论文部分内容阅读
摘 要：定位精度是指机床的运动部件在数控系统控制下运动所能达到的精度，定位精度直接影响加工零件精度。对数控机床的定位精度的测量是保证加工质量的重要途径，是进行误差补偿的第一步。因此对机床定位精度的测量方法的研究有着重要的意义。
关键词：数控机床；位置精度测量
1. 前言
根据检测设备的原理和检测机理的不同，定位精度的检测方法分为：一是接触式检测方法；二是非接触式检测方法。接触式检测方法主要有一维球列法和球柄仪法（DBB 法）；非接触式检测方法主要包括正交光栅检测及分离法和激光干涉测量法。目前主要采用非接触式检测方法，其检测方法有：线纹尺、步距规、电子测微计、自准直仪和双频激光干涉测量法。
2. 测量工具与测量方法
2.1线纹尺
线纹尺用金属或玻璃制成，表面准确地刻有等间距平行线的长度测量和定位元件，也称刻线尺，常见的线纹尺规格有100、200、300、500和1000毫米几种。测量原理为采用精密线纹尺（每毫米刻有细线）与读数显微镜（将每毫米光学细分为0.001mm），以线纹尺刻线为标准，与运动部件移动的距离进行比较测出偏差。采用线纹尺解决了任意点直线位置精度的测量，但测量装置受线纹尺规格（≤1m）和机床结构限制，测量范围小，测量精度和效率会随着线纹尺的接长而下降，因此较适于小范围的直线位置精度测量。
2.2步距规
步距規是由精密的量块直线排列，永久固定于一个坚固的框架中，框架表面进行喷塑或镀层保护处理。使用步距规测量，方法简便，设备安装方便，测量效率高且成本低，但测量结果精度低，适于中低档机床的标定和出厂检验。
2.3电子测微计
电子测微计适用于机械加工中的精密测量，为其配以相应的测量装置可进行工件外形尺寸及部分形位公差测量。其优点是测量时，能够消除工作过程中的定位误差，从而提高测量精度。电子测微计的分辨率一般在0.1～0.001μm，与其它传感器组成测量系统后，测量精度较低，检验重复性差，不能真实反映机床的位置精度，对于控制轴的角位移测量，误差尤为明显。
2.4自准直仪
自准直仪是利用光学自准直原理将角度测量转换为线性测量的一种计量仪器，它广泛用于小角度测量平板的平面度测量和导轨的平直度与平行度测量等方面。无论从分辨力和测量范围，还是从精度来看，与其它测量工具相比都存在一定的差距，因此属于中低端检测工具。
2.5激光干涉仪
激光干涉仪利用激光作为长度基准，对数控设备的位置精度（定位精度、重复定位精度等）、几何精度（俯仰扭摆角度、直线度、垂直度等）进行精密测量，具有稳定性好、准确度高的特点。
在国际标准中，激光干涉仪是公认的进行数控机床精度检测的设备，它可以测量各种几何尺寸的机床，甚至长达几十米的机床并诊断和测量各种几何误差。其精度比传统技术至少高十倍以上，可达到±2.1PPM（0～40℃），测量范围大（线性测长40m，位选80m），测量速度快（60m/min），分辨率高（0.001μm），激光干涉仪可实现自动数据采集与分析。
图2.1 激光干涉仪测量原理图
激光干涉仪测量测量原理是：来自激光头的光束进入线性干涉镜，在此光束被分成两束，一束光（称为参考光束）被引向装在分光镜上的反射镜1，另一束光（测量光束）则穿过分光镜到达线性反射镜2，然后，两束光都被反射回分光镜，重新汇合后回到激光器，激光器内的探测器辨识两束光之间的干涉，在测量过程中，一个光学组件保持静止，另一个光学组件沿轴移动，通过监测测量光束和参考光束之间的光路差异的变化，得到定位精度值。
3. 位置精度测量实验
本文测量对象为卧式数控车床，其特点是机床体积大，Z向进给位移长达18000mm。传统位置精度检测方法多采用线纹尺或步距规、电子测微计、准直仪等，难以反映受检机床的真实精度状况，且数据处理必须手工进行，繁琐、易出错。
