jià)值。

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