本文采用ML10激光干涉仪进行测量，它可以测量各种几何尺寸的机床，节省时间又避免操作误差，另外还可以与计算机进行通讯，避免了人工计算。
3.1环境条件
激光干涉仪和机床应处于温度20℃±5℃，相对湿度70%，气压为一个标准大气压的环境下进行检测；机床应在检测环境中放置足够长的时间（一般要≥12h）以确保检验前达到热稳定状态，避免阳光及其他热源的辐射。
3.2测量方法
以图2.1所示的测量原理为基础，根据卧式数控车床机械结构和现场实际情况，将反射镜，线性干涉镜和激光器按照要求布置，反光镜安装在车床移动部件上作为移动光学镜，干涉镜为固定镜组，环境补偿器放置于机床底座上。本实验的测量对象的X轴方向测量距离为0～1000mm，测量目标的选择根据GB/T17422.1-2000中的规定：选择目标测量点不少于5个的要求，设定每个目标位置在每个方向上测量5次，一个测量循环为车床X轴工作台正反向往返移动800mm，采样间隙为100mm。测量时，沿X轴方向运动的反射镜相对于固定的干涉镜移动一个采样间隙并停留设定的时间，激光器发出双频激光束，经λ/4波片射入线性干涉镜，得到二束正交的同偏振单频激光束，干涉经光波片，分光镜、光电接收器，数据采集卡，接入计算机。
重型车床刀架X轴的定位精度和重复定位精度，
Xij为位置偏差；Rj为某一点的单向重复定位精度；Sj为某一位置单向定位标准不确定度；Xij为某一位置双向平均位置偏差；n为电路和倍频数；λ为激光波长。
3.3误差分析
本文主要针对其进给系统X和Z方向的定位精度进行测量，要求激光器、干涉镜组和反射镜组处于一条直线且与运动轴线平行，卧式数控车床进给位移较普通车床长，存在着制造和安装误差，因此，阿贝误差与准直误差对本研究对象影响尤为突出。 （1）阿贝误差
激光干涉仪在进行激光测量时，要求激光光束与数控直线运动轴线准直，但在实际测量时，测量光束与直线运动轴线存在一个偏移距离，称为阿贝臂，由于机床的工作台导轨存在制造误差，使测量系统干涉镜相对于基准轴会相差一个角度，会产生一个光程差，即阿贝误差，并有以下的关系：
ε=S·tanθ
公式中：ε为阿贝误差；S为标准偏差；θ为反射镜的偏转角度
（2）准直误差
激光干涉仪在测量定位精度时，要求入射激光束与数控直线运动准直，但由于进给系统运动距离长及安装、定位等因素的影響，两者之间存在一个夹角β，准直误差就存在下列关系：
公式中：δ为准直误差；L1为测量距离；β为入射激光束与数控直线运动方向误差角。
在检测过程中，应采取措施减少以上两种误差。Renishaw激光干涉仪通过采取一定的数学模型补偿，将线性测量精度尽量降低，分辨率达0.001μm，可以满足测试要求。
4. 位置精度测量结果
4.1 X轴测量结果
卧式数控车床X向的定位精度测试曲线如图4.1所示。
图4.1 X轴某段定位精度测试图
从图4.1可以看出，测量段内定位精度处车床X向进给时的主要精度为：单向（↓）重复定位精度R为25.541μm，单向（↓）定位精度A为31.708μm，双向重复定位精度为43.680μm。
4.2 Z轴测量结果
车床Z轴进给方向测试区域如图4.2所示，A、B和C段的测试长度均为300mm，等距离（50mm）分布7个测点。以A段测试第一个点为零点，B段测试第一个点坐标为8000mm，C段测试第一个点坐标为17700mm。
图4.2 测点示意图
往返测试五组数据，A段结果如表4-1所示。
表4-1机床A段定位精度测试结果（单位μm）
结论
本文介绍目前检测数控机床位置精度常用的检测工具和检测方法，确定了使用双频率激光干涉仪作为检测工具，分别测量了本研究对象的X向和Z向进给系统三段位移的定位精度值。为进一步分析和研究位置精度奠定了一定的基础。
参考文献
[1]倪军.数控机床误差补偿研究的回顾及展望[J].中国机械工程.1997，8（1）：29-33.
[2]张虎，周云飞.数控机床精度强化方法研究[J].机械与电子.2000，（6）：46-49.
关键词：数控机床；位置精度测量
1. 前言
根据检测设备的原理和检测机理的不同，定位精度的检测方法分为：一是接触式检测方法；二是非接触式检测方法。接触式检测方法主要有一维球列法和球柄仪法（DBB 法）；非接触式检测方法主要包括正交光栅检测及分离法和激光干涉测量法。目前主要采用非接触式检测方法，其检测方法有：线纹尺、步距规、电子测微计、自准直仪和双频激光干涉测量法。
2. 测量工具与测量方法
2.1线纹尺
线纹尺用金属或玻璃制成，表面准确地刻有等间距平行线的长度测量和定位元件，也称刻线尺，常见的线纹尺规格有100、200、300、500和1000毫米几种。测量原理为采用精密线纹尺（每毫米刻有细线）与读数显微镜（将每毫米光学细分为0.001mm），以线纹尺刻线为标准，与运动部件移动的距离进行比较测出偏差。采用线纹尺解决了任意点直线位置精度的测量，但测量装置受线纹尺规格（≤1m）和机床结构限制，测量范围小，测量精度和效率会随着线纹尺的接长而下降，因此较适于小范围的直线位置精度测量。
2.2步距规
步距規是由精密的量块直线排列，永久固定于一个坚固的框架中，框架表面进行喷塑或镀层保护处理。使用步距规测量，方法简便，设备安装方便，测量效率高且成本低，但测量结果精度低，适于中低档机床的标定和出厂检验。
2.3电子测微计
电子测微计适用于机械加工中的精密测量，为其配以相应的测量装置可进行工件外形尺寸及部分形位公差测量。其优点是测量时，能够消除工作过程中的定位误差，从而提高测量精度。电子测微计的分辨率一般在0.1～0.001μm，与其它传感器组成测量系统后，测量精度较低，检验重复性差，不能真实反映机床的位置精度，对于控制轴的角位移测量，误差尤为明显。
2.4自准直仪
自准直仪是利用光学自准直原理将角度测量转换为线性测量的一种计量仪器，它广泛用于小角度测量平板的平面度测量和导轨的平直度与平行度测量等方面。无论从分辨力和测量范围，还是从精度来看，与其它测量工具相比都存在一定的差距，因此属于中低端检测工具。
2.5激光干涉仪
激光干涉仪利用激光作为长度基准，对数控设备的位置精度（定位精度、重复定位精度等）、几何精度（俯仰扭摆角度、直线度、垂直度等）进行精密测量，具有稳定性好、准确度高的特点。
在国际标准中，激光干涉仪是公认的进行数控机床精度检测的设备，它可以测量各种几何尺寸的机床，甚至长达几十米的机床并诊断和测量各种几何误差。其精度比传统技术至少高十倍以上，可达到±2.1PPM（0～40℃），测量范围大（线性测长40m，位选80m），测量速度快（60m/min），分辨率高（0.001μm），激光干涉仪可实现自动数据采集与分析。
图2.1 激光干涉仪测量原理图
激光干涉仪测量测量原理是：来自激光头的光束进入线性干涉镜，在此光束被分成两束，一束光（称为参考光束）被引向装在分光镜上的反射镜1，另一束光（测量光束）则穿过分光镜到达线性反射镜2，然后，两束光都被反射回分光镜，重新汇合后回到激光器，激光器内的探测器辨识两束光之间的干涉，在测量过程中，一个光学组件保持静止，另一个光学组件沿轴移动，通过监测测量光束和参考光束之间的光路差异的变化，得到定位精度值。
3. 位置精度测量实验
本文测量对象为卧式数控车床，其特点是机床体积大，Z向进给位移长达18000mm。传统位置精度检测方法多采用线纹尺或步距规、电子测微计、准直仪等，难以反映受检机床的真实精度状况，且数据处理必须手工进行，繁琐、易出错。
本文采用ML10激光干涉仪进行测量，它可以测量各种几何尺寸的机床，节省时间又避免操作误差，另外还可以与计算机进行通讯，避免了人工计算。
3.1环境条件
激光干涉仪和机床应处于温度20℃±5℃，相对湿度70%，气压为一个标准大气压的环境下进行检测；机床应在检测环境中放置足够长的时间（一般要≥12h）以确保检验前达到热稳定状态，避免阳光及其他热源的辐射。
3.2测量方法
以图2.1所示的测量原理为基础，根据卧式数控车床机械结构和现场实际情况，将反射镜，线性干涉镜和激光器按照要求布置，反光镜安装在车床移动部件上作为移动光学镜，干涉镜为固定镜组，环境补偿器放置于机床底座上。本实验的测量对象的X轴方向测量距离为0～1000mm，测量目标的选择根据GB/T17422.1-2000中的规定：选择目标测量点不少于5个的要求，设定每个目标位置在每个方向上测量5次，一个测量循环为车床X轴工作台正反向往返移动800mm，采样间隙为100mm。测量时，沿X轴方向运动的反射镜相对于固定的干涉镜移动一个采样间隙并停留设定的时间，激光器发出双频激光束，经λ/4波片射入线性干涉镜，得到二束正交的同偏振单频激光束，干涉经光波片，分光镜、光电接收器，数据采集卡，接入计算机。
重型车床刀架X轴的定位精度和重复定位精度，
Xij为位置偏差；Rj为某一点的单向重复定位精度；Sj为某一位置单向定位标准不确定度；Xij为某一位置双向平均位置偏差；n为电路和倍频数；λ为激光波长。
3.3误差分析
本文主要针对其进给系统X和Z方向的定位精度进行测量，要求激光器、干涉镜组和反射镜组处于一条直线且与运动轴线平行，卧式数控车床进给位移较普通车床长，存在着制造和安装误差，因此，阿贝误差与准直误差对本研究对象影响尤为突出。 （1）阿贝误差
激光干涉仪在进行激光测量时，要求激光光束与数控直线运动轴线准直，但在实际测量时，测量光束与直线运动轴线存在一个偏移距离，称为阿贝臂，由于机床的工作台导轨存在制造误差，使测量系统干涉镜相对于基准轴会相差一个角度，会产生一个光程差，即阿贝误差，并有以下的关系：
ε=S·tanθ
公式中：ε为阿贝误差；S为标准偏差；θ为反射镜的偏转角度
（2）准直误差
激光干涉仪在测量定位精度时，要求入射激光束与数控直线运动准直，但由于进给系统运动距离长及安装、定位等因素的影響，两者之间存在一个夹角β，准直误差就存在下列关系：
公式中：δ为准直误差；L1为测量距离；β为入射激光束与数控直线运动方向误差角。
在检测过程中，应采取措施减少以上两种误差。Renishaw激光干涉仪通过采取一定的数学模型补偿，将线性测量精度尽量降低，分辨率达0.001μm，可以满足测试要求。
4. 位置精度测量结果
4.1 X轴测量结果
卧式数控车床X向的定位精度测试曲线如图4.1所示。
图4.1 X轴某段定位精度测试图
从图4.1可以看出，测量段内定位精度处车床X向进给时的主要精度为：单向（↓）重复定位精度R为25.541μm，单向（↓）定位精度A为31.708μm，双向重复定位精度为43.680μm。
4.2 Z轴测量结果
车床Z轴进给方向测试区域如图4.2所示，A、B和C段的测试长度均为300mm，等距离（50mm）分布7个测点。以A段测试第一个点为零点，B段测试第一个点坐标为8000mm，C段测试第一个点坐标为17700mm。
图4.2 测点示意图
往返测试五组数据，A段结果如表4-1所示。
表4-1机床A段定位精度测试结果（单位μm）
结论
本文介绍目前检测数控机床位置精度常用的检测工具和检测方法，确定了使用双频率激光干涉仪作为检测工具，分别测量了本研究对象的X向和Z向进给系统三段位移的定位精度值。为进一步分析和研究位置精度奠定了一定的基础。
参考文献
[1]倪军.数控机床误差补偿研究的回顾及展望[J].中国机械工程.1997，8（1）：29-33.
[2]张虎，周云飞.数控机床精度强化方法研究[J].机械与电子.2000，（6）：46-49